多场耦合作用下煤岩损伤破坏特性研究进展

水-盐-温-力多场耦合作用模型研究综述
吴安平;杨保存;王荣
【期刊名称】《水利与建筑工程学报》
【年(卷),期】2022(20)2
【摘要】寒旱区盐渍土环境,在以水-盐-温-力多场耦合作用为内因的水盐干湿循环和盐冻融循环共同作用下,使该区域的岩土结构发生损伤破坏。

因此,水-盐-温-力多场耦合作用模型研究成为了环境作用研究领域的热点和难点。

为了在细观上定量描述水分、盐分在温度变化下相态变化所引起的结构内部应力应变,在宏观上确定水-盐-温-力多场耦合作用对岩土体的损伤破坏程度,在国内外研究学者对多场耦合数学模型研究成果的基础上,采用理论分析的方法,分别从水盐运移模型、水热耦合模型、水热力耦合模型、水热盐耦合模型、水热盐力(HTSM)四场耦合模型几个方面进行综述研究,建立了在水分迁移方程中考虑结晶水含量、在水盐运移方程中考虑结晶盐固-液相变所引起的溶质摩尔质量的变化、在热流运输方程中考虑结晶盐相变潜热的寒旱区盐渍土水-盐-温-力多场耦合作用模型,为寒旱区盐渍土多场耦合作用的岩土结构损伤破坏机理研究和防灾型结构设计提供理论依据。

【总页数】6页(P216-221)
【作者】吴安平;杨保存;王荣
【作者单位】塔里木大学水利与建筑工程学院;塔里木大学南疆岩土工程研究中心【正文语种】中文
【中图分类】O347
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第31卷 第9期 岩石力学与工程学报 V ol.31 No.9 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering收稿日期：2012–07–15基金项目：国家自然科学基金资助项目(41072239)作者简介：康永水(1985–)，男，2012年于中国科学院武汉岩土力学研究所获博士学位，导师为刘泉声研究员，主要从事裂隙岩体冻融损伤及多场耦合等方面的研究工作。

E-mail ：kys85@裂隙岩体冻融损伤力学特性及多场耦合过程研究康永水(中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071) 博士学位论文摘要：我国寒区分布广泛，在寒区工程建设和资源开采过程中，会遇到很多岩体工程冻融损伤破坏的问题，严重威胁着岩体工程的安全稳定，并造成巨大的经济损失。

以“裂隙岩体冻融损伤力学特性及多场耦合过程”为主题，将裂隙岩体视为岩块系统和裂隙系统，通过室内试验、理论分析和数值模拟等多种手段，对涉及冻岩领域的相关问题展开研究，取得如下成果：(1) 通过测试低温环境下饱和及干燥的花岗岩、白砂岩和砂质泥岩随降温产生的应变特征，研究岩石冻胀融缩效应。

