当期目录

2023年 第40卷 第3期    刊出日期：2023-05-15

上一期   

论文

切顶卸压无煤柱自成巷研究进展与展望

王琦, 何满潮, 王允偲, 刘寄婷, 薛浩杰

2023, 40(3):  429-447.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0450

摘要 ( 846 )  

相关文章 | 计量指标

长壁采煤方法是地下矿山开采中普遍采用的采煤方法之一。长壁开采沿空掘巷方法每开采1个工作面,需掘进2条回采巷道并留设1个护巷煤柱,煤柱资源无法回收、巷道掘进量大。基于采矿岩石力学的基本原理,笔者团队建立了平衡开采“切顶短臂梁”理论,提出了切顶卸压无煤柱自成巷技术,研发了顶板定向预裂切缝、高预应力恒阻锚索支护、矸石巷帮挡矸支护等关键技术。国内外学者在切顶卸压无煤柱自成巷的理论、试验和技术方面开展了系统研究。在理论研究方面,形成了无煤柱自成巷平衡开采理论,建立了切顶短臂梁模型和“三阶段”动态分区模型,为新型煤炭开采方法奠定了理论基础;在试验研究方面,开展了切顶卸压无煤柱自成巷地质力学模型试验,进行了顶板定向预裂切顶设计研究,分析了恒阻吸能锚杆(索)的静力拉伸、动力冲击等性能,探究了护帮挡矸结构的承载能力,为无煤柱自成巷关键技术设计提供了依据;在现场试验方面,针对不同工程地质特征进行了现场试验研究,研发了适用于实际工程的配套核心技术装备。文章对切顶卸压无煤柱自成巷理论和关键技术的研究现状进行梳理与总结,并对未来的发展方向进行展望。

不同荷载条件下U型钢支架承载性能及失稳特征分析

王其洲, 刘高强, 李宁, 叶海旺, 雷涛

2023, 40(3):  448-457.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0107

摘要 ( 557 )  

相关文章 | 计量指标

以矿用直墙半圆拱U型钢支架为研究对象，采用理论分析、数值模拟和现场试验等方法，建立U型钢支架平面分析力学模型，并借助ABAQUS有限元软件构建U型钢可缩支架三维分析模型，研究支架整体均匀承载、顶梁承载、单侧棚腿承载和两侧棚腿承载等条件下的支架承载性能、失稳特征和危险截面位置。研究表明：U型钢支架外部荷载条件不同，承载能力存在很大差异，单侧棚腿受力的偏载状态为支架最容易失稳的荷载条件，其极限承载能力为整体均匀承载、顶梁单独承载和两侧棚腿对称承载条件下的44％，63％，79％；U型钢支架危险截面主要分布在顶梁中心、棚腿中部和底脚，且随着顶梁荷载增大，棚腿危险截面向顶梁偏移；支架外部荷载条件不同，失稳特征分别以“M”式、“尖顶”式和单侧跪腿式为主；针对任楼煤矿-720 m南翼轨道大巷失稳特征，提出U型钢支架+壁后充填+锚索耦合支护技术，优化支架外部荷载分布形式，提高支架整体承载能力和结构稳定性，有效控制了强采动影响巷道围岩变形。

不同速率加锚煤样抗拉力学响应特征试验研究

韦四江, 翟黎伟, 王猛, 高继耀, 王生柱, 李鑫鹏

2023, 40(3):  458-466.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0150

摘要 ( 540 )  

相关文章 | 计量指标

不同加载速率条件下加锚煤样的变形破坏特征是回采巷道围岩稳控的基础。采用巴西圆盘煤样,通过RMT-150C试验机研究了静载条件下无锚和加锚煤样的抗拉强度、变形和能量演化特征,以及能率变化与加载速率的关系。结论如下:加载速率对煤样抗拉强度和最终劈裂能率的影响大致相同,加锚煤样的抗拉强度和最终劈裂能率始终大于无锚煤样。加载速率较低时,二者随着加载速率的增加变化较为缓慢;加载速率较高时,二者随加载速率的增加变化较大,最后又趋于稳定。加载过程中,煤样表面应变随加载时间呈线性增加至煤样开裂,锚杆应变呈线性增长。无锚煤样破坏后分裂成两半,加锚煤样破坏后仍由锚固剂黏结在锚杆上,破裂面与加载速率无明显关系。加锚煤样破坏分为共同承载和锚杆承载两个阶段,前一阶段煤样相对完整,煤样和锚杆共同承载;锚杆承载阶段,锚固剂为煤体和锚杆的传力媒介,锚杆承受大部分的载荷。

