流固耦合作用下煤巖損傷破壞特性研究進(jìn)展

韓毅　萬(wàn)永斌　施勇　肖專

摘 要：流固耦合作用存在于煤巖體成巖和改造的整個(gè)過(guò)程，隨著煤礦開采深度的增加，地應(yīng)力呈非線性增加趨勢(shì)，流固耦合作用下的煤巖損傷破壞特性日益受到關(guān)注。文章詳細(xì)介紹了礦業(yè)工程領(lǐng)域中流固耦合作用的科學(xué)與技術(shù)問(wèn)題，進(jìn)而論述應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)的耦合作用下煤巖損傷破壞特征。

關(guān)鍵詞：流固耦合;煤巖體;損傷破壞

1 緒論

深部開采誘發(fā)礦井動(dòng)力災(zāi)害增多的根源在于煤巖體并非孤立存在于自然界。因此，勢(shì)必受到特定開采環(huán)境中應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)等不同場(chǎng)的耦合作用;而隨著開采深度的增加，進(jìn)入深部高應(yīng)力環(huán)境，礦井動(dòng)力災(zāi)害的誘因轉(zhuǎn)變?yōu)橛山鼒?chǎng)集中靜應(yīng)力場(chǎng)的積聚和遠(yuǎn)場(chǎng)集中動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)的擾動(dòng)共同作用。

2 應(yīng)力場(chǎng)引起的煤巖損傷破壞特性

2.1 煤礦井下應(yīng)力場(chǎng)類型及相互作用

煤礦井下應(yīng)力場(chǎng)一般指原巖應(yīng)力場(chǎng)與采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)，康紅普等基于原巖應(yīng)力場(chǎng)與采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)，提出了支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)的概念，即支護(hù)在圍巖中產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)與在支護(hù)體內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)，并指出3種應(yīng)力場(chǎng)構(gòu)成了煤礦井下綜合應(yīng)力場(chǎng)。

2.2 應(yīng)力場(chǎng)對(duì)煤巖破裂特性的影響

（1）高地應(yīng)力作用下圍巖損傷破壞特性。地應(yīng)力是煤礦開采等地下工程圍巖變形與破壞的根本驅(qū)動(dòng)力，其大小和方向顯著影響到巷道圍巖的穩(wěn)定性。

圍巖損傷破壞是自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力復(fù)合應(yīng)力場(chǎng)卸荷作用的結(jié)果。復(fù)雜環(huán)境下圍巖局部化變形演化規(guī)律發(fā)現(xiàn)復(fù)雜巖體破裂與變形經(jīng)歷振蕩-沉寂后，極有可能會(huì)出現(xiàn)持久性破壞。研究結(jié)果表明裂隙張開度從巷道表面向深部呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。對(duì)于高應(yīng)力巷道圍巖的彈塑性變形，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和模型試驗(yàn)，開展了含瓦斯煤巖耦合彈塑性損傷本構(gòu)模型研究。許多學(xué)者通過(guò)物理試驗(yàn)或數(shù)值模擬對(duì)高應(yīng)力狀態(tài)下煤巖流變、蠕變特性進(jìn)行研究，對(duì)井巷的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)及穩(wěn)定控制提供理論依據(jù)。

（2）采動(dòng)應(yīng)力作用下圍巖損傷破壞特性。開采、掘進(jìn)、爆破等過(guò)程中的擾動(dòng)，將煤巖原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)打破，由此引起煤巖體內(nèi)應(yīng)力重新分布，促使圍巖裂紋（裂隙）不斷萌生、擴(kuò)展和貫通，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)p傷和破壞。

目前，以各種研制的動(dòng)靜組合加載實(shí)驗(yàn)裝置開展一維、三維動(dòng)靜組合加載下的巖石力學(xué)特性試驗(yàn)研究，利用細(xì)觀力學(xué)、斷裂力學(xué)以及損傷力學(xué)等現(xiàn)代理論對(duì)巖石斷裂破壞機(jī)理進(jìn)行理論和數(shù)值分析，建立起了一系列能反映巖體在加載條件下發(fā)生變形破壞的理論，并把這些理論應(yīng)用到了工程實(shí)際之中。在采動(dòng)煤巖體的卸壓致裂特性及卸壓變形方面，通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬試驗(yàn)研究，利用斷裂力學(xué)、分形幾何理論等分析煤巖的卸荷損傷破壞形式及其與卸荷路徑和自身組構(gòu)的關(guān)系，揭示煤巖體的卸荷破壞宏、細(xì)觀機(jī)理，對(duì)煤礦井下巷道、采場(chǎng)支護(hù)設(shè)計(jì)和圍巖穩(wěn)定性判定等有著重要工程實(shí)踐意義。在針對(duì)巖石微細(xì)觀裂紋演化、破壞監(jiān)測(cè)技術(shù)方面，利用X射線衍射分析法、顯微CT技術(shù)、微震監(jiān)測(cè)技術(shù)及較為活躍的聲發(fā)射（AE）等現(xiàn)代先進(jìn)探測(cè)技術(shù)取得了很多成果，為現(xiàn)場(chǎng)圍巖穩(wěn)定性及動(dòng)力災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)提供理論依據(jù)和方法。