结果表明：在一次冻融循环内，干燥岩样发生线弹性变形，而饱水岩石的变形经历冷缩阶段、冻胀阶段、升温迟滞阶段、融缩阶段和热胀阶段等阶段。

一次冻融循环内，干燥岩样未产生残余应变，而饱水岩样产生明显的残余应变。

(2) 基于物理化学相关理论，考虑岩体裂隙水相变的特殊性，分析水冰相变平衡物态方程，得出冰点与压力的关系，并根据能量守恒定律和功能原理推导出冻结率的表达式。

提出“等效热膨胀系数法”模拟裂隙水的冻胀融缩效应，同时模拟冻胀荷载作用下夹冰(水)裂隙尖端的应力场分布，并与解析解进行对比。

(3) 参照岩石冻胀变形试验和相变分析的相关结论，将岩石在低温环境下的变形分解为热应变、冻胀应变和围压产生的弹塑性应变3部分，建立岩石准蠕变冻胀本构模型。

㊀第４９卷第４期煤炭科学技术Ｖｏｌ ４９㊀Ｎｏ ４㊀㊀２０２１年４月ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ㊀Ａｐｒ．２０２１㊀移动扫码阅读邓志刚．动静载作用下煤岩多场耦合冲击危险性动态评价技术［Ｊ］．煤炭科学技术，２０２１，４９（４）：１２１－１３２ ｄｏｉ：１０ １３１９９／ｊ ｃｎｋｉ ｃｓｔ ２０２１ ０４ ０１５ＤＥＮＧＺｈｉｇａｎｇ．Ｍｕｌｔｉ－ｆｉｅｌｄｃｏｕｐｌｉｎｇｄｙｎａｍｉｃｅｖａｌｕａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｄｙｎａｍｉｃａｎｄｓｔａｔｉｃｌｏａｄ［Ｊ］．ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２１，４９（４）：１２１－１３２ ｄｏｉ：１０ １３１９９／ｊ ｃｎｋｉ ｃｓｔ ２０２１ ０４ ０１５动静载作用下煤岩多场耦合冲击危险性动态评价技术邓㊀志㊀刚１，２（１．煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京㊀１０００１３；２．煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京㊀１０００１３）摘㊀要：深部开采冲击地压灾害孕灾过程中既有静态基础量又有动态变化量，剧增的原岩应力与覆岩断裂㊁井下爆破等引起的动载扰动是诱发冲击地压灾害的源头，因此实现冲击危险性快速㊁高精度评价必须综合考虑动静载作用㊂笔者开展了典型煤岩霍普金森压杆试验及数值模拟，分析了动载对煤岩体破坏作用以及对应力场的影响，针对应力变化可以直接引起介质中震动波波速变化，且波速变化前的幅值与变化幅度均受应力场影响这一特性，掌握了震动场与应力场的耦合关系，建立了多场耦合冲击危险性动态评价技术：以原岩应力场表示煤岩孕灾过程的静态基础量，以采动应力场和震动场表示煤岩孕灾过程的动态变化量，以波速异常指数㊁波速梯度指数㊁应力异常指数㊁应力梯度指数为评价指标可实现煤岩冲击危险性动态评价㊂研究结果表明：动载作用下能量以震动波形式传递，造成应力场的重新分布，应力呈现分区传递特点，并且在能量达到某一阈值后引起煤岩损伤破坏，但无论动载直接作用在岩石上还是煤体上，岩石是能量传递路径，煤层是能量耗散㊁释放主体，破坏主要发生在煤体中㊂多场耦合冲击危险性评价技术在某工作面经现场应用，在工作面逐渐揭露断层过程中冲击危险性由强冲击危险性降低到中等冲击危险性，现场监测数据表明评价结果与现场实际相符㊂关键词：动静载荷；冲击危险性；震动场；多场耦合；动态评价中图分类号：ＴＤ３２４㊀㊀㊀文献标志码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：０２５３－２３３６（２０２１）０４－０１２１－１２Ｍｕｌｔｉ－ｆｉｅｌｄｃｏｕｐｌｉｎｇｄｙｎａｍｉｃｅｖａｌｕａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｄｙｎａｍｉｃａｎｄｓｔａｔｉｃｌｏａｄＤＥＮＧＺｈｉｇａｎｇ１，２（１．ＭｉｎｅＳａｆｅｔｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｒａｎｃｈ，ＣｈｉｎａＣｏａｌＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ㊀１０００１３，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＣｏａｌＭｉｎｉｎｇａｎｄＣｌｅａｎＵｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ㊀１０００１３，Ｃｈｉｎａ）收稿日期：２０２０－１２－０２；责任编辑：朱恩光基金项目：国家科技重大专项资助项目（２０１６ＺＸ０５０４５００３－００６－００２）；国家自然科学基金面上资助项目（５１６７４１４３）作者简介：邓志刚（１９８１ ），男，吉林长春人，研究员，博士，中国煤炭科工集团三级首席科学家㊂Ｔｅｌ：０１０－８４２６１５８１，Ｅ－ｍａｉｌ：ｄｅｎｇｚｈｉｇａｎｇ２００４＠１６３．ｃｏｍＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｔａｔｉｃｂａｓｉｃｑｕａｎｔｉｔｙａｎｄｄｙｎａｍｉｃｖａｒｉａｔｉｏｎｑｕａｎｔｉｔｙｅｘｉｓｔｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｒｏｃｋｂｕｒｓｔｉｎｄｅｅｐｍｉｎｉｎｇ．Ｄｙｎａｍｉｃｌｏａｄｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅａｎｄｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｏｆｉｎ－ｓｉｔｕｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄａｒｅｔｈｅｓｏｕｒｃｅｏｆｒｏｃｋｂｕｒｓｔ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃａｎｄｓｔａｔｉｃｌｏａｄｍｕｓｔｂｅｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙｉｎｔｈｅｆａｓｔａｎｄｈｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄ．Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅｂａｒｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｏｆｄｙｎａｍｉｃｌｏａｄｏｎｔｈｅｄａｍａｇｅａｎｄｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄｏｆｔｈｅｃｏａｌｒｏｃｋ．Ｉｎｖｉｅｗｏｆｔｈｅｆａｃｔｔｈａｔｔｈｅｃｈａｎｇｅｏｆｓｔｒｅｓｓｃｏｕｌｄｄｉ⁃ｒｅｃｔｌｙｃａｕｓｅｔｈｅｃｈａｎｇｅｏｆｖｉｂｒａｔｉｏｎｗａｖｅｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄｔｈｅａｍｐｌｉｔｕｄｅｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｔｈｅｃｈａｎｇｅｏｆｗａｖｅｖｅｌｏｃｉｔｙｗｅｒｅａｆｆｅｃｔｅｄｂｙｔｈｅｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ，ｔｈｅｃｏｕｐｌｉｎｇｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｖｉｂｒａｔｉｏｎｆｉｅｌｄａｎｄｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄｗａｓｍａｓｔｅｒｅｄａｎｄｔｈｅｍｕｌｔｉ－ｆｉｅｌｄｃｏｕｐｌｉｎｇｄｙｎａｍｉｃｅｖａｌｕａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｃａｔａｓｔｒｏｐｈｅ，ｔｈｅｉｎ－ｓｉｔｕｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄｒｅｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｅｓｔａｔｉｃｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｑｕａｎｔｉｔｙ，ａｎｄｔｈｅｍｉｎｉｎｇｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄａｎｄｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｆｉｅｌｄｒｅｐｒｅｓｅｎｔｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｃｈａｎｇｅｑｕａｎｔｉｔｙ．Ｔｈｅｗａｖｅｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｏｍａｌｙｉｎｄｅｘ，ｗａｖｅｖｅｌｏｃｉｔｙｇｒａｄｉｅｎｔｉｎ⁃ｄｅｘ，ｓｔｒｅｓｓａｎｏｍａｌｙｉｎｄｅｘａｎｄｓｔｒｅｓｓｇｒａｄｉｅｎｔｉｎｄｅｘａｒｅｕｓｅｄａｓｅｖａｌｕａｔｉｏｎｉｎｄｅｘｅｓｔｏｒｅａｌｉｚｅｄｙｎａｍｉｃｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄ．Ｔｈｅｒｅ⁃ｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｅｎｅｒｇｙｉｓｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄｉｎｔｈｅｆｏｒｍｏｆｖｉｂｒａｔｉｏｎｗａｖｅｕｎｄｅｒｄｙｎａｍｉｃｌｏａｄ，ｒｅｓｕｌｔｉｎｇｉｎｔｈｅｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ．Ｔｈｅｓｔｒｅｓｓｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｚｏｎａｌｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ａｎｄｃａｕｓｅｓｔｈｅｄａｍａｇｅｏｆｃｏａｌａｎｄｒｏｃｋｗｈｅｎｔｈｅｅｎｅｒｇｙｒｅａｃｈｅｓａｃｅｒｔａｉｎｔｈｒｅｓｈｏｌｄ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｎｏｍａｔｔｅｒｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｌｏａｄｄｉｒｅｃｔｌｙａｃｔｓｏｎｔｈｅｒｏｃｋｏｒｔｈｅｃｏａｌ，ｔｈｅｒｏｃｋｉｓｔｈｅｅｎｅｒｇｙｔｒａｎｓｆｅｒｐａｔｈ，ｔｈｅｃｏａｌｓｅａｍｉｓｔｈｅｍａｉｎｂｏｄｙｏｆｅｎｅｒｇｙｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎａｎｄｒｅｌｅａｓｅ，ａｎｄｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｍａｉｎｌｙｏｃｃｕｒｓｉｎｔｈｅｃｏａｌ．Ｔｈｅｍｕｌｔｉ－ｆｉｅｌｄｃｏｕｐｌｉｎｇｄｙｎａｍｉｃｅｖａｌｕａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｒｏｃｋｂｕｒｓｔ１２１２０２１年第４期煤炭科学技术第４９卷ｈａｚａｒｄｗａｓａｐｐｌｉｅｄｏｎａｃｅｒｔａｉｎｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅ．Ｔｈｅｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄｗａｓｒｅｄｕｃｅｄｆｒｏｍｓｔｒｏｎｇｔｏｍｅｄｉｕｍｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｇｒａｄｕａｌｌｙｅｘｐｏｓｉｎｇｆａｕｌｔｓ．Ｔｈｅｆｉｅｌｄｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｄａｔａｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｗｅｒｅｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅａｃｔｕａｌｓｉｔｕａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｙｎａｍｉｃａｎｄｓｔａｔｉｃｌｏａｄｓ；ｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄ；ｖｉｂｒａｔｉｏｎｆｉｅｌｄ；ｍｕｌｔｉ－ｆｉｅｌｄｃｏｕｐｌｉｎｇ；ｄｙｎａｍｉｃｅｖａｌｕａｔｉｏｎ０㊀引㊀㊀言我国多数矿井进入深部开采阶段，冲击地压灾害频度㊁强度显著增加［１］，冲击地压防治工作任重道远㊂２０１８年８月１日，国家煤矿安全监察局印发的‘防治煤矿冲击地压细则“开始实施，规定： 开采具有冲击倾向性的煤层必须进行冲击危险性评价 ， 开采冲击地压煤层必须进行采区㊁采掘工作面冲击危险性评价 ， 当评估煤层有冲击倾向性时，应当进行冲击危险性评价 ，并且以冲击危险性评价结果作为冲击地压监测㊁卸压等工作开展的依据㊂目前冲击危险性评价方法较多㊂一类是以冲击地压主要诱因为切入点的冲击危险性静态评价技术，如窦林名等［２］提出的综合指数法，综合考虑了岩体结构㊁力学特性㊁地质因素等条件㊂姜福兴等［３］采用模糊数学的方法，用垂直应力与煤体单轴抗压强度的比值㊁弹性能量指数２个指标评价煤体的冲击危险性，且根据应力叠加原理建立了冲击危险性评价模型，后又在此基础上提出了冲击地压分类评价技术手段㊂张科学等［６］综合考虑开采深度㊁冲击倾向性㊁煤层顶底板性质㊁地质构造㊁开采技术提出了基于层次分析法的煤层冲击危险性模糊综合评价模型㊂张宏伟等［７］应用地质动力区划方法对煤矿冲击危险进行评价㊂邓志刚［１０］基于三维地应力场反演技术开展了相关研究，综合考虑构造应力㊁采动影响等因素，实现了对采区宏观区域的冲击危险评价㊂欧阳振华等［１１］考虑瓦斯作用，将煤层气属性㊁抽采效果分析作为一类地质因素㊁开采技术条件，提出一种含瓦斯煤冲击危险性改进型综合指数评价方法㊂但是由于冲击地压致灾机理不清，灾害孕育㊁发展㊁发生的过程中影响因素繁杂，以及复杂多变的采掘及地质条件，致使静态评价方法主要是宏观上为煤层开采前的防冲工作提供一定参考，缺少对于采掘过程中因局部区域地质及开采条件变化㊁卸压措施等因素引起的冲击危险性动态变化的量化能力，因此，另一类基于现场监测数据的冲击危险性动态评价技术是当前研究工作的重点，如刘少虹等［１２］基于地音与电磁波ＣＴ探测数据提出的冲击危险性层次化评价方法；李宏艳等［１４］基于微震监测数据建立的考虑响应能量和无响应时间的冲击危险性动态评价技术㊂姜福兴等［１５］应用矿压观测法观测冲击地压工作面支架压力㊁立柱压缩量，判断工作面顶板来压规律，结合巷道的变形及其围岩应力分布进行观测，评价及预测冲击危险性㊂何学秋等［１７］采用电磁辐射法评价冲击危险性，主要参数为电磁辐射强度和脉冲数㊂曹民远等［１９］采用数值模拟和理论计算的方法分析了采掘工作面应力扰动叠加的影响，提出了近直立煤层动态权重评价法的计算体系㊂但是冲击地压的孕灾过程中既有静态基础量，又有动态变化量，因此目前仅依靠单一理论或方法快速㊁高精度的进行冲击危险性评价难度较大㊂我国煤矿进入深部开采后，剧增的原岩应力场成为冲击地压灾害发生的必要条件㊂覆岩断裂㊁井下爆破等带来的强动载扰动易成为诱发冲击灾变的充分条件，但目前冲击危险性评价的研究工作中少有兼顾动静载综合作用的理论或方法㊂为此，笔者以震动场㊁采动应力场表示孕灾过程中动态变化量，以原岩应力场表示孕灾过程中静态基础量㊂提出了波速异常指数㊁波速梯度指数㊁应力异常指数㊁应力梯度指数４个冲击危险性评价指标，并在此基础上建立了多场耦合冲击危险性动态评价技术以实现井下高精度冲击危险性动态评价㊂１㊀煤岩动载破坏试验分析１．１㊀典型煤岩动载破坏霍普金森压杆试验分离式霍普金森压杆（ＳＨＰＢ）试验系统（图１）由压杆系统㊁测量系统和数据采集处理系统３个部分组成㊂图１㊀ＳＨＰＢ试验装置Ｆｉｇ．