不同煤柱尺寸条件下采动巷道层状底板稳定性分析与控制对策

朱晔, 杨科, 李永亮, 李炜煜, 孙昊

2023, 40(3):  467-479.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0132

摘要 ( 570 )  

相关文章 | 计量指标

煤柱尺寸对采动巷道层状底板的应力环境造成显著影响,以梅花井矿辅助运输巷为工程背景,综合采用现场调研、理论分析、数值计算和现场试验等研究方法,分析不同应力环境下层状底板的稳定性,并基于具体的工程实例提出针对性的控制对策。研究表明:在采动应力场的影响下,辅助运输巷两侧底板的应力环境存在差异,应力环境的差异性造成巷道两侧底板变形破坏的差异性。以横观各向同性体表征底板的层状特性,建立巷道底板力学计算模型,推导获得采动影响下底板任一点的应力表达式,得到煤柱的尺寸效应对底板应力环境的影响。基于摩尔-库仑准则构造层状底板破坏判据,获得不同煤柱尺寸条件下底板的破坏形态。窄小煤柱条件下,层状底板赋存于非对称应力环境,其破坏形态呈非对称马鞍形分布。煤柱尺寸增大到一定程度后,底板两侧围岩应力的差异性减小,底板破坏形态逐渐呈对称式分布。为了实现回采巷道围岩的精细化控制,支护方案应能够适应围岩应力环境的变化。根据煤柱尺寸的不同,基于围岩控制对策,提出差异化支护与对称式支护相结合的巷道围岩控制技术。数值计算和现场工程应用的结果表明,支护系统能够很好地适应围岩不同的应力环境,与围岩形成协同承载体系,支护效果良好。

回采巷道肩角泥岩片冒机理与防控

袁永, 秦正寒, 梁小康, 梁明, 袁超峰

2023, 40(3):  480-487.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0201

摘要 ( 446 )  

相关文章 | 计量指标

针对回采巷道两侧肩角位置存在泥岩软弱夹层,易发生片帮冒落、出现“网兜”的问题,以冯家塔煤矿3205工作面运输平巷为工程背景,采用实验分析、数值模拟和现场监测相结合的方法,研究肩角泥岩吸水特性、片帮特征及其防控方法。结果表明:泥岩吸水具有时效特征,整个过程可分为加速吸水阶段和等速吸水阶段;泥岩片冒主要集中在巷道肩角和两底角位置,随着遇水弱化时间的增加,垂直应力最大值逐渐向肩角位置的深部转移;肩角泥岩片冒控制需要隔绝泥岩与水的接触,并控制泥岩膨胀变形和挤出;现场采用高强速凝水泥基材料喷涂巷道,隔离肩角泥岩与水接触,并控制泥岩膨胀变形,取得较好的控制效果,最大位移仅40 mm,且喷涂材料表面完整。

跨采底板大巷围岩应力演化特征及压裂卸压控制研究

刘怀东, 刘长友, 刘江伟

2023, 40(3):  488-497.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0035

摘要 ( 551 )  

