随着矿产资源开采深度不断增加,地温梯度作用下的深部高温环境为高品位地热资源开发利用创造了重要机遇,为探索利用废弃矿山实现闭环地热开采的可行性,采用Biot孔隙热弹性理论框架建立了时变胶结充填体多场耦合模型,并嵌入基于Navier-Stokes方程的非等温管道流模块,提出了新的矿热协同充填开采仿真系统,分析了不同开采方式与地热环境条件下的充填体多物理场响应以及出口水温发展过程,揭示了系统运行过程中的热效率与结构稳定性演化规律。研究结果表明:充填体水化放热是早期核心热源,计算工况下90 d内贡献47.1%能量;地热开采可增强系统稳定性,在充填体、换热流体温度为15℃、围岩温度为35℃条件下,孔隙水压与总应力峰值较无采热工况分别降低40.6%和22.1%,换热流体的冷却作用造成孔隙水的受限收缩并降低充填体水压,提高了系统稳定性。研究成果可为优化深部矿床地热协同开采方案提供理论指导与技术支撑。
<正>《采矿与岩层控制工程学报》由煤炭科学研究总院有限公司主办。重点报道采矿工程、矿山岩体力学与岩层控制工程及交叉学科应用基础研究、技术开发及工程实践成果,介绍该领域中的新理论、新方法、新技术,为推动采矿工程、矿山岩体力学与岩层控制工程学科的发展、加强国内外的学术交流、人才培养服务。读者对象为国内外采矿工程领域科技工作者。目前为双月刊,双月25日出刊,为中文核心期刊、中国科技核心期刊,被EiCompendex收录。《采矿与岩层控制工程学报》欢迎广大读者赐稿。
研究煤的破坏过程对于理解其力学行为及渗透性能的变化至关重要。利用X射线计算机断层扫描(CT)技术,在单轴压缩条件下对煤岩进行原位扫描。结合数字岩心技术和数字体积相关法(Digital Volume Correlation, DVC),计算了煤岩的变形位移场与应变场,分析了裂隙的发育与演化规律,并揭示了煤岩损伤动态演化与渗透性能之间的响应关系。研究发现:在单轴荷载作用下,煤岩的破坏由轴向力与相邻裂隙的发育共同作用,导致内部既有裂隙发育,又有裂隙压密的现象;煤岩中的矿物质对裂隙发育有引导作用,且与矿物质的形状和分布密切相关。DVC分析表明,煤岩的破坏是一个动态演化过程,各区域在不同方向的变形差异积累导致破坏发生;位移场的矢量叠加揭示了煤基质在不同方向的变形,而应变场显示裂隙在轴向压缩下的横向扩展。加载过程中,煤岩孔裂隙的发育导致渗透性能不断提高,特别是在1 100N阶段,渗透率增加了149.35μm~2,损伤变量D_H的最大值为8.2%。此外,连通孔隙数和迂曲度τ与损伤变量成指数关系。研究结果可为理解煤岩破坏和渗透特性提供试验数据和理论支持。
针对煤矿巷道软弱底板注浆锚索锚固孔扩孔参数设计问题,通过理论分析、数值模拟与实验室试验相结合的方法,探讨了扩孔直径、长度、段数及扩孔间距等扩孔参数对底板锚索锚固性能的影响,并最终明确了底板锚索锚固孔最优扩孔参数。试验结果表明:底板扩孔锚索锚固力与扩孔直径、段长均成正相关,随扩孔直径的增大其增长趋势先快后缓,随扩孔段长的增加锚固力近似线性增长;多段扩孔效果优于单段扩孔,但当段数超过3段时扩孔锚索锚固力提升不再显著;底板扩孔锚索锚固力随扩孔间距增加呈现先升后降趋势,在扩孔间距为50 mm时达到峰值;通过正交模拟选取锚固孔最优扩孔参数,并结合拉拔试验验证,最终确定最优扩孔参数为扩孔直径90 mm、段长100 mm、段数2段、扩孔间距50 mm。研究成果可为扩孔锚固技术应用于煤矿巷道底板控制提供参考。