１㊀ＳＨＰＢｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄｅｖｉｃｅ当动载试块受到不同气压后获得不同初速度撞击入射杆，在杆内产生入射脉冲εｉ，试件在该应力作用下产生高速变形，同时产生反射脉冲εｒ和透射脉冲εｔ㊂如图２所示㊂选取强冲击倾向性煤样试件４２２１邓志刚等：动静载作用下煤岩多场耦合冲击危险性动态评价技术２０２１年第４期个，中砂岩试件４个，尺寸均为ø５０ｍｍˑ１００ｍｍ㊂本次试验煤岩样取样点分别为某典型冲击地压矿井３－１煤回风大巷ＨＦ６导点处顶板和３１１１０２工作面煤层㊂煤岩物理力学参数见表１㊂分别采用气压０．２㊁０．４㊁０．６㊁０．８ＭＰａ发射子弹，撞击入射杆，记录其入射㊁反射和透射波曲线㊂图２㊀ＳＨＰＢ试验原理Ｆｉｇ．２㊀ＰｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆＳＨＰＢｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ㊀㊀煤样㊁岩样入射波㊁反射波和透射波曲线如图３㊁图４所示，仅出示驱动应力为０．２㊁０．４㊁０．８ＭＰａ时的结果㊂对比分析可知，随着撞击杆驱动应力增加，入射波波速幅值㊁入射波波速变化率均有所增加，反射波和透射波波峰和波谷增高，透射波持续时间缩短，这也和冲击地压发生的突然㊁猛烈性质一致㊂１．２㊀典型煤岩动载破坏数值模拟采取有限元方法对煤岩霍普金森压杆试验进行模拟，进一步分析动载作用下煤岩体损伤破坏机理㊂数值模型如图５所示㊂模拟试件分为煤样㊁岩样㊁煤－岩组合样，岩－煤组合样，其中煤－岩组合样是指震动波入射端在煤上，岩－煤组合样是指震动波入射端在岩石上㊂煤样㊁岩样尺寸为ø５０ｍｍˑ１００ｍｍ，煤岩组合样中煤㊁岩样尺寸均为ø５０ｍｍˑ５０ｍｍ㊂入射杆㊁透射杆材料参数按钢材设定［２０］，密度为７７９４ｋｇ／ｍ３，弹性模量为２１１ＧＰａ，泊松比为０．２８５㊂表１㊀煤岩物理力学参数Ｔａｂｌｅ１㊀Ｐｈｙｓｉｃａｌａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｃｏａｌａｎｄｒｏｃｋ试样密度／（ｋｇ㊃ｍ－３）单轴抗压强度／ＭＰａ弹性模量／ＧＰａ泊松比抗拉强度／ＭＰａ内摩擦角／（ʎ）黏聚力／ＭＰａ煤样１３２５．４０３８．７６２３．４７４０．２８２２．４９３１８．５２１３．８９４岩样２１１１．９８４０．４３４７．３９５０．２２２２．８３９３５．６０１５．５２５图３㊀煤样不同气压下的波形Ｆｉｇ．３㊀Ｗａｖｅｆｏｒｍｓｏｆｃｏａｌｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｉｒｐｒｅｓｓｕｒｅ图４㊀岩样不同气压下的波形Ｆｉｇ．４㊀Ｗａｖｅｆｏｒｍｓｏｆｒｏｃｋｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｉｒｐｒｅｓｓｕｒｅ３２１２０２１年第４期煤炭科学技术第４９卷图５㊀霍普金森试验数值模型Ｆｉｇ．５㊀ＳＨＰＢｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｏｄｅｌ煤岩物理力学参数见表２㊂加载在入射杆端部的震动波信号为ＳＨＰＢ试验中不同气压驱动子弹记录的入射杆应变波信号㊂不同震动波作用下煤岩体应力㊁损伤分布如图６ 图９所示，限于篇幅煤样㊁岩样仅出示驱动应力为０．２㊁０．４㊁０．８ＭＰａ时的结果，煤岩组合样仅出示驱动应力为０．２ＭＰａ和０．８ＭＰａ时的结果㊂分析可知，震动波作用引起煤岩应力重新分布，应力传递呈现分区传递特点，即存在应力传递优势面㊂在震动波波速峰值㊁波速变化率较低时，震动波对煤岩介质表２㊀数值模拟参数Ｔａｂｌｅ２㊀Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓ试样弹性模量／ＧＰａ泊松比密度／（ｋｇ㊃ｍ－３）屈服强度／ＭＰａ单轴抗压强度／ＭＰａ内摩擦角／（ʎ）黏聚力／ＭＰａ煤样３．４７４０．３２１３２０１７．２５２４．６０１８．５２１３．８９０岩样７．６８３０．２３２５１９４４．９７５０．２７４３．１０１０．６５６图６㊀煤样应力与损伤分布情况Ｆｉｇ．６㊀Ｓｔｒｅｓｓａｎｄｄａｍａｇｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｃｏａｌｓｐｅｃｉｍｅｎ没有破坏作用，即震动波对煤岩介质的破坏与损伤存在阈值㊂煤岩体发生破坏的位置同时是单元受拉损伤㊁受压损伤极值位置，因此震动波作用下煤岩体破坏模式为拉压复合破坏㊂无论震动波直接作用在岩石上还是煤上，煤岩组合试件的破坏主要发生在煤体上，说明岩石是能量传播的路径，煤体是能量耗４２１邓志刚等：动静载作用下煤岩多场耦合冲击危险性动态评价技术２０２１年第４期图７㊀岩样应力与损伤分布情况Ｆｉｇ．７㊀Ｓｔｒｅｓｓａｎｄｄａｍａｇｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｒｏｃｋｓｐｅｃｉｍｅｎ图８㊀煤－岩样应力与损伤分布情况Ｆｉｇ．８㊀Ｓｔｒｅｓｓａｎｄｄａｍａｇｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｃｏａｌ－ｒｏｃｋｓｐｅｃｉｍｅｎ５２１２０２１年第４期煤炭科学技术第４９卷图９㊀岩－煤样应力与损伤分布情况Ｆｉｇ．９㊀Ｓｔｒｅｓｓａｎｄｄａｍａｇｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｒｏｃｋ－ｃｏａｌｓｐｅｃｉｍｅｎ散㊁释放的主体，这也符合冲击地压主要发生在煤层中的事实㊂１．３㊀震动场与煤岩冲击危险性的关联依据采煤工作面和掘进工作面煤岩体破坏失稳主要形式，结合ＳＨＰＢ试验和数值模拟研究结果，煤岩体震动场与冲击危险性的关系总结如下：①震动波是能量传递的载体，震动波所具有的能量超过一定阈值时可引起煤岩破坏，易诱发冲击地压灾害㊂②震动波传递引起应力分布变化，应力传递沿优势面进行㊂随着震动波能量增加，优势面周围易出现煤岩损伤破坏，引起煤岩冲击灾变㊂③当震源位于岩层时，能量传递速度较快，在煤岩界面发生衰减，煤体在震动波作用下发生破坏；当震源位于煤层时，煤体对震动波传递速度相对较慢，能量多耗散在煤层中，主要诱发煤体破坏，对岩层造成的破坏较小㊂２㊀煤岩动㊁静载冲击危险性评价指标考虑动静载作用煤岩冲击危险性评价指标包括应力场相关指标和震动场相关指标，其中静载作用主要表现为应力场的变化，动载作用主要引起震动场的变化㊂２．１㊀应力场冲击危险性评价指标基于煤矿冲击地压应力控制理论［２１］，煤岩体冲击破坏是应力作用的结果，一是取决于应力绝对值大小，二是应力梯度变化㊂因此，建立应力异常指数和应力梯度指数㊂应力异常指数表征一定区域内不同位置应力差异的指标，计算公式为γσ＝σｒ－σｍｉｎσｍａｘ－σｍｉｎˑ１０（１）式中：γσ为应力异常指数；σｒ为监测区域某点应力，ＭＰａ；σｍａｘ㊁σｍｉｎ分别为监测区域内实时应力最大值和最小值，ＭＰａ㊂应力梯度指数是表征一定区域内不同位置应力变化速度差异的指标，计算公式为ｇσ＝ｇσｒ－ｇσｍｉｎｇσｍａｘ－ｇσｍｉｎˑ１０（２）式中：ｇσ为应力梯度异常指数；ｇσｒ为监测区域内某一点的应力场梯度；ｇσｍａｘ㊁ｇσｍｉｎ分别为监测区域内应力最大㊁最小梯度㊂２．２㊀震动场冲击危险性评价指标综上，震动场波速绝对值㊁变化速率对煤岩破坏有显著影响㊂因此，提出表征震动波波速的波速异常指数和表征震动波波速变化速率的波速梯度指数，作为２个基于震动场的冲击危险性动态评价指数㊂波速异常指数表征一定区域内不同位置震动波波速的差异，计算公式为γθ＝θｒ－θｍｉｎθｍａｘ－θｍｉｎˑ１０（３）式中：γθ为波速异常指数；θｒ为监测区域某点震动波６２１邓志刚等：动静载作用下煤岩多场耦合冲击危险性动态评价技术２０２１年第４期波速，ｍ／ｓ；θｍａｘ㊁θｍｉｎ分别为监测区域内震动波波速最大值和最小值，ｍ／ｓ㊂波速梯度指数ｇθ是通过震动场波速变化速率表征煤岩体发生冲击地压的危险程度，计算公式为ｇθ＝ｇθｒ－ｇθｍｉｎｇθｍａｘ－ｇθｍｉｎˑ１０（４）式中：ｇθ为波速梯度异常指数；ｇθｒ为监测区域内某一点的震动波波速梯度；ｇθｍａｘ㊁ｇθｍｉｎ为监测区域内震动波波速最大㊁最小梯度㊂３㊀煤岩多场耦合冲击危险性动态评价技术结合笔者以往研究［２２］和上述研究成果可知，一方面煤岩应力场改变可以直接引起介质中震动波波速变化，且波速变化前的幅值与变化幅度均与应力场大小相关；另一方面，震动场传递会造成煤岩应力场的重新分布㊂因此，考虑动㊁静载作用开展煤岩冲击危险性动态评价关键在于分析震动场－应力场的耦合作用㊂煤炭开采之前，煤岩体处于重力和构造应力组成的原岩应力场之中；开采过程中，煤岩体形成采动应力场；原岩应力场和采动应力场相互作用，煤岩体损伤变形，震动产生，以弹性波的形式向外传播形成震动场㊂冲击地压是原岩应力场㊁采动应力场和震动场综合作用的结果，煤岩体中多场耦合关系如图１０所示㊂图１０㊀煤岩体中多场耦合关系Ｆｉｇ．