相关文章 | 计量指标

针对跨采底板巷道变形大、难以维护难题,以祁南煤矿跨采东翼底板轨道运输大巷为工程背景,采用FLAC3D数值模拟与现场实测相结合的方法,研究工作面跨采过程中底板巷道围岩应力场分布及煤层底板岩层破坏特征,确定合理的压裂层位与时机,分析不同压裂参数下巷道围岩应力转移规律,提出压裂卸压控制技术方案。研究结果表明:随着底板巷道与回采工作面水平距离的减小,巷道围岩应力集中程度与高应力区范围明显增大,导致巷道围岩变形加剧;压裂工作应在煤壁前方底板高应力区与巷道围岩高应力区贯通前完成;巷道上方粉砂岩作为主要承载和施载层，是压裂的关键层位;压裂卸压后,煤壁前方高应力区由巷道向压裂区转移,随着压裂区宽度增大,巷道两帮垂直应力峰值逐渐降低并趋于稳定;合理的压裂区范围为巷道左侧宽14 m、右侧宽10 m。现场工业性试验表明,岩层压裂卸压对跨采底板巷道围岩稳定性控制效果显著。

巷道围岩-锚杆-锚索协同锚固结构研究

龙景奎, 鲜扬, 周金泽, 许俊峰, 田唯标, 张由飞, 刘玉田, 杜恒

2023, 40(3):  498-506.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0331

摘要 ( 573 )  

相关文章 | 计量指标

为解决煤矿巷道大变形、常修复等现场问题和难题,通过构建巷道围岩-锚杆-锚索协同锚固结构,采用理论分析、相似模拟和数值模拟等方法,研究锚固结构应力场分布规律与协同特征。结果表明:对锚杆施加预紧力后,在不同方向上的应力分布规律趋于一致,只是应力值大小和衰减情况不同;当锚杆锚固参数合理时,在锚固结构中会产生协同作用和协同效应,其分布范围呈现近椭圆形,且在轴向的分布范围更广;有锚网、钢带的共同作用,锚固结构内所产生的协同效应范围更大;在多条新掘、修复巷道实施该锚固结构后,巷道返修率下降98％以上。巷道围岩-锚杆-锚索协同锚固结构能够显著提高其承载能力和抗变形性能,增强其稳定性、适应性和适用性。

综掘工作面过硬岩正断层爆破方式优选实验研究

乔国栋, 刘泽功, 高魁, 张树川, 张健玉, 傅师贵

2023, 40(3):  507-516.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0257

摘要 ( 593 )  

相关文章 | 计量指标

针对综掘正断层区域爆破弱化硬岩导致煤岩失稳的问题,采用室内模型实验,对比总结聚能爆破和普通爆破的裂纹扩展模式、应力演化规律及煤岩破坏特征,利用实验结果指导工程现场。研究结果表明:普通爆破中爆破孔与正断层上盘煤层连线区域内形成的裂纹密集区是煤与瓦斯突出危险区域,试块模型各检测面超声波平均波速下降26％,煤岩体破坏严重。聚能爆破中聚能方向1＃测点最大压应力峰值是普通爆破的1.72倍,是非聚能方向4＃测点的2.84倍,聚能方向裂纹定向扩展,试块模型各检测面超声波平均波速下降4.12％,聚能爆破在定向破岩的同时可以有效保护正断层构造区域煤岩体不受破坏。优选聚能爆破技术在正断层综掘现场的应用表明,使用聚能爆破技术弱化断层硬岩有效保证了巷道周边煤层及围岩的完整性,避免了构造区域爆破扰动煤岩诱发瓦斯突出灾害的问题,使巷道掘进得以安全高效进行。

浅埋近距离煤层工作面过末采煤柱覆岩结构及动载传递规律研究

黄庆享, 高翔宇, 贺雁鹏, 蔚保宁

2023, 40(3):  517-524.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0666

摘要 ( 578 )  

相关文章 | 计量指标

为了揭示浅埋近距离煤层工作面过末采两段煤柱的应力传递规律和来压机理,以神东某矿12101工作面为工程背景,采用物理相似模拟、数值计算及理论分析相结合的方法,研究了工作面过回撤通道及两段煤柱的覆岩结构、来压规律和超前支承压力演化规律,揭示了煤柱应力传递规律与支架动载机理。研究表明:过1段煤柱开采的超前支承压力最大,出2段煤柱的支架载荷最大;出各煤柱阶段(过空巷)应力传递最大,煤柱中阶段次之,进煤柱阶段最小。煤柱传递的集中应力由工作面超前煤壁和支架上方顶板结构共同承担,煤柱传递的载荷从进煤柱阶段以超前煤壁承担为主,逐步转换为出煤柱阶段以支架承担为主,煤柱集中应力向工作面顶板结构转移是导致支架动载的主要原因。煤柱向底板传递的垂直应力作用于下煤层顶板关键块,导致顶板结构切落失稳,形成强烈来压显现。研究结果与现场实测结果吻合,可为类似条件下工作面的开采提供借鉴。

