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松软煤层裂隙煤岩体破坏过程中的能量演化规律

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松软煤层裂隙煤岩体破坏过程中的能量演化规律

作者：王喜娜西安科技大学

学位级别：硕士

松软煤层煤岩体受到开采及地应力作用后,煤壁面的原生裂隙开始发育、扩展贯通,削弱了煤体的强度和稳定性,而从能量角度分析松软煤体变形破坏的裂隙扩展过程,探究不同裂隙倾角煤岩体能量演化对裂隙扩展模式的影响,可以更为深入地研究松... 详细信息

松软煤层煤岩体受到开采及地应力作用后,煤壁面的原生裂隙开始发育、扩展贯通,削弱了煤体的强度和稳定性,而从能量角度分析松软煤体变形破坏的裂隙扩展过程,探究不同裂隙倾角煤岩体能量演化对裂隙扩展模式的影响,可以更为深入地研究松软煤层裂隙煤岩体的变形破坏规律。本文通过数值模拟和实验室试验相结合的方法,采用DNS200电子万能试验机及数字图像相关技术,得到松软煤层裂隙煤岩体变形破坏规律和变形破坏过程中的能量演化规律,取得了如下研究成果:（1）为研究松软煤层裂隙煤岩体变形破坏裂隙演化过程,针对不同预制裂隙倾角煤岩体裂隙起裂、扩展模式的不同,开展不同裂隙倾角煤岩体物理和数值相似模拟试验。通过数值计算获得煤岩体变形破坏过程中裂隙的起裂应力特征;采用数字散斑相关测量技术获取煤岩体变形破坏表面应变场、位移场数据,分析煤岩体表面裂隙扩展规律以及破坏模式。（2）选取了压缩条件下预制裂隙的滑动裂纹模型,分析了地应力作用下裂隙尖端的应力分布,进行数值试验计算验证了模型的可适用性。试验得到裂隙起裂特征为:当0≤φ≤45°时,预制裂隙两端受拉应力起裂;45°≤φ≤60°时,一端受拉应力另一端受剪切应力起裂;φ≥75°时两端受剪切应力起裂。此外,在压应力作用下,裂隙周边存在压应力和拉应力集中,产生垂直受力方向的剪切裂隙。（3）为识别和定位裂隙扩展路径,采用数字图像相关方法开展含裂隙松软煤体的变形场演化试验。结果表明:接近应力峰值阶段,不同裂隙倾角试样的应变场分异速率-轴向应变曲线先后出现明显增长点P1和“尖点”P2,分别对应张拉裂隙和剪切裂隙起裂点;倾角增大使得在变形过程中P1点发生提前;而P2点出现一定延缓现象,同时P2点所对应的应力值更为接近峰值应力。（4）为研究不同倾角影响下松软煤层裂隙煤岩体的能量转化规律,建立了含不同裂隙倾角煤岩体峰前积聚能和轴向应变之间的自我抑制演化模型,模型可反映倾角大小对能量转化的抑制效果。将模型的本构方程与室内试验结果拟合,验证了模型的可适用性;得到抑制能量转化作用的机制对峰前能量积聚的最终结果起决定性作用,裂隙煤岩体峰前能量自我抑制作用随预制裂隙倾角增大而先增强后减弱,能量积聚速率先减小后增大,相应的峰值点处的储能极限先减小后增大。（5）为探究与松软煤层裂隙煤岩体能量耗散与破坏模式之间关系,对比分析了不同破坏阶段煤岩体的能量耗散量。结果表明:煤岩体在峰前未发生明显破坏阶段,系统输入能量主要以积聚形式储存在试样内部,峰后发生明显破坏阶段,积聚的能量沿着裂隙张裂的方向释放。小倾角裂隙煤岩体在变形破坏中易产生张拉裂隙,在煤矿工程中更易引起煤体发生变形破坏。

关键词：煤体强度裂隙煤岩体数字散斑相关方法变形破坏能量演化

裂隙分布对煤岩体冲击倾向性影响机制试验研究

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采矿与安全工程学报 2023年第3期40卷 554-562页

作者：朱志洁姚振华王来贵韩军吴云龙辽宁工程技术大学矿业学院辽宁阜新123000 煤炭科学研究总院煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室北京100013