１０㊀Ｆｉｅｌｄｉｎｃｏａｌｒｏｃｋｍａｓｓａｎｄｉｔｓｃｏｕｐｌｉｎｇｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ为了准确描述煤岩体中各种场的关系，从冲击危险性评价角度建立统一数学模型Ｒ（ｔｉ，ｓ；ｍｊ）＝０㊀㊀（ｉ，ｊ＝１，２，３， ）（５）式中：ｔｉ为场的变量，一般情况下有多个，既可以是标量也可以是矢量；ｓ为场的源或者汇，通常只有一个；ｍｊ为煤岩体的物理性质变量，如弹性模量㊁泊松比㊁剪切模量㊁波速等多个变量㊂基于该函数煤岩体中的３种场的冲击危险性评价具体表达式如下：１）原岩应力场为Ｙ（ｈ，ｃ，ｆ；ρ，μ）＝０（６）式中：ｈ为采深；ｃ为地应力；ｆ为体积力；ρ为煤岩体密度；μ为泊松比㊂２）震动场为Ｓ（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ，Ｅ，ｆ；ρ，μ）＝０（７）式中：ｘ㊁ｙ㊁ｚ为震源的位置坐标；ｔ为发震时间；Ｅ为震源能量㊂３）采动应力场为Ｆ（ｕ，ｆ；ρ，μ）＝０（８）式中：ｕ为位移㊂３．１㊀原岩应力场与采动应力场（ＲＭ）耦合冲击危险性评价模型㊀㊀原岩应力场冲击危险性评价指标见表３㊂原岩应力场冲击危险性指数定义为Ｒ＝（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒ４）／４（９）其中，Ｒ１㊁Ｒ２㊁Ｒ３㊁Ｒ４为不同评价指标得分㊂原岩应力冲击危险性反映煤岩体自身发生冲击地压的固有属性，其数值大小反映了煤岩体采动后，发生自发型冲击地压的可能性和危险性㊂原岩应力场冲击危险性指数取值与冲击危险等级关系见表４㊂表３㊀原岩应力场冲击危险性评价指标Ｔａｂｌｅ３㊀Ｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄｅｖａｌｕａｔｉｏｎｉｎｄｅｘｓｏｆｉｎ－ｓｉｔｕｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ变量影响因素阈值分值Ｒ１开采深度ｈｈɤ４００ｍ１４００ｍ＜ｈɤ６００ｍ２６００ｍ＜ｈɤ８００ｍ３ｈ＞８００ｍ４Ｒ２向落差大于３ｍ的断层推进的工作面或巷道，工作面或掘进工作面至断层的距离ＬｄＬｄȡ１００ｍ１５０ｍɤＬｄ＜１００ｍ２２０ｍɤＬｄ＜５０ｍ３Ｌｄ＜２０ｍ４Ｒ３向背斜或向斜推进的工作面或巷道，工作面或掘进工作面与之距离ＬｚＬｚȡ５０ｍ１２０ｍɤＬｚ＜５０ｍ２１０ｍɤＬｚ＜２０ｍ３Ｌｚ＜１０ｍ４Ｒ４同一水平煤层冲击地压发生次数ｎｎ＝０１ｎ＝１２２ɤｎ＜３３ｎȡ３４㊀㊀采动应力冲击危险指标包括：应力异常指数和应力梯度指数㊂二者取值与冲击危险等级之间的关系见表５㊁表６㊂７２１２０２１年第４期煤炭科学技术第４９卷表４㊀原岩应力场冲击危险性等级划分标准Ｔａｂｌｅ４㊀Ｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｒｉｔｅｒｉａｂａｓｅｄｏｎｉｎ－ｓｉｔｕｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ阈值冲击危险性评价指数冲击危险等级Ｒɤ１１无１＜Ｒ＜２２弱２ɤＲ＜３３中等Ｒȡ３４强表５㊀应力异常指数冲击危险性等级划分标准Ｔａｂｌｅ５㊀Ｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｒｉｔｅｒｉａｂａｓｅｄｏｎｓｔｒｅｓｓａｎｏｍａｌｙｉｎｄｅｘ阈值冲击危险性评价指数冲击危险等级γσɤ１１无１＜γσ＜３２弱３ɤγσ＜５３中等γσȡ５４强表６㊀应力梯度指数冲击危险性等级划分标准Ｔａｂｌｅ６㊀Ｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｒｉｔｅｒｉａｂａｓｅｄｏｎｓｔｒｅｓｓｇｒａｄｉｅｎｔｉｎｄｅｘ阈值冲击危险性评价指数冲击危险等级ｇθɤ１１无１＜ｇθ＜３２弱３ɤｇθ＜５３中等ｇθȡ５４强㊀㊀基于原岩应力场与采动应力场耦合的冲击危险性评价模型为ＤＲＭ＝ａ１Ｒ＋ｂ１γσ＋ｃ１ｇσ（１０）㊀㊀其中：ＤＲＭ是原岩应力场与采动应力场耦合的冲击危险性评价指数；ａ１，ｂ１，ｃ１分别为原岩应力场和采动应力场耦合冲击危险性评价权重系数，不同矿井取值不同㊂原岩应力场与采动应力场耦合的冲击危险性指数取值与冲击危险等级之间的关系见表７㊂表７㊀原岩应力场与采动应力场耦合冲击危险性等级划分标准Ｔａｂｌｅ７㊀Ｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｒｉｔｅｒｉａｂａｓｅｄｏｎｃｏｕｐｌｉｎｇｏｆｉｎ－ｓｉｔｕｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄａｎｄｍｉｎｉｎｇｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ阈值冲击危险性评价指数冲击危险等级ＤＲＭɤ１１无１＜ＤＲＭ＜３２弱３ɤＤＲＭ＜５３中等ＤＲＭȡ５４强３．２㊀原岩应力场与震动场（ＲＳ）耦合冲击危险性评价模型㊀㊀震动场冲击危险性指标包括：波速异常指数和波速梯度指数㊂二者取值与冲击危险等级之间的关系见表８㊁表９㊂原岩应力场与震动场耦合的冲击危险性评价模型为ＤＲＳ＝ａ２Ｒ＋ｂ２γθ＋ｃ２ｇθ（１１）㊀㊀其中：ＤＲＳ为原岩应力场和震动场耦合的冲击危险性评价指数；ａ２，ｂ２，ｃ２为原岩应力场和震动场耦合冲击危险性评价权重系数，不同矿井取值不同㊂原岩应力场与震动场耦合的冲击危险性指数取值与冲击危险等级之间的关系见表１０㊂表８㊀波速异常指数冲击危险性等级划分标准Ｔａｂｌｅ８㊀Ｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｒｉｔｅｒｉａｂａｓｅｄｏｎｗａｖｅｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｏｍａｌｙｉｎｄｅｘ阈值冲击危险性评价指数冲击危险等级γθɤ１１无１＜γθ＜３２弱３ɤγθ＜５３中等γθȡ５４强表９㊀波速梯度指数冲击危险性等级划分标准Ｔａｂｌｅ９㊀Ｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｒｉｔｅｒｉａｂａｓｅｄｏｎｗａｖｅｖｅｌｏｃｉｔｙｇｒａｄｉｅｎｔｉｎｄｅｘ阈值冲击危险性评价指数冲击危险等级ｇθɤ１１无１＜ｇθ＜３２弱３ɤｇθ＜５３中等ｇθȡ５４强表１０㊀原岩应力场与震动场耦合冲击危险性等级划分标准Ｔａｂｌｅ１０㊀Ｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｒｉｔｅｒｉａｂａｓｅｄｏｎｃｏｕｐｌｉｎｇｏｆｉｎ－ｓｉｔｕｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄａｎｄｖｉｂｒａｔｉｏｎｆｉｅｌｄ阈值冲击危险性评价指数冲击危险等级ＤＲＳɤ１１无１＜ＤＲＳ＜３２弱３ɤＤＲＳ＜５３中等ＤＲＳȡ５４强３．３㊀采动应力场与震动场（ＭＳ）耦合冲击危险性评价模型㊀㊀采动应力场与震动场耦合冲击危险性评价模型为ＤＭＳ＝ａ３γσ＋ｂ３ｇσ＋ｃ３γθ＋ｄ３ｇθ（１２）㊀㊀其中：ＤＭＳ为采动应力场与震动场耦合冲击危险性评价指数；ａ３，ｂ３，ｃ３，ｄ３分别为应力异常指数，应力梯度指数，波速异常指数，波速梯度指数的权重系数，不同矿井取值不同㊂采动应力场与震动场耦合的冲击危险性指数取值与冲击危险等级之间的关系见表１１㊂３．