断高位承压拱卸压技术在孤岛工作面回采中的应用研究

季明, 郭红军, 周舟, 张益东

2023, 40(3):  525-533.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0162

摘要 ( 561 )  

相关文章 | 计量指标

以建新煤矿大埋深、强矿压显现的4206孤岛工作面为研究对象,结合力学建模和数值模拟等方法,研究了大范围采空区覆岩承压拱结构演化规律。本工作面、相邻两工作面和相邻3工作面范围内扩展演化的覆岩承压拱拱脚恰好作用于区段煤柱,是孤岛工作面回采期间强矿压频现的主要原因,据此提出了断高位承压拱卸压技术。结合承压拱层位及岩性特征设计了断拱卸压参数,并优化了末采期断拱卸压参数。实践证明:卸压效果显著,有效降低了两巷维护难度,并实现了末采期15 d内装备的快速回撤,取得显著的经济和社会效益。研究成果可为彬黄矿区厚煤层强矿压工作面安全回采提供较好的工程参考。

大倾角中厚煤层伪俯斜采场顶板破断及其充填实验研究

解盘石, 张颖异, 伍永平, 黄宝发, 冯坤, 陈显坤

2023, 40(3):  534-542.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0119

摘要 ( 525 )  

相关文章 | 计量指标

为了研究大倾角伪俯斜采场顶板破断及其垮落充填规律,以四川绿水洞煤矿3222工作面为研究对象,采用三维物理相似模拟实验及现场实测的方法,分析了走向、倾向、垂向及时间维度下大倾角伪俯斜采场不同区域的顶板破断规律、工作面采空区形态及垮落顶板的充填特征。结果表明:大倾角伪俯斜采场顶板破断呈时序性特征,直接顶一般在工作面后方5～6 m范围内发生垮落,在伪俯斜工作面初次来压前,初次破断顺序为“倾斜中部—倾斜上部—倾斜下部”，基本顶初次破断轮廓呈非对称“O”型。随着工作面的开采,倾斜中上部垮落顶板在倾斜中部区域堆积,与顶底板之间形成稳定铰接结构,并随工作面推进在中部沿走向延伸,约束了顶板的破断且限制了倾斜中上部垮落顶板的倾向下滑,致使基本顶周期性破断顺序变为“倾斜上部—倾斜中部—倾斜下部”,且破断轮廓呈不规则“月牙”型。沿工作面倾斜方向不同区域顶板及垮落顶板形态不同,采空区矸石充填呈明显非均衡性特征。在工作面基本顶初次破断前,倾斜下部采空区矸石充填程度高于倾斜中部和上部;基本顶初次破断后,工作面倾斜中上部垮落顶板堆积充填量及充填范围远高于倾斜下部区域。大倾角伪俯斜采场倾斜中部堆积充填影响因素有工作面煤厚、顶板岩性及工作面伪斜布置等。现场实测和物理模拟结果相互印证,大倾角伪俯斜采场存在倾斜中部垮落顶板充填程度最大,倾斜中上部充填程度高于倾斜下部的非对称特征。

综合赋权的TOPSIS充填采煤液压支架评价方法研究

时培涛, 张吉雄, 张强, 闫浩, 宗庭成

2023, 40(3):  543-553.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0213

摘要 ( 567 )  