对含预制裂隙试件开展单轴压缩试验,采用声发射和数字散斑监测技术探究了不同裂隙分布试件的力学响应特征,分析了不同裂隙对试件变形破坏、冲击倾向性及能量积聚与释放的影响规律。试验结果表明:同种类型预制裂隙试件的破坏形式,随倾角... 详细信息

对含预制裂隙试件开展单轴压缩试验,采用声发射和数字散斑监测技术探究了不同裂隙分布试件的力学响应特征,分析了不同裂隙对试件变形破坏、冲击倾向性及能量积聚与释放的影响规律。试验结果表明:同种类型预制裂隙试件的破坏形式,随倾角的增加,破坏类型呈拉破坏—拉剪破坏—拉破坏—劈裂拉破坏的变化趋势,破坏剧烈程度呈现强—弱—强的变化趋势。从不同裂隙类型来看,平行双裂隙的试件产生的次生裂隙与预制裂隙形成块体结构,削弱了试件整体的完整性。单轴抗压强度、冲击能量指数等4个指标反映冲击倾向性变化规律为:随倾角增加,呈现先减小、后升高的变化趋势,其中β=30°时冲击倾向性最小。倾角相同情况下,不同类型的裂隙试件其冲击倾向性大小关系为:共面双裂隙试件>单裂隙试件>平行双裂隙试件。应力峰前阶段累计声发射能量和总累计能量之比W_(E)、峰前累计声发射事件与累计总事件之比W_(N)和声发射事件特征参数b值3个指标的变化规律与冲击倾向性的变化规律相一致。声发射信号能量-频次特征揭示了冲击倾向性变化规律的内在原因。研究成果对揭示裂隙煤岩体冲击地压发生机制具有重要理论意义。

关键词：裂隙冲击倾向性能量耗散冲击地压裂隙煤岩体

考虑区域地应力特征的裂隙煤岩流固耦合特性实验

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煤炭学报 2018年第1期43卷 105-117页

作者：单鹏飞崔峰曹建涛来兴平孙欢杨毅然西安科技大学能源学院陕西西安710054 西安科技大学教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室陕西西安710054

通过位移反演方法对区域地应力特征进行理论分析,建立研究煤岩内部裂隙时空演化规律的力学实验系统,设计了区域地应力作用下裂隙煤岩流固耦合计算模型,初步揭示裂隙煤岩流固耦合特性。通过地应力的现场监测,验证了位移反演方法的准确性... 详细信息

通过位移反演方法对区域地应力特征进行理论分析,建立研究煤岩内部裂隙时空演化规律的力学实验系统,设计了区域地应力作用下裂隙煤岩流固耦合计算模型,初步揭示裂隙煤岩流固耦合特性。通过地应力的现场监测,验证了位移反演方法的准确性,垂直地应力与最小水平主应力数值稳定,受开采扰动影响,最大水平主应力出现局部性突增。借助数字化X射线摄影系统,给出了不同载荷下内部裂隙场DR扫描图像,发现随外载增大煤岩内主裂隙持续扩展,且裂隙场形态分别为共轭型与X型。矢量化处理裂隙场信息并导入耦合计算模型,分析不同工况下耦合模型的渗流参数变化情况,初步得出裂隙煤岩流固耦合特性:外载增大将导致煤岩内部微裂隙进一步相互贯通扩展并出现宏观破裂,这是裂隙煤岩孔隙率与渗透率持续性增加的本质原因,且流速最大区域迁移过程可表征裂隙煤岩次生裂隙分布特点,主裂隙内水体流速最大且随注水压力的增大,水体流速不断增加,较大的流速一般发生在具有较大水力梯度的细小裂隙位置处。同时,出口流速特征表现为出口流速分量的最大值均位于煤岩两侧并随着外载的增大而增加。

关键词：裂隙煤岩体地应力反演流固耦合计算模型时空演化特征

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不同裂隙分布下半煤岩结构体冲击倾向性研究

能源技术与管理 2023年第6期48卷 128-131页

作者：涂肖龙陕西金源招贤矿业有限公司陕西宝鸡721000

为了探究半煤岩巷道条件下裂隙对煤岩结构体冲击倾向性的影响,分析了基于粘弹性本构方程的煤岩体失稳破坏判据是由煤岩体应变定义的形变参数得出的,并对单裂隙煤岩体的裂纹扩展形式进行了分析,最终通过数值计算定量分析了裂隙数量与裂... 详细信息