４㊀多场耦合（ＲＭＳ）冲击危险性动态评价模型冲击地压发生的本质是煤岩体具有的冲击能量８２１邓志刚等：动静载作用下煤岩多场耦合冲击危险性动态评价技术２０２１年第４期超过围岩吸收能量的极限㊂应力场可以表现煤岩体表１１㊀采动应力场与震动场耦合冲击危险性等级划分标准Ｔａｂｌｅ１１㊀Ｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｒｉｔｅｒｉａｂａｓｅｄｏｎｃｏｕｐｌｉｎｇｏｆｍｉｎｉｎｇｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄａｎｄｖｉｂｒａｔｉｏｎｆｉｅｌｄ阈值冲击危险性评价指数冲击危险等级ＤＭＳɤ１１无１＜ＤＭＳ＜３２弱３ɤＤＭＳ＜５３中等ＤＭＳȡ５４强未受扰动的地应力场和受采动影响而形成的采动应力场，是煤岩体承受应力的状态量㊂震动场主要表现煤岩体无法承受外部高应力差作用发生损伤破坏，在此过程中以震动形式释放出能量的时空域，可以表现煤岩体积蓄能量的过程㊂冲击地压的不仅发生在高应力区，也发生在煤岩体由低应力区向高应力区转化的过程中，采用煤岩体多场耦合的方法可以充分全面评价监测区域的冲击危险性㊂基于上述对ＲＭ耦合㊁ＲＳ耦合和ＭＳ耦合的冲击危险性评价模型，构建煤岩体多场耦合（ＲＭＳ）冲击危险性动态评价模型㊂冲击危险性指数算法如下Ｄ＝ＤＲＭ＋ＤＲＳ＋ＤＭＳ（１３）多场耦合冲击危险性评价指数Ｄ与冲击危险性等级的对应关系见表１２㊂表１２㊀多场耦合（ＲＭＳ）冲击危险性等级划分标准Ｔａｂｌｅ１２㊀Ｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｒｉｔｅｒｉａｂａｓｅｄｏｎｍｕｌｔｉ－ｆｉｅｌｄｃｏｕｐｌｉｎｇ阈值冲击危险性评价指数冲击危险等级Ｄɤ５１无５＜Ｄ＜１０２弱１０ɤＤ＜１５３中等Ｄȡ１５４强４㊀工程应用选取典型冲击地压矿井３１１２０２工作面为现场，开展相关应用㊂４．１㊀工作面概况３１１２０２工作面是该矿井１２盘区第２个回采工作面，是首个沿空回采工作面，位于１２盘区北部，为３１１２０１接续工作面，东部以１２盘区辅运大巷为界，西部至１２盘区西部边界，南部为实体煤，北部为正在回采的３１１２０１工作面，保护煤柱宽度６ｍ㊂该工作面采用走向长壁综合机械化一次采全高采煤法，采高５．２５ｍ，工作面倾斜长度２９９ｍ，走向长度３１４０ｍ，全部垮落法管理顶板，两回采巷道采用液压支架进行超前支护㊂工作面布置如图１１所示㊂图１１㊀３１１２０２工作面布置Ｆｉｇ．１１㊀ＬａｙｏｕｔｏｆＮｏ．３１１２０２ｍｉｎｉｎｇｆａｃｅ经鉴定，３－１煤及其顶底板均具有弱冲击倾向性，３－１煤层冲击危险等级为中等冲击危险㊂３１１２０２工作面所在地层构造形态总体为一向北西倾斜的单斜构造，倾向３００ʎ ３２０ʎ㊁倾角１ʎ ３ʎ，地层产状沿走向及倾向均有一定变化，沿走向发育有宽缓的波状起伏㊂３１１２０２工作面受ＤＦ１９㊁ＤＦ１８㊁Ｆ２２㊁Ｆ２４断层影响较大，其中ＤＦ１９断层影响最为显著，该断层走向长度约１２００ｍ，落差６．５ １０．０ｍ，预计影响３１１２０２工作面走向长度５６０ｍ，对生产过程中的冲击地压灾害影响最大㊂３１１２０２工作面主要断层情况见表１３，３１１２０２工作面煤层顶底板结构特征见表１４㊂表１３㊀３１１２０２工作面断层特征Ｔａｂｌｅ１３㊀ＦａｕｌｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＮｏ．３１１２０２ｍｉｎｉｎｇｆａｃｅ断层走向／（ʎ）倾向／（ʎ）倾角／（ʎ）性质落差／ｍＤＦ１８３１２４２７０正断层０ ５．０ＤＦ１９２９６２６４９正断层６．５ １０．０Ｆ２２２８５１５３０正断层１．１Ｆ２４３５７９０４６正断层０．３表１４㊀３１１２０２工作面煤层顶底板结构特征Ｔａｂｌｅ１４㊀ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｃｏａｌｓｅａｍｒｏｏｆａｎｄｆｌｏｏｒｉｎＮｏ．３１１２０２ｍｉｎｉｎｇｆａｃｅ顶底板岩性厚度／ｍ平均厚度／ｍ基本顶细粒砂岩９．２５ １９．７０１５．８４直接顶砂质泥岩２．２８ １２．８５８．５０直接底砂质泥岩４．６９ １２．９９７．６８基本底细粒砂岩５．２１ ２１．４５１４．８２４．２㊀多场耦合冲击危险性动态评价原岩应力场包括重力场和构造应力场，通过地应力测试及三维反演可得到㊂采动应力场通过应力在线监测系统监测得到㊂在３１１２０２回风巷生产帮安设应力在线监测系统，距离开切眼６０ｍ生产帮侧９２１２０２１年第４期煤炭科学技术第４９卷安设第１组应力测点，之后每隔４０ｍ安设一组，共布置１０组，主要监测工作面超前３００ｍ范围内回风巷一侧煤体采动应力分布情况；每组垂直于煤壁施工２个ø４４ｍｍ应力钻孔，孔深分别为１１ｍ和１６ｍ，钻孔间距１ｍ㊂当测点与工作面距离小于３０ｍ时开始回撤，随着工作面回采，测点依次前移，直至回采结束㊂测点布置方案如图１２所示㊂收集了３１１２０２工作面２０１９年５月至１１月的回风巷采动应力监测数据，并进行了分析和应用㊂图１２㊀应力在线监测测点布置Ｆｉｇ．１２㊀Ｌａｙｏｕｔｏｆｍｅａｓｕｒｉｎｇｐｏｉｎｔｓｆｏｒｏｎｌｉｎｅｓｔｒｅｓｓｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ工作面震动场数据由ＡＲＡＭＩＳＭ／Ｅ微震监测系统监测得到㊂３１１２０２工作面测站布置情况如图１３所示㊂井下布置４台微震拾震器（编号Ｓ９至Ｓ１２）和６个移动式监测探头（编号Ｔ１９至Ｔ２４），地面布置１台编号为Ａ２矿震测站组成联合监测网，对工作面进行全面监测㊂图１３㊀３１１２０２回采工作面微震监测系统测站布置Ｆｉｇ．１３㊀ＡｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｓｔａｔｉｏｎｏｆｍｉｃｒｏｓｅｉｓｍｉｃｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｎＮｏ．３１１２０２ｍｉｎｉｎｇｆａｃｅ选取３１１２０２工作面回采至距离ＤＦ１９断层１０ｍ时，开始揭露ＤＦ１９断层时以及揭露ＤＦ１９断层２９５ｍ时，３个时间节点３１１２０２工作面超前１５０ｍ范围内的冲击危险性评价情况㊂回采至距离ＤＦ１９断层１０ｍ时，计算原岩应力场冲击危险性指数Ｒ，３－１煤层平均采深６２０ｍ，Ｒ１＝３；工作面距离断层１０ｍ，Ｒ２＝４；工作面前方无背斜或向斜，Ｒ３＝１；该区域未发生过冲击地压，Ｒ４＝１㊂根据式（９）计算得到Ｒ＝２．３㊂按照式（１）㊁式（２）计算得到γσ＝２．３，ｇσ＝３．３㊂３１１２０２工作面最大主应力与水平应力比约为１，取ａ１＝ｂ１＝ｃ１＝０．５，根据式（１０）计算得到ＤＲＭ＝４．０㊂同理计算出，揭露断层时ＤＲＭ＝５．０；揭露断层２９５ｍ时ＤＲＭ＝４．０㊂回采至距离ＤＦ１９断层１０ｍ时，Ｒ＝２．３；根据式（３）㊁（４）计算得到γθ＝３．４，ｇθ＝５．０；工作面最大主应力与水平应力比约为１，取ａ２＝ｂ２＝ｃ２＝０．５，根据式（１１）计算得到ＤＲＳ＝５．４㊂同理计算出，揭露断层时ＤＲＳ＝６．５；揭露断层２９５ｍ时ＤＲＳ＝４．５㊂回采至距离ＤＦ１９断层１０ｍ时，根据式（１）㊁式（２）计算得到γσ＝２．３，ｇσ＝３．３；根据式（３）㊁式（４）计算得到γθ＝３．４，ｇθ＝５．０㊂３１１２０２工作面最大主应力与水平应力比约为１，取ａ３＝ｂ３＝ｃ３＝ｄ３＝０．５，根据式（１２）计算得到ＤＭＳ＝７．０㊂同理计算出，揭露断层时ＤＭＳ＝９．２；揭露断层２９５ｍ时ＤＭＳ＝６．２㊂根据式（１３）计算得到，回采至距离ＤＦ１９断层１０ｍ时Ｄ＝１６．４，具有强冲击危险性；揭露断层时Ｄ＝２０．７，具有强冲击危险性；揭露断层２９５ｍ时Ｄ＝１４．７，具有中等冲击危险性㊂４．３㊀评价结果验证与对比依据３１１２０２工作面回采期间超前工作面３００ｍ范围内微震监测数据㊁钻孔应力监测数据平均值验证评价结果㊂在距离ＤＦ１９断层１０ｍ附近，当天微震释放总能量约为１９３００Ｊ，单次最大能量为７０００Ｊ，微震事件２６次；揭露断层时，当天微震释放总能量约为２２３００Ｊ，单次最大能量约为９０００Ｊ，微震事件１７次；揭露断层２９６ｍ附近，当天微震释放总能量约为７７００Ｊ，单次最大能量约为６０００Ｊ，微震事件６次㊂从微震事件能量㊁频次中可以看出冲击危险性降低㊂在距离断层１０ｍ附近㊁揭露断层附近以及揭露断层２９６ｍ附近选取３个煤层钻孔应力测点，３个测点应力监测数据如图１４所示㊂工作面推进过程中煤层应力数值增加，强冲击危险区域应力始终高于中等冲击危险区域㊂微震和煤层钻孔应力监测数据验证了冲击危险性动态评价结果的合理性㊂图１４㊀煤层钻孔应力监测数据平均值Ｆｉｇ．１４㊀Ａｖｅｒａｇｅｖａｌｕｅｓｏｆｓｔｒｅｓｓｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｄａｔａｓｉｎｃｏａｌｓｅａｍ０３１。