相关文章 | 计量指标

为了评价充填采煤液压支架的结构设计,提出了一种基于层次分析法(AHP)、熵权法(EWM)和CRITIC三者综合赋权的TOPSIS评价方法。从结构特性、夯实特性、支护特性和充填特性4个方面确定了8项评价指标,构建了充填采煤液压支架评价体系。融合主客观赋权方法,主观上采用AHP赋权,客观上基于仿真模型采用EWM和CRITIC赋权,建立了AEC-TOPSIS综合评价模型,通过计算各支护状态的相对贴近度分析出优良支护区间。以某四柱充填采煤液压支架为例,该液压支架的优良贴合度为2.4％~2.9％,优良支护区间为3.75~4.80 m,与其服务的煤层厚度相吻合,说明在该煤层进行固体充填开采时可发挥该支架最均衡的性能,为充填采煤液压支架结构设计提供了一种可靠的评价体系与方法。

裂隙分布对煤岩体冲击倾向性影响机制试验研究

朱志洁, 姚振华, 王来贵, 韩军, 吴云龙

2023, 40(3):  554-562.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0360

摘要 ( 554 )  

相关文章 | 计量指标

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WE、峰前累计声发射事件与累计总事件之比WN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。

煤柱群下回采工作面强矿压显现机理研究

吴文达, 柏建彪, 王襄禹, 王天辰, 王共元

2023, 40(3):  563-571.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0634

摘要 ( 576 )  

相关文章 | 计量指标

以神东霍洛湾煤矿31106工作面为背景，考虑覆岩载荷的传递效应分析了煤柱群组合承载的稳定性，采用相似材料模拟方法探究工作面出集中煤柱进入房式煤柱过程中的强矿压显现机制。结果表明：下工作面出煤柱期间，层间岩层周期性垮落导致集中煤柱宽度逐渐减小，移动支承压力使得集中煤柱和房式煤柱组合动态承载；当集中煤柱减小到10 m仍未达到临界失稳宽度时，载荷传递导致前方1#房柱载荷初始的5.28 MPa增加到7.58 MPa发生失稳，1#房柱失稳后其上方的载荷转移到相邻的煤柱上，引起2#、3#、4#煤柱相继失稳；上部坚硬岩层失去支撑后在房采区内超前断裂形成58 m的长悬顶，悬顶控制其上部岩层通过集中煤柱向下传递载荷。出集中煤柱5 m后，顶板切落产生剧烈的冲击扰动，应力快速由4 kPa增加到33.6 kPa，增长幅度高达740％，造成下工作面的强矿压显现。31106工作面在煤柱群下回采时，应超前采取爆破断顶或水力压裂切顶措施控制强矿压灾害。

顶板离层水地-孔瞬变电磁响应特征及应用

苏本玉, 于景邨, 王扬州, 汤煜, 杨海燕, 李毛飞, 李会双, 孙世勇

2023, 40(3):  572-577.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0513

摘要 ( 504 )  

相关文章 | 计量指标

开采大深度和巨厚煤层时,由于煤层采掘活动的影响,顶板隔水层破碎,形成高位离层裂隙空间且常聚集大量的地层水,易引起覆岩离层水害,造成淹井事故。为监测研究离层水形成过程,采用数值模拟和现场试验的方法研究了采前、采中和采后离层水的地-孔瞬变电磁响应特征。采前煤层顶板未受采掘活动影响,未产生离层空间,地-孔瞬变电磁特征曲线相对稳定;采中煤层顶板受采动的剧烈影响,产生大体积的离层空间并积水,离层水的地-孔瞬变电磁响应特征明显;采后离层空间逐渐愈合,离层水体积变小,地-孔瞬变电磁响应特征变弱。工作面回采过程和钻孔验证了探测结果,且与实际离层水变化相吻合。

废弃矿井抽水蓄能电站多能互补利用模式及案例分析

刘钦节, 杨卿干, 杨科, 付强, 谢奇, 韩运

2023, 40(3):  578-586.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0483

摘要 ( 570 )  