为了探究半煤岩巷道条件下裂隙对煤岩结构体冲击倾向性的影响,分析了基于粘弹性本构方程的煤岩体失稳破坏判据是由煤岩体应变定义的形变参数得出的,并对单裂隙煤岩体的裂纹扩展形式进行了分析,最终通过数值计算定量分析了裂隙数量与裂隙位置对煤岩体力学特性与冲击能量特性的影响。结果表明:煤岩体的抗压强度及冲击能量指数随着裂隙数量的增加呈指数型降低;单裂隙条件下当裂隙位于岩层段时,煤岩体冲击倾向性较弱。由此表明,裂隙可通过降低煤岩体强度的方式显著弱化冲击倾向性。

关键词：裂隙煤岩体冲击倾向性粘弹性本构方程数值模拟

三轴循环加卸载下单结构面煤岩长度效应试验研究

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煤矿开采 2016年第3期21卷 20-23,35页

作者：刘超马天辉成小雨西安科技大学能源学院陕西西安710054 西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室陕西西安710054 大连理工大学岩石破裂与失稳研究所辽宁大连116024

针对裂隙煤岩体的结构面效应,通过在煤岩试样表面预制特定角度和深度、不同长度的单结构面,以三轴循环加卸载试验为手段,利用CRIMS-DDL600电子万能试验机和SAEU2S多通道声发射检测系统,研究了单结构面煤岩体的强度、变形特性、破坏形式... 详细信息

针对裂隙煤岩体的结构面效应,通过在煤岩试样表面预制特定角度和深度、不同长度的单结构面,以三轴循环加卸载试验为手段,利用CRIMS-DDL600电子万能试验机和SAEU2S多通道声发射检测系统,研究了单结构面煤岩体的强度、变形特性、破坏形式和声发射特征受结构面长度变化的影响。试验结果表明:随着循环加卸载次数的增多,试样的不可逆变形呈非线性增大的趋势;结构面角度一定,试样的抗压强度随着结构面长度的增大而减小;结构面长度越大,结构面效应对试样自身的材料破坏影响越明显,具体体现为试样沿结构面的滑移破坏和穿切结构面的破坏;随着循环加卸载的进行,声发射信息经历了加载初的少量随机期、加卸载时的规律波动期、破坏前的密集活跃期、主破坏发生后的峰值和峰后衰减期,声发射信息可以较好地反映试样的破坏过程,破坏前的声发射密集活跃期可以作为判定试样破坏的前兆。

关键词：三轴试验循环加卸载裂隙煤岩体结构面效应破坏形式

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不同角度结构面条件下裂隙煤岩破坏特征

煤矿安全 2015年第9期46卷 218-220页

作者：刘超马天辉成小雨西安科技大学能源学院陕西西安710054 西安科技大学西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室陕西西安710054 大连理工大学岩石破裂与失稳研究所辽宁大连116024

为了进一步探究裂隙煤岩体的结构面效应,选取现场典型煤岩样,通过在煤岩试样表面预制特定长度、不同角度的单裂隙,以三轴循环加卸载试验为手段,利用CRIMS-DDL600电子万能试验机,研究了单裂隙煤岩体结构面角度效应的强度、变形特性和破... 详细信息

为了进一步探究裂隙煤岩体的结构面效应,选取现场典型煤岩样,通过在煤岩试样表面预制特定长度、不同角度的单裂隙,以三轴循环加卸载试验为手段,利用CRIMS-DDL600电子万能试验机,研究了单裂隙煤岩体结构面角度效应的强度、变形特性和破坏形式。试验结果表明:试样应力-应变曲线的加载和卸载路径不重合,形成了若干封闭的回线-加卸载弹性滞后环,试样循环加卸载应力-应变曲线的外包络线变化特征与单调加载时相似,随着循环加卸载次数的增多,试样的不可逆变形呈非线性增大的趋势,结构面长度一定,试样的抗压强度随着结构面角度的增大而不断减小。

关键词：裂隙煤岩体结构面效应三轴试验循环加卸载破坏形式