[发明专利]一种分析工程扰动影响下煤岩强度劣化耦合特征的方法

说明书

本发明公开了一种分析工程扰动影响下煤岩强度劣化耦合特征的方法，包括以下步骤：(1)改造压力机使其与X射线机配套使用并能输出多种类型载荷；(2)动态实时获取在不同工程扰动环境影响下裂隙岩体内部裂隙的演化过程的DR扫描图像；(3)二值化处理DR扫描图像；(4)给出采样区域的垂直地应力与水平主应力的数值；(5)构建应力‑裂隙‑渗流作用下煤岩强度耦合特征计算模型，并将裂隙数据以及采样区域的垂直地应力、水平主应力融入计算模型，完成耦合模型的构建。本发明的有益之处在于：在考虑工程扰动影响的情况下，能够准确、实时、动态分析多场耦合作用(应力场‑裂隙场‑渗流场)下煤岩体强度劣化耦合特征。

技术领域

本发明涉及一种分析煤岩强度劣化耦合特征的方法，具体涉及一种分析工程扰动影响下煤岩强度劣化耦合特征的方法，属于矿业工程技术领域。

背景技术

天然岩体中存在大量原生裂隙、孔隙，这些结构缺陷在地应力的作用下成为应力集中-释放区域，不仅大幅降低工程岩体的稳定性，也严重影响岩体的渗透特性。裂隙煤岩的渗流场受区域地应力环境的影响很大，而渗流场的改变反过来又对地应力场产生作用。因此，“应力-渗流”耦合作用是裂隙煤岩力学中一个重要的特征。

已有研究表明：在力学领域，水-岩体相互作用为“流固耦合作用”，研究水-岩体相互作用的多场耦合理论模型与数值模拟方法等为主要研究内容之一，主要代表性学者有Oda、唐春安、仵彦卿、王媛等；在地球科学领域，水-岩体相互作用主要涉及水对岩体物理力学性质、破裂特性等方面的研究，代表性学者有冯夏庭、黄润秋、唐辉明、汤连生等。

现有的研究成果主要集中在岩体水力学的流固耦合模型和水-岩体相互作用的力学性能及水物理化学作用对力学性质的影响。而针对我国西北生态脆弱区特定地质条件与生态地质环境下区域生态-水-岩体空间赋存结构特征、水-岩体相互作用下区域地应力特征-结构-渗透性变化规律及采矿诱发的动态响应机制，则研究成果还相对较少，有待进一步深入研究。

此外，针对裂隙煤岩中裂隙场的动态获取技术的研究较少，现有技术较少实现实时采集裂隙场数据，且现有裂隙煤岩的强度劣化特证研究多无法将应力场、裂隙场、渗流场完全耦合分析，多是裂隙场演化条件下分析裂隙煤岩渗流规律，而忽略应力场与其它物理-力学场间的互相作用。

现有的研究主要聚焦基础理论研究，并未涉及裂隙煤岩强度劣化对环境，尤其是西部生态脆弱区煤炭高强度开采下水资源保护等问题。

乌鲁木齐矿区赋存着大量的急倾斜特厚煤层，工作面上采动覆层中多存在由季节性水源(如冬季积雪融化)所形成的承压水体。“裂隙-渗流”耦合作用下煤岩体结构性畸变致诱岩体强度劣化，导致采动覆层中形成宏观裂隙网络，为承压水体向工作面运移提供流动通道，特别是承压水体渗流过程中常携带大量泥土、沙石，造成工作面突水溃沙现象时有发生。此外，岩体在经过较长时间水体浸泡后，其力学性能急剧劣化，采动覆层出现大尺度突发性断裂，大体积冒落和大面积片帮频发并诱发冲击地压，更甚出现井下泥石流等动力灾害，对工作面安全生产带来巨大隐患。

乌鲁木齐矿区地质力学环境极其复杂，矿区内急倾斜煤层的地层赋存环境在世界范围内都极具特殊性，区域地质力学特征以强挤压应力为主，“应力-裂隙”耦合作用的存在进一步增加煤岩体的强度劣化程度。此外，采用连续介质的方法求解煤岩体渗流相关问题时，裂隙宽度的微小改变将引起裂隙渗流量的巨大变化，而裂隙隙宽受裂隙面上的应力控制，所以通过裂隙面的渗流量与应力环境紧密相关。另一方面，渗流水压也可以影响裂隙面上的有效应力。

综上分析可知，为准确分析岩体裂隙中的渗流问题，在进行岩体渗流研究时应考虑岩体结构、应力与渗流相互耦合(多场耦合条件)作用下煤岩体强度劣化时空演化机理，揭示多场耦合作用下裂隙煤岩强度劣化机理具有重要的现实意义。

现有的矿山岩石力学大多建立在标准化岩石全应力-应变力学实验基础上，从准静态的研究视角出发，获得的煤岩体基本力学性质及宏观强度参量，受限于实验条件，考虑工程扰动应力环境影响的煤岩体强度劣化演化研究较少。