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基于应力松弛效应的黏弹性煤层地应力分布模型及在突出煤层中的应用
地应力是控制煤矿瓦斯动力灾害的核心因素，现有地应力模型主要基于弹性煤岩体属性而建立，而对于黏弹性煤层介质不适用，需要建立适合煤层属性的地应力分布模型。煤层尤其是构造煤呈现显著的蠕变和应力松弛特性，基于此，构建了黏弹性煤层分数阶麦克斯韦应力松弛数学模型，对扩展伊顿模型中构造应力项改进为黏弹性煤层的应力松弛项，建立了黏弹性煤层地应力分布模型。
结果表明，在地质时间尺度内，煤层黏弹性对差应力有显著影响，煤体蠕变和应力松弛程度随黏性系数和分数阶因子的增加而增加；并随弹性模量下降，泊松比、构造比及瓦斯压力增加，煤层应力特征表现为静水压力状态分布趋势，其中弹性模量和泊松比对垂直主应力与水平应力之间差异贡献较大，构造比对水平应力之间差异贡献较大，瓦斯压力对3个主应力贡献相等，应力松弛效应可改变最大、最小水平主应力相对大小及降低应力各向异性。基于临界应力模型，在不同地应力状态下同样获得了摩擦因数降低及瓦斯压力升高的煤层趋近静水压力分布。构造煤力学属性更有利于在地质时间尺度中趋向于静水压力状态。运用地应力模型验证了现场实测结果，并对构造煤瓦斯富集和渗透率降低提出了新的认识。
图 1 构造煤宏观流变和微观流变特征
图 2 煤的瞬时力学和蠕变力学特性示意
图 3 麦克斯韦、开尔文、分数阶麦克斯韦、分数阶开尔文模型示意
图 4 构造煤和原生结构煤分数阶麦克斯韦模型蠕变变形量随时间变化及与实验数据对比
图 5 构造煤和原生结构煤分数阶麦克斯韦模型蠕变速率随时间变化
图 6 多级恒定应变条件下煤的应力松弛实验
图 7 分数阶麦克斯韦模型的松弛模量随时间演化
图 8 正断层应力场、走滑断层应力场及逆断层应力场环境下的岩层和煤层地应力分布演化 (垂直主应力为 14.2～14.4 MPa)
图 9 弹性 EE 模型和黏弹性 FM 模型预测煤层差应力
图 10 构造煤拉张微裂缝和剪切微裂缝分布
图 11 2 种瓦斯压力和 3 种摩擦因数不同组合的应力多边形
李伟，男，1983年6月生，河南睢县人，现任中国矿业大学教授，博士生导师，煤矿瓦斯治理国家工程研究中心副主任。主持国家自然科学基金项目4项，获省部级科技奖励5项，发表学术论文40余篇。
研究方向
煤矿瓦斯防治、煤与瓦斯突出机理
主要成果
专注于煤矿瓦斯突出灾害防控基础与技术研究。研究了构造煤细观结构和力学特征，揭示了构造煤对瓦斯圈闭机制、强耗散特性和能量的转化特征。开展了对煤岩系统应力场的研究，揭示了断层破碎带对应力主轴的转向作用和典型构造煤层的静水压力状态，厘清了对构造煤层原始应力状态认识不清的现状。并在此基础上，研发了基于瓦斯-应力-煤岩损伤的多元参数煤与瓦斯突出监测预警系统，提出了基于煤岩系统的煤与瓦斯突出防治技术。
来源：
李伟，邓东，郭敬杰，等. 基于应力松弛效应的黏弹性煤层地应力分布模型及在突出煤层中的应用[J]. 煤炭学报，2024，49(3):1447−1462.