相关文章 | 计量指标

将我国数以万计的废弃煤矿井上下空间作为抽水蓄能电站的站址资源,不仅可以大幅度提高抽蓄装机容量,更好地稳定电网、消纳新能源、促进节能减排,而且可以实现废弃矿井资源循环利用。因此,开展废弃矿井抽水蓄能关键技术与工程示范研究具有重要的经济效益、生态价值和社会意义。基于煤炭矿井全生命周期利用理念,按照抽水蓄能技术原理、选址条件等方面对废弃煤矿井上下资源进行计算分析,初步提出废弃矿井抽水蓄能电站多能互补利用模式。以淮北石台煤矿为例,在综合分析矿井水文地质、资源条件、近郊新能源等因素的基础上,设计废弃煤矿多能源互补综合利用具体方案,并从资源条件、技术水平和经济社会效益等多角度论证其可行性；在此基础上,对石台矿抽水蓄能电站建设提出3点建议。研究成果丰富了废弃矿井抽水蓄能开发利用模式与方法,对废弃煤矿遗留空间资源的可持续利用与能源型城市转型升级发展具有重要意义。

岩浆侵入后煤层物质组成及孔隙结构特征研究

翟成, 徐鹤翔, 徐吉钊, 王帅

2023, 40(3):  587-598.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0140

摘要 ( 551 )  

相关文章 | 计量指标

为研究岩浆侵入后煤层物质组成和孔隙结构的变化规律,基于FTIR、XRD和低场核磁共振,研究了岩浆厚度、距煤层的距离对煤层的影响特征,并基于COMSOL软件模拟了煤层温度变化过程。结果表明:岩浆侵入使煤中挥发分含量下降,灰分含量增加,并增加了煤中矿物种类;煤层受热升温导致煤中羧基含量降低,酯类含量略有升高;V1、H1和H2三个试样发生热解,脂肪链长度缩短,但芳香结构无明显变化;热环境促使煤中孔隙发育,有效孔隙度增大,孔隙连通性增强;随热液流体渗入煤中的无机矿物改变煤矿物组分的同时,填充煤中孔隙,导致H1和V1试样饱水T2谱面积减小,孔隙连通性减弱,不利于瓦斯在煤层中的运移;模拟温度低于300 ℃的试样不发生热解或仅发生轻微热解,侵入过程中所有试样的最高温度均低于600 ℃,对应试样中芳香结构聚合度无明显变化;岩浆厚度越大、距煤层距离越小,则煤层受热演化的程度越大,对应的温度更高，受高温影响的时间延长。

破碎煤岩压缩变形与再承载力学特性研究

王兆会, 刘鹏举, 孙文超, 水艳婷, 钟淇

2023, 40(3):  599-610.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0157

摘要 ( 545 )  

相关文章 | 计量指标

采用室内试验和数值计算开展了破碎煤岩侧限压缩试验,分析了破碎煤岩压实力学特性及块体尺寸、岩石类型、加载速率对压实力学行为的影响,为卸压综放开采参数选择提供依据。结果表明:破碎煤岩压缩变形曲线包含快速变形、过渡变形和慢速变形3个阶段,堆积体刚度和承载能力呈指数形式升高,空隙率呈负指数形式降低;快速变形阶段堆积体内部结构重组,块体接触模式由低向高维度转变,压缩量由块体平移和旋转组成,占比达40％～60％;过渡变形阶段结构压实,块体二次破碎导致接触模式整体向面接触转变,块体旋转受到抑制,压缩量由块体平移组成,占比降至20％～30％;慢速变形阶段块体闭锁效应充分发挥,块体受力水平升高,压缩量由块体平移和变形组成,占比降至10％～20％。块体尺寸和加载速率升高,堆积体刚度和承载能力呈降低趋势,空隙率降低速度快;岩石强度升高,承载能力和刚度则呈升高趋势,空隙率降低速度慢。基于蒙特-卡洛和UDEC模拟程序提出了一种破碎煤岩模拟方法,实现破碎煤岩侧限压实全过程模拟,采用块体嵌入近似模拟块体破碎现象,捕捉到块体尺寸、岩石类型和加载速率对破碎煤岩压实行为的影响;压实过程中堆积体内部出现呈链式分布的高应力承载区,高应力承载区自上而下的发育特征导致堆积体上部空隙率减小速度快于下部;模拟特厚煤层卸压综放开采过程,得到采空区压实作用下顶煤变形、再承载和二次破碎现象。