深部开采多场耦合含瓦斯煤宏细微损伤机理及裂隙动态演化规律一、引言深部煤矿开采过程中，瓦斯爆炸和煤层突出等事故频发，严重威胁着人们的生命财产安全。

因此，深入了解深部开采多场耦合含瓦斯煤宏细微损伤机理及裂隙动态演化规律对于提高安全生产水平具有重要意义。

二、多场耦合含瓦斯煤宏细微损伤机理1. 瓦斯运移与扩散规律当地应力场的变化会导致孔隙压力的变化，从而影响瓦斯运移与扩散规律。

此外，岩层渗透率、孔隙度等参数也会影响瓦斯运移与扩散规律。

2. 煤体损伤演化规律在深部开采过程中，应力场的变化会导致岩体内部出现裂纹和断裂带。

这些裂缝和断裂带会进一步加剧岩体的损伤演化。

3. 煤与岩体相互作用机理在深部开采过程中，不同类型的岩石会相互作用，从而导致煤体的损伤和变形。

例如，煤与围岩之间的摩擦力会影响煤体的变形和裂纹扩展。

三、裂隙动态演化规律1. 裂隙扩展机理在深部开采过程中，应力场的变化会导致岩体内部出现裂纹和断裂带。

这些裂缝和断裂带会进一步加剧岩体的损伤演化，从而影响裂隙扩展机理。

2. 裂隙闭合机理当应力场发生变化时，岩层内部的孔隙压力也会发生变化。

这种压力变化会影响孔隙中气体和液体的运移与扩散规律，从而影响裂隙闭合机理。

3. 裂隙演化模拟方法利用数值模拟方法可以对深部开采过程中裂隙演化进行模拟和预测。

常用的数值模拟方法包括有限元法、离散元法等。

四、结论与展望通过对深部开采多场耦合含瓦斯煤宏细微损伤机理及裂隙动态演化规律的研究，可以更好地预测和控制深部开采过程中的安全风险。

未来，需要结合实际工程情况进一步完善相关理论和技术方法，为深部煤矿开采提供更加可靠的安全保障。

THMC多场耦合作用下岩石力学实验与数值模拟研究进展随着科技的不断发展，THMC（热-水-力-化学）多场耦合作用在岩石力学领域中的应用日益广泛。

THMC多场耦合作用是指热、水、力、化学等多种因素相互作用影响岩石力学性质的现象。

在岩石力学实验与数值模拟研究中，THMC多场耦合作用下的岩石力学性质成为研究的热点之一、本文将介绍THMC多场耦合作用下岩石力学实验与数值模拟研究的最新进展。

一、THMC多场耦合作用下岩石力学实验研究进展1.热-水-力-化学耦合实验平台的建立：近年来，越来越多的研究者开始搭建热-水-力-化学（THMC）耦合实验平台，用于研究岩石在多场耦合作用下的力学性质。