研究缺陷岩石断裂行为和裂纹贯通机制对矿山、隧道、地下硐室等岩石工程建设具有重要的理论和实践意义。采用理论分析、实验室试验等研究方法,分别对含有不同尺寸孔洞的直切槽半圆盘试样(NSCB)进行充填加固,研究了三点弯曲荷载下充填尺寸和水灰比对砂岩断裂行为的影响。研究结果表明:注浆孔径显著影响试样的力学性能和裂纹扩展规律,当充填直径达到16 mm时,试样断裂韧度和断裂能相比完整试样分别下降了82.18%和84.30%。试样内部裂纹最先出现在直切槽上端部,随着充填直径增加,裂纹由最初垂直指向加载端扩展逐渐转向沿着界面方向发生扩展,最终整体发生偏心破坏。直切槽上端水平位移在加载过程中存在显著突变行为,且突变区域随充填孔径增大而扩展,声发射事件活跃度同步增强。水灰比对加固效果具有调控作用,随水灰比增大,试样切槽上端起裂角明显增加,界面裂纹主导性增强,试样整体力学性能劣化。
随着资源开采深度增加,高应力、高渗透压和工程扰动对岩石的力学行为影响更为复杂,尤其是复杂环境下形成的裂隙岩石,其力学行为关系到工程安全。针对深部资源开采工程中常见裂隙发育的含水层砂岩,通过室内力学试验模拟裂隙形成应力过程,制备了能够反映裂隙形成应力环境的含裂隙砂岩,并对其开展应力–渗流耦合试验,揭示含裂隙砂岩变形、强度及渗透特征,结果表明:含裂隙砂岩的变形和强度均表现出显著的围压强化效应和水压弱化效应,在低渗透压条件下,含裂隙砂岩的抗剪强度由黏聚力c和内摩擦因数f共同提供,而随着渗透压升高,抗剪强度仅由内摩擦因数f提供;渗透率随围压升高呈降低趋势,随渗透压升高呈指数函数增大的规律;同时考虑围压和渗透压的影响,提出了在围压σ_3≤16 MPa,渗透压P_w≤15MPa条件下含裂隙砂岩弹性模量随围压和渗透水压变化的预测模型。
为研究浅埋煤层在剥蚀区影响下大巷布置优化及煤柱稳定性,以瑶渠煤矿西采区回风大巷为研究对象,采用理论分析、数值模拟和现场工程验证等方法,研究了剥蚀区影响下巷道变形破坏特征与能量演化规律,分析了在偏应力屈服准则和能量判据下不同尺寸煤柱的破坏情况,确定了巷道布置优化后合理的煤柱尺寸。结果表明:剥蚀区会使围岩应力增加、应变能积聚,致使巷道围岩变形破坏加剧,坚硬岩层受扰动时应变能变化较小,但不会隔断能量的传递,而较软煤岩体中会产生较大的应变能改变。巷道布置优化后,掘进过程中煤柱内偏应力与应变能呈先递增再稳定最后递减趋势,巷间煤柱小于9 m时,煤柱内偏应力与能量曲线均呈“钟形”分布,且均大于屈服破坏的极限值;煤柱宽度为10～13 m时,偏应力与能量曲线转变为“马鞍形”,煤柱内部小于屈服极限区域逐渐增加,承载能力逐步提高;煤柱宽度大于13 m时,回风大巷与剥蚀区距离过近,其间煤体在剥蚀区和回风大巷双重应力和能量叠加下产生失稳破坏。最后,综合确定煤柱合理尺寸范围为10～12 m,考虑保持煤柱稳定性同时减小剥蚀区的影响,采用10 m煤柱进行工程实践,监测结果表明巷道整体变形量较小,围岩稳定性控制较好。
