多场耦合作用下煤岩损伤破坏特性研究进展

来源:用户上传      作者:

　　摘 要：多场耦合作用存在于煤岩体成岩和改造的整个过程，随着煤矿开采深度的增加，地应力呈非线性增加趋势。文章详细介绍了矿业工程领域中多场耦合作用的科学与技术问题，进而论述应力场、热力场的耦合作用下煤岩损伤破坏特征。通过分析总结应力场引起的煤岩损伤破坏特性、热力耦合作用的煤岩损伤破坏特性、热力耦合作用下煤岩破裂特性及热-流-力耦合作用下煤岩损伤破坏特性研究取得的成果及存在的问题。
　　关键词：热力耦合;损伤破坏;研究进展
　　
　　1 绪论
　　在煤炭地下气化等工程中，煤岩体将受到温度和压力的耦合作用，即热-力耦合效应。煤是一种对温度、压力十分敏感的有机岩石，温度场变化引起的热应力、热应变导致了固体煤岩的变形;同时，煤岩的变形又将引起温度场的改变。热-力耦合作用下煤岩物理力学特性与常规条件下有较大差异，而其相关力学参数又是井下工程开挖、支护设计、围岩稳定性分析不可或缺的基本依据，这就需要考虑岩石在高温作用下及高温后的物理力学性质。随着矿业开采深度的增加，研究热力作用下深部煤岩体的变形破坏特性也成为了目前关注的一个课题。
　　2 热力耦合作用下煤岩破裂特性研究
　　围岩损伤破坏是自重应力和构造应力复合应力场卸荷作用的结果。复杂环境下围岩局部化变形演化规律发现复杂岩体破裂与变形经历振荡-沉寂后，极有可能会出现持久性破坏。研究结果表明裂隙张开度从巷道表面向深部呈现减小的趋势。对于高应力巷道围岩的弹塑性变形，通过现场监测和模型试验，开展了含瓦斯煤岩耦合弹塑性损伤本构模型研究。许多学者通过物理试验或数值模拟对高应力状态下煤岩流变、蠕变特性进行研究，对井巷的失稳风险预测及稳定控制提供理论依据。
　　2.1 热力耦合作用下煤岩热破裂
　　近年，学者从不同角度和层次，通过理论和试验研究温度对岩石力学性质的影响。然而，关于热破裂的研究，主要集中在岩体。基于细观结构表征的岩石破裂热-力耦合模型及关于煤体热-力耦合热破裂的研究甚少。
　　2.2 温度作用下煤岩的热力学特性
　　目前，与煤矿相关的煤岩体在高温、高围压下力学性质的研究甚少，而对大理岩等质地均匀、各向近似同性的岩浆岩力学特性的温度效应试验研究较多。煤岩在不同温度条件下的强度和变形演化规律的研究，可为煤矿开采节理发育相对较多、质地不均衡、各向异性的煤岩体，温度作用下设计和井壁稳定性评价提供切合实际的参数和依据。
　　2.3 热力作用下煤岩的渗透特性
　　渗透率的变化为众人关注，其中地应力是其变化的主要因素，但地温随着煤层采深的增加也越来越高，煤体渗透率与应力和温度的关系。有学者进行了不同应力条件，不同温度条件下的煤体渗流实验，发现不同有效应力条件下煤体渗透率与温度的关系，并非单调递增或单调递减，而呈正指数关系;但在研究低温煤样渗透特性影响的试验研究时得出了差异较大的结论。可见，对煤岩渗透率与温度的关系仍然研究不足，不同围压条件下，煤体瓦斯渗透率随温度的变化机理尚不清楚。在研究煤岩渗透性方面，也主要集中体现在应力、孔隙压力对煤体渗透性的影响、裂纹渗透性、煤裂隙与渗透性关系等。渗透性相关规律的研究目前主要局限于小试样，而且多以测试高温处理后的热破裂和渗透率为主。
　　3 热-流-力耦合作用煤岩损伤破坏特性研究
　　3.1 热-流-力耦合作用下煤岩损伤破坏的数值研究
　　目前对热-流-力耦合作用下煤岩变形破坏特性研究多集中于理论及数值模拟方面的研究，其中有学者将对象岩体处理成双重孔隙-裂隙型介质，借助于室内外试验、理论分析、模型拟定和数值计算等各种方法，探讨所涉及的温度场、渗流场、应力场等的耦合作用问题，但未考虑具有双重孔隙-裂隙介质特点的强度准则及其应用。煤岩体地下渗流场、应力场与温度场耦合作用是一个相对复杂的问题，主要表现在煤岩体赋存地质环境的各个组成部分，即渗流场、应力场与温度场自身都随时间、空间发生变化;与此同時，各个组成部分之间的耦合作用还处于一种复杂动态变化过程之中。
　　目前主要研究表现在建立热-流-力耦合理论分析及数值模型方面，但多场耦合作用是一类极其复杂计算过程，很难采用普遍采用数值求解方解析方法求解。
　　3.2 热-流-力耦合作用下煤岩损伤破坏的实验研究
　　关于热-流-力耦合的试验研究方面取得丰富成果。有学者试验研究不同温度下石英岩裂隙渗流特性的变化过程;在水热条件下对花岗岩单裂隙进行渗透试验研究，分析温度升高裂隙开度减小的原因。研发热流体压裂开采天然气水合物藏试验装置;对不同条件下的多场耦合的煤岩力学特性及渗流特性进行试验研究。
　　4 结语
　　开展多场耦合作用下煤岩损伤破坏特性的研究，不仅对揭示煤岩体的力学行为及其破坏失稳的力学机理，完善和发展岩体损伤力学、断裂力学等均具有丰富的理论内涵和学术价值，而且对矿业工程发展具有极其丰富的科学、技术与工程意义。然而，由于开展煤岩多场耦合作用研究的复杂性和艰巨性，此方面的工作仍是初步的、不全面的，已有的研究成果离工程应用也有较大的距离。
　　计算力学、信息科学等基础科学的发展为多场耦合理论发展带来新的机会，大规模并行计箅技术的发展也将会大力促进耦合计算的发展。大规模、高性能数字算法，计算可视化及虚拟仿真技术将极大提高解决多场耦合复杂问题的能力。
　　参考文献：
　　[1]王渭明，孙捷城，吕连勋.弱胶结软岩巷道围岩位移反演地应力研究[J].中国矿业大学学报，2016，45（3）.
　　[2]王成虎，张彦山，郭啟良，等.工程区地应力场的综合分析法研究[J].岩土工程学报，2011，33（10）.
　　[3]刘钦节，杨科，陈贵，等.基于实测地应力的综放工作面采动应力分布及演化特征研究[J].采矿与安全工程学报，2016，33（1）.
　　[4]康红普，司林坡，张晓.浅部煤矿井下地应力分布特征研究及应用[J].煤炭学报，2016，41（6）.
　　[5]康红普，林健，张晓，等.潞安矿区井下地应力测量及分布规律研究[J].岩土力学，2010，31（3）.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-14990788.htm