不同应变率下饱水凝灰岩压缩力学特性及破裂破碎特征研究#br#

王浩, 宗琦, 汪海波, 王梦想, 吕闹, 程兵, 王峰

2023, 40(3):  611-620.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0444

摘要 ( 548 )  

相关文章 | 计量指标

为探究应变率对饱水凝灰岩力学特性及破碎破裂形态的影响,采用电液伺服压力机及直径50 mm变截面分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置对干燥及饱水凝灰岩试件开展不同应变率下的单轴压缩试验,并结合高速摄像技术,研究饱水作用及应变率对凝灰岩样纵波波速、峰值应力、弹性模量、能量耗散及破裂破碎特征的影响。结果表明:试件饱和含水率随孔隙度的增大呈线性增长,含水率的增大提高了试件纵波传播速度。静载作用下饱水试件峰值应力、弹性模量均低于干燥试件,饱水作用对岩样造成劣化;随着应变率的增大,饱水试件峰值应力、弹性模量增幅均大于干燥试件,应变率达到130 s^-1时二者峰值应力相近,动载作用下饱水试件存在水岩动力耦合强化作用。载荷作用下干燥试件的破碎耗能密度高于饱水试件,随着应变率的增大,饱水岩样破碎耗能密度增幅明显高于干燥岩样,高应变率下水的存在增强了凝灰岩的耗能能力。静载作用下试件呈剪切破坏形式,动载作用下试件劈裂拉伸破坏和轴向压缩破坏共存,饱水试件破坏程度显著高于干燥试件。

砂岩三轴卸荷路径下的力学特征及能量演化规律研究

李胤达, 尚涛, 韩流, 陈树召

2023, 40(3):  621-632.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0187

摘要 ( 507 )  

相关文章 | 计量指标

为更准确地认识卸荷作用对岩石力学性质及裂隙发育过程的影响,开展了低损伤条件下卸围压常三轴试验,分析5种卸荷速率下试样的力学响应,基于弹塑性理论研究卸荷膨胀效应及径向能量演化规律。结果表明:不同路径卸载围压试验,轴向、径向应变经历了不同的变化阶段,试样呈现张剪复合破坏,卸荷路径增强了内摩擦效应;卸荷过程中,剪胀角呈现先快速增加并达到峰值,短暂保持后逐渐减小,最后趋于稳定的演化规律;径向体积功密度先线性减小,后加速减小直至岩样破坏。针对低损伤条件下砂岩试样,卸荷速率对其力学响应及能量演化影响较小,试样破坏机理为：围压卸载后,张拉裂隙发育,承载能力下降到卸荷阈值,压剪裂隙快速发育形成宏观裂纹,试样发生破坏。

单裂隙结构特征对煤岩体内瓦斯流动特性的影响

任建业, 李雨成, 张欢, 马莲, 张子翔, 胡纪年

2023, 40(3):  633-642.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0207

摘要 ( 521 )  

相关文章 | 计量指标

为探究单裂隙粗糙度、开度等结构特征对煤岩体内瓦斯流动特性的影响,基于Weierstrass-Mandelbort分形函数生成不同粗糙度的裂隙轮廓曲线,构建含不同分形维数和裂隙开度的二维裂隙煤岩体模型。运用Fluent软件模拟分析裂隙分形维数、开度对裂隙内部及周边煤岩基质内瓦斯流动特性的影响,建立了可定量刻画裂隙结构特征对煤岩体相对渗流能力具有影响的流量系数双参数模型。结果表明:随着裂隙分形维数减小,裂隙开度增大,煤岩体渗流能力逐渐增强,且裂隙导流能力在煤岩体渗流过程中逐渐占优,流量占比最高达81％。随着分形维数增大,裂隙内瓦斯流动非线性强度系数呈指数型增大,影响裂隙内瓦斯流动非线性强度系数的主控因素逐渐由裂隙开度转变为分形维数,同时在煤岩基质靠近裂隙轮廓曲线离散程度较大的位置处,存在局部渗流速度增大的现象。当裂隙开度增大至1.5 mm后,裂隙分形维数对流量系数的影响起主导作用,反之,裂隙开度起主导作用。提出了流量系数与分形维数、裂隙开度的经验关系式。