（3）支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)對(duì)圍巖損傷破壞特性影響。支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)出現(xiàn)在與支護(hù)體接觸的圍巖周圍及支護(hù)體內(nèi)部，它在空間分布上范圍較小，而且隨著采掘活動(dòng)的進(jìn)行與時(shí)間的推移發(fā)生變化。煤礦井下不同地段支護(hù)形式不盡相同，如錨桿支護(hù)、噴射混凝土、砌碹等巷道支護(hù)，單體支柱、液壓支架等采場(chǎng)支護(hù)，各種支護(hù)形式與圍巖相互作用都可在煤巖體內(nèi)產(chǎn)生各自特點(diǎn)的支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)。

3 流固耦合作用的煤巖損傷破壞特性

3.1 煤與瓦斯耦合作用的研究

耦合作用的研究目前主要集中在通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬建立滲透系數(shù)與應(yīng)力應(yīng)變之間的關(guān)系方程上。滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合作用是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)作用過(guò)程，對(duì)其進(jìn)行定量分析研究時(shí)就涉及到簡(jiǎn)化耦合作用過(guò)程。

在煤巖體與瓦斯相互作用試驗(yàn)研究方面，開展了含瓦斯型煤試件的全應(yīng)力–應(yīng)變過(guò)程瓦斯?jié)B透特性變化規(guī)律的試驗(yàn)研究，指出瓦斯?jié)B透率隨圍壓增大而減小;進(jìn)行卸圍壓（卸載）條件下的煤體力學(xué)性質(zhì)和瓦斯?jié)B透性方面的研究時(shí)均發(fā)現(xiàn)滲透率的變化與煤巖的損傷變形密切相關(guān);深入探討各種不同應(yīng)力路徑下含瓦斯煤滲透性的控制機(jī)制和變化規(guī)律，結(jié)果表明應(yīng)力路徑對(duì)含瓦斯煤的滲透率有重要影響。

3.2 煤礦突水的流-固耦合作用研究

煤礦開采過(guò)程中含水層、老空水、巖溶陷落柱、斷層等都有可能成為突水水源或突水通道，在隱伏陷落柱探測(cè)與防治、煤層底板測(cè)試與突水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、淺層帷幕截流和控制疏水技術(shù)方面，研究取得了一定的突破，提出了突水系數(shù)法、突水臨界指數(shù)法、突水優(yōu)勢(shì)面理論、底板突水的動(dòng)力信息理論及巖–水應(yīng)力關(guān)系說(shuō)等突水判據(jù)和理論，形成了包括防水煤巖柱留設(shè)、雙降采煤及底板注漿等突水防治方法。然而，上述研究把巖體和水分開研究，不能解釋涌水量和巖層破壞程度的關(guān)系，實(shí)際上是沒能考慮滲流與破壞的相互作用。因此，從應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)共同作用方面研究突水規(guī)律，將更與實(shí)際相吻合。

4 結(jié)語(yǔ)

開展多場(chǎng)耦合作用下煤巖損傷破壞特性的研究，不僅對(duì)揭示煤巖體的力學(xué)行為及其破壞失穩(wěn)的力學(xué)機(jī)理，完善和發(fā)展巖體損傷力學(xué)、斷裂力學(xué)等均具有豐富的理論內(nèi)涵和學(xué)術(shù)價(jià)值，而且對(duì)礦業(yè)工程發(fā)展具有極其豐富的科學(xué)、技術(shù)與工程意義。然而，由于開展煤巖多場(chǎng)耦合作用研究的復(fù)雜性和艱巨性，已有的研究成果離工程應(yīng)用也有較大的距離。因此，煤礦工作者們?nèi)孕栝_拓視野，勇于創(chuàng)新，從而為煤礦安全高效開采作出更全面而深入的研究和探討。

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