水岩作用下煤岩受载细观劣化损伤机理的显微CT研究

本研究将通过现场调查、实验室实验、理论建模和数值模拟等手段，系统研究不同类型煤岩在水岩作用和载荷作用叠加效应下内部细观结构劣化损伤机理及演化规律，构建基于微裂纹三维拓扑形貌的水岩作用煤岩多场耦合损伤演化本构模型；综合应用显微CT、疲劳SEM、同步辐射小角散射（SASX）等先进的集宏、细、微观于一体的测试技术，构建煤岩多级孔隙、裂隙精细化度量模型，探讨水岩作用中物理-化学-力学耦合作用下煤岩材料内部结构演化特征与宏细观力学响应；利用基于CT数据的逆向化建模方法，应用所建立水岩作用煤岩损伤演化本构模型，系统地研究煤岩多场耦合条件下变形破坏特征，结合煤层注水等工程实际，探索工程尺度水岩作用效果的评价方法，为煤炭资源安全高效开采提供理论和实验基础。

掌握在开采所引起的复杂加载状态下浸润煤岩体损伤破断规律及变形特征，不仅是煤炭企业在煤层注水等技术手段提升和改良中需要解决的核心科学问题，也是岩石力学与采矿工程界的研究热点之一。课题组通过现场调查、实验室实验、理论建模和数值模拟等手段，对全国60个煤矿工作面冲击倾向性矿井进行现场取样；对不同冲击倾向性煤岩样，进行了物理力学参数与冲击倾向性关系分析、吸水性和含水率与冲击倾向性关系研究、冲击倾向性煤体的宏细观力学特性研究、冲击倾向性煤动态拉破坏特征、煤岩失稳破坏全过程的多参量监测；进行了水岩作用前后煤岩表面、内部微细观结构劣化特征的实验研究；水岩作用下煤岩受载微裂隙演化显微CT观测及断裂力学机制分析和基于显微CT数据与逆向化建模技术的水岩作用煤岩受载破断模拟研究等。在建立水岩作用下多级孔隙、裂隙结构的精细化度量分析方法；水岩作用和载荷叠加效应下煤岩内微细观损伤演化的宏观力学响应机制；基于显微CT三维重建结果的煤岩多场耦合作用劣化过程的数值模拟方法；煤冲击倾向性与细观结构的耦合关系及判别准则等方面取得了一系列创新性的研究成果。. 研究成果不仅在理论上针对水岩作用下煤岩受载破坏的响应问题进行了探讨，获得了饱水和干燥煤岩受动态和准静态载荷作用下的损伤破坏特征和规律；还建立了与工业CT扫描配套的力学试验系统；形成了独具特色的与微焦点CT扫描并行的单轴加卸载、三轴渗流温控加卸载实验系统及控制软件等；并结合现场工程问题开展了具体的应用研究，为煤矿井下动力灾害的防治工作提供参考。. 四年来，课题组共发表学术论文40篇，其中SCI收录7篇（1篇在地学权威期刊JGR上发表），EI收录28篇，1篇论文获得F5000中国精品科技期刊顶尖学术论文奖；出版专著2部；1人获得中国高校矿业石油与安全工程领域优秀青年科技人才奖，1人获得2014年中国岩石力学与工程学会优秀博士学位论文奖；获得教育部高等学校科学研究优秀成果奖技术发明二等奖1项，国家安全生产科技成果奖二等奖1项，中国岩石力学与工程学会科学技术奖二等奖1项，中国煤炭工业协会二等奖1项、三等奖4项；联合培养博士研究生2名，硕士研究生18名，申请专利12项，其中发明专利11项（5项获授权），实用新型专利1项（已获授权）；获得软件著作权1项；课题组骨干成员参加国内外学术交流会议10人次，特邀报告4人次。