为研究切顶留巷工作面覆岩裂隙演化特征,通过物理相似模拟分析了采动裂隙发育高度、离层量及应变分布规律,探讨了切顶留巷开采顶板结构演变特征及覆岩非对称断裂模式。基于虚功原理与塑性铰相关理论,给出了切顶留巷开采不同阶段顶板破断块体尺寸计算公式。研究结果表明:(1)首采工作面切顶侧垮落带裂隙较为发育;未切顶侧裂隙带裂隙较为发育。(2)非首采工作面贯通相邻采空区后,覆岩裂隙及离层量曲线均呈非对称分布特征,未切顶侧裂隙被压实闭合,切顶侧裂隙稳定存在;相较于未切顶侧,切顶侧离层量小0.46～8.50 mm,裂隙发育程度低。(3)首采工作面低位岩层初次断裂形态呈“U+Y”状,切顶侧断裂线平行于切顶方向;非首采工作面低位岩层破断呈“矩形”,高位岩层初次破断形态呈非对称“O+X”状,周期破断呈“U+Y”状,断裂迹线偏向于未切顶侧。(4)非首采工作面高位岩层破断步距增加,破断块体尺寸增大,单位体积内裂隙数量减少,瓦斯向上运移难度增大。(5)非首采工作面卸压瓦斯治理,需适当降低抽采钻孔布置高度;确定了切顶留巷工作面卸压瓦斯高效抽采区域,现场试验钻孔瓦斯抽采效果验证了区域划分的准确性。
为进一步探究深部复杂地质构造煤体倾角突变对煤与瓦斯突出及冲击演化特征影响,考虑突出实际情况,设置倾角突变界面,界面上侧为原煤,下侧为型煤,分别用于模拟原生煤体与构造煤体,通过三维应力加载模拟现场真实工况,结合冲击力测试仪、声发射检测仪、数据采集仪等监测设备,开展不同倾角(煤体倾角突变初始角度θ_I、突变角度θ_M)突变条件下突出模拟试验,分析煤体倾角突变对突出强度及冲击参数(冲击力峰值、负压段最大值、急剧变化段时长)的影响。研究结果表明:(1)在10°<θ_I≤20°、10°≤θ_M≤20°的范围内存在一个煤体倾角突变临界值θ_T,当θ_I与θ_M均大于等于θ_T时,易发生低指标突出;当θ_I一定时,临界瓦斯压力与θ_M成负相关关系,单位突出强度与θ_M成正相关关系。(2)冲击力在模拟巷道内的演化过程可划分为3个阶段:急剧变化阶段、波动变化阶段及平稳变化阶段。正压阶段高频脉冲A与负压阶段高频脉冲B的数量与密集度均与θ_M密切相关,随θ_M的增大,冲击力急剧变化阶段波动越发复杂,高频脉冲A、B在该段内逐渐呈现出高度集中的态势。(3)冲击力峰值和负压段最大值与瓦斯集中系数成负线性关系,急剧变化阶段时长与瓦斯集中系数成正线性关系。冲击气流峰值速度和累计AE能量变化趋势基本一致,均与瓦斯集中系数θ_I成负线性关系,两者皆在θ_M大于等于θ_T时呈现较为显著的变化特征。
煤矿巷道围岩普遍存在结构复杂、裂隙发育等特点,极大影响巷道的稳定性,因此研究裂隙围岩巷道变形破坏特征具有重要的理论意义和工程价值。以西部某煤矿12上302辅运巷为工程背景,采用砂型3D打印技术分层制备完整围岩巷道与裂隙围岩巷道物理模型,通过双轴加载试验与数字散斑技术(DIC)相结合的方式,探究围岩裂隙对巷道变形破坏规律的影响以及裂隙围岩巷道破坏分区特征。研究结果表明:采用粒径为0.070～0.140 mm和0.100～0.200 mm的硅砂,并改变基质配比,能够实现不同煤岩强度的分层打印,满足各煤岩强度比例关系;双轴加载后完整围岩巷道模型呈现巷道肩角处首先出现裂纹,两帮破碎且顶板下沉,以剪切破坏为主。裂隙围岩巷道模型的破坏主要沿预制裂隙演化,两帮破坏更加明显且出现块状破碎,一定程度上再现了实际工程巷道变形破坏特征;通过现场实测裂隙参数,并借助砂型3D打印技术可将测得裂隙参数导入巷道物理模型,能有效模拟实际工程中的巷道围岩变形破坏情况。研究成果能够为裂隙围岩巷道变形破坏特征的进一步研究提供借鉴,为砂型3D打印技术在巷道物理模型的应用提供试验基础。