这些实验平台不仅可以控制温度、水分、应力等多个因素，还可以监测岩石的物理化学变化，为研究THMC多场耦合作用下的岩石力学性质提供了良好的实验条件。

2.THMC多场耦合作用下岩石强度实验研究：研究者通过实验方法，探讨了THMC多场耦合作用对岩石强度的影响。

实验结果表明，热-水-力-化学多场耦合作用可以显著影响岩石的强度和破坏模式，对岩石的稳定性和安全性产生重要影响。

3.THMC多场耦合作用下岩石渗透性实验研究：研究者还通过实验方法，研究了THMC多场耦合作用对岩石渗透性的影响。

实验结果表明，热-水-力-化学多场耦合作用会导致岩石渗透性的变化，进而影响地下水流动和岩石的稳定性。

1.基于离散元法的THMC多场耦合作用下岩石模拟：离散元法是一种用于模拟岩石颗粒间相互作用的方法，可以很好地模拟THMC多场耦合作用下岩石的行为。

研究者利用离散元法开展了大量的数值模拟研究，揭示了THMC多场耦合作用对岩石结构、力学性质和破坏模式的影响。

2.基于有限元法的THMC多场耦合作用下岩石模拟：有限元法是一种广泛应用于岩石力学领域的数值模拟方法，能够准确地描述THMC多场耦合作用下岩石的力学行为。

研究者对THMC多场耦合作用下的岩石进行了有限元分析，从而揭示了多场耦合作用对岩石应力、变形和破坏的影响规律。

多场耦合作用下煤岩损伤破坏特性研究进展煤岩体受到的外部载荷和环境因素的影响十分复杂，常常存在多种场的耦合作用。

多场耦合作用下的煤岩体不仅承受压力、温度等静态载荷的作用，还受到地震波、渗流等动态载荷的影响，这些作用会对煤岩体内部的损伤破坏特性产生显著影响。

首先是压力和温度的耦合作用。

随着深部煤矿开采深度的不断增加，煤岩体承受的地应力和矿山温度也随之增大。

在这种情况下，煤岩体内部会产生裂隙、变形等损伤，从而导致破坏。

一些研究表明，高应力和高温会显著影响煤岩体的破坏特性，使其呈现出更为脆性的特点。

其次是地震波和渗流的耦合作用。

地震波在地下传播时会对煤岩体产生动态载荷，从而引起煤岩体的震动和动态损伤。

地震波会引起周围水文环境的变化，导致地下水流、地表水流等渗流对煤岩体的影响。

这些作用在多场耦合作用下会对煤岩体的损伤破坏特性产生重要影响。

多场耦合作用下煤岩损伤破坏机理分析多场耦合作用下煤岩损伤破坏的机理是一个复杂的过程，不同场的耦合作用会相互影响，从而导致煤岩体内部的损伤破坏。

目前，学者们从微观和宏观两个层面对多场耦合作用下的煤岩损伤破坏机理进行了深入研究。

从微观层面看，多场耦合作用会引起煤岩体内部微结构的变化，从而影响其力学性质。

在高应力和高温条件下，煤岩体内部的微裂隙会逐渐扩展，增加其脆性；而地震波和渗流等动态载荷会对煤岩体的微观结构产生振动和变形，导致微裂隙扩展，从而加剧了煤岩体的损伤破坏。

从宏观层面看，多场耦合作用下的煤岩损伤破坏机理也表现为煤岩体整体力学性质的变化。

煤岩体在不同的场耦合作用下，会表现出不同的强度、变形特征等力学性质。

这些力学性质的变化反映了煤岩损伤破坏的机理，为煤岩损伤破坏特性的研究提供了重要的参考。

煤岩损伤破坏特性研究的发展趋势在多场耦合作用下煤岩损伤破坏特性的研究中，还存在许多问题有待解决。

未来的研究将呈现以下几个发展趋势。

开展多场耦合作用下煤岩损伤破坏的实验研究。

实验研究是研究多场耦合作用下煤岩损伤破坏特性的重要手段，可以为理论研究提供实验数据，并验证理论模型的准确性。

多场耦合条件下混合岩(土)体变形破坏机理与工程防灾技术多场耦合条件下混合岩（土）体是指由不同的岩石和土层组成，在地下工程中经常遇到。

这些混合体在地下工程中的变形和破坏机理受到多种因素的耦合作用，包括地下水、地应力、温度、岩土体特性等。

理解混合岩（土）体的变形破坏机理对工程设计和防灾技术的制定至关重要。

一.混合岩体的变形机理：1.地下水的影响：①饱和与非饱和区域：地下水的存在导致混合岩体中存在饱和区域和非饱和区域，两者的力学性质和变形行为不同。

②季节性变水位：季节性水位变化会导致混合岩体中的孔隙水压变化，从而影响岩土体的有效应力状态。

2.地应力的影响：①地下深度：地应力随深度增加而增大，深埋的混合岩体受到的地应力较大，可能引起岩土体的弯曲和屈服。

②多层次压力：混合岩体中存在不同地层，地应力的分布可能导致不同层次之间的相互影响。

3.温度的影响：季节性温度变化引起的热胀冷缩效应可能导致混合岩体中的温度应力，影响其变形和稳定性。

4.岩土体特性的影响：①岩土体强度：不同岩土体的强度差异会导致混合岩体中的局部破坏和滑动。

②岩土体变形模量：不同岩土体的变形模量差异可能引起变形的集中和不均匀分布。

二．工程防灾技术：1.地下工程设计：①合理布置排水系统：针对地下水的影响，合理设计和布置排水系统，降低季节性水位变化对混合岩体的影响。

②考虑地下应力状态：在设计中充分考虑地下应力的分布和变化，采用合适的支护结构。

2.地下工程施工：①合理的开挖顺序：根据混合岩体的性质和地下条件，制定合理的开挖顺序，减小地下应力的改变。

②监测与调整：在施工过程中进行实时监测，及时调整工程方案，以应对混合岩体变形的风险。

3.防灾技术：①灾害评估：利用先进的岩土工程技术进行混合岩体的灾害评估，了解可能的灾害类型和程度。

②监测体系：建立完善的监测体系，包括地下水位监测、地应力监测、温度监测等，实时监测混合岩体的变形和破坏情况。

③预警与紧急处理：根据监测结果建立预警机制，一旦发现异常情况，采取紧急处理措施，保障工程和周边环境的安全。

寒区岩体低温、冻融损伤力学特性及多场耦合研究共3篇寒区岩体低温、冻融损伤力学特性及多场耦合研究1岩石是地球构造的基本物质之一，岩体力学特性是岩石工程设计和岩石资源勘探开发的重要基础。

在寒区岩体中，低温和冻融往往是导致岩体损伤的主要原因，同时，在多场耦合作用下，岩体的力学特性更加复杂和多变。

因此，研究岩体低温、冻融损伤力学特性及多场耦合，对于理解岩石体力学特性，预测岩体变形和破坏，提高岩石工程安全性具有重要意义。

一、寒区岩体低温力学特性低温对于岩体机械强度和变形特性具有重要影响。

低温下，岩体弹性模量、抗拉强度、抗压强度、抗剪强度均会降低。

实验研究表明，在低温环境下，岩石抗拉强度和抗压强度的变化率随温度的下降而增加，同时也受到冻胀破坏的影响。

岩石的抗剪强度和剪切模量在低温环境下降低，主要是因为岩石的内部缺陷会扩张。

低温下，岩石的内部孔隙率和开裂率增加，岩体的脆性特性增强。

二、寒区岩体冻融损伤力学特性冻融是一种导致岩体损伤的重要因素。

冻融循环过程中，岩石中的水分因温度变化而产生膨胀和收缩。

当冻融循环次数增加时，岩石中的岩屑、空隙和裂纹随之增加，导致岩体强度、弹性模量和抗剪强度降低、粘聚力下降、损伤加速。

此外，当冻融循环过程中，水从岩石内部流出时，会带走岩石表面的颗粒，加剧了岩体表面的磨损和劣化。

冻融损伤导致了寒区岩体的脆化和破裂性能变差，对寒区岩体工程设计和建设产生了很大的影响。

三、多场耦合作用下的寒区岩体力学特性寒区岩体在多场耦合作用下，其力学特性呈现出更加复杂的变化规律。

多场耦合主要包括温度、应力、水压力、溶质反应等。

温度变化会导致岩体内部裂隙的产生和扩张，加剧了岩体的脆性破坏；应力变化会使岩体发生塑性变形，产生颗粒流动和岩屑剥落现象；水压力的变化会导致冻融循环次数的增加和岩体内部的水分移动，加速了岩体的损伤和劣化；溶质反应则影响了岩体中水溶质的浓度和物理化学性质，加速了岩体的化学风化和劣化。

多场耦合导致寒区岩体的力学特性更加难以预测和分析，需要运用更加综合的分析方法和模型。