《Processes》：Study on a Method for Identifying Particles Causing High-Speed Fluid Wear Based on Multi-Source Information Fusion
编辑推荐：
随着中国深部煤炭开采的推进，高地应力频繁导致严重底板变形、锚杆-锚索支护失效以及过度底鼓，这些对矿井安全构成严重威胁。在本研究中，研究人员（研究人员）利用物理实验、数值模拟和理论分析，探讨不同方位角的水力裂缝如何影响底板动压巷道中的应力传递。预制裂缝模拟水力压
随着中国深部煤炭开采的推进，高地应力频繁导致严重底板变形、锚杆-锚索支护失效以及过度底鼓，这些对矿井安全构成严重威胁。在本研究中，研究人员（研究人员）利用物理实验、数值模拟和理论分析，探讨不同方位角的水力裂缝如何影响底板动压巷道中的应力传递。预制裂缝模拟水力压裂产生的弱面。单轴压缩试验和PFC2D流固耦合模拟分析了力学性质、破坏模式、声发射行为和应力分布。结果表明，裂缝方位角显著控制岩石损伤和破坏模式。随着角度从0°增加到90°，破坏从渐进退化转变为突然失稳。峰值强度先减小后增大，在22.5°时达到最小，而巷道损伤在45°时最小。小角度裂缝导致剪切破坏且具有明显前兆，大角度裂缝引起突然拉伸破坏。水力裂缝形成定向应力卸压区，并实现有效的应力转移和卸压。研究结果为深部底板动压巷道水力压裂参数优化和稳定性控制提供了支撑。
**论文解读：裂缝方位角对深部底板动压巷道水力压裂卸压效应的系统研究**
**研究背景、问题与意义**
随着中国浅部煤炭资源逐渐枯竭，煤矿开采以每年10至25米的速度向深部转移，深部开采已成为常态。深部开采面临高地应力、强烈动压和显著岩石变形等突出问题，严重威胁巷道稳定性和安全生产。为满足安全开采需求，大量巷道（如主运输巷、排水巷、瓦斯抽采巷）常布置在煤层底板中。深部开采产生的高应力极易通过底板岩层传递至下部巷道，引发围岩大变形、锚杆-锚索支护失效及严重底鼓。因此，优化底板巷道的高应力状态、寻找可行的卸压措施对保障煤矿安全具有重要工程意义。
传统的人工卸压技术（如卸压钻孔、爆破、卸压巷和应力释放槽）虽然有一定效果，但存在现场施工工作量大、卸压性能不理想等缺点，且随着采矿条件和应力环境日趋复杂，其适用性和有效性严重受限。水力压裂作为一种新兴卸压技术，通过高压注水压裂和软化岩体，降低岩石强度并破坏岩体完整性，相比爆破卸压具有扰动小、施工要求低、安全性高等优势，近年来被广泛应用于围岩控制。然而，现有研究主要集中在硬顶板水力裂缝扩展切断应力传递的卸压机制上，对于通过水力压裂弱化岩层强度来实现应力转移和卸压的研究仍处于初期阶段，缺乏系统、科学、合理的理论框架。此外，不同裂缝方位角对底板动压巷道的定向控制效应、应力传递差异、岩石破坏演化及声发射前兆特征的系统研究尚属空白，最优卸压角度及角度依赖的定向应力释放力学机制尚不明确。针对这些空白，本研究系统探究了不同方位角裂缝的卸压性能，明确了底板巷道稳定性控制的最优水力压裂角度，揭示了裂缝方位角、定向应力传递与巷道稳定性之间的耦合关系，为深部底板巷道水力压裂参数优化提供了科学参考。
**主要关键技术与方法**
研究人员采用物理实验、数值模拟与理论分析相结合的方法。物理实验中制备含预制裂缝（模拟水力裂缝）和方孔（模拟底板巷道）的类岩石试件，进行单轴压缩试验，并利用声发射（Acoustic Emission, AE）系统、应力监测系统和图像采集系统同步采集数据。数值模拟方面，运用PFC
2D颗粒流软件及其流固耦合算法，模拟不同方位角水力裂缝在加载下的扩展行为及其对底板巷道围岩应力场分布的影响，并通过与物理实验结果对比校准细观力学参数。
**研究结果**
（1）**应力-应变曲线特征**
随着裂缝方位角从0°增大到90°，预制裂缝试件的峰值应变先减小后增大，在45°时达最小；抗压强度先降低后升高，22.5°时强度最低，90°时最高；弹性模量先增大后减小，45°时最大。低角度裂缝（0~22.5°）在加载下易发生剪切滑移，显著削弱岩石承载能力；高角度裂缝（67.5~90°）抑制剪切损伤，完整岩体保留较高承载性能，强度逐渐恢复。
（2）**起裂与破坏模式**
完整试件破坏以巷道为中心，裂缝优先在巷道周围起裂并迅速扩展。含预制裂缝试件中，随裂缝方位角从0°增大到90°，起裂时间从弹性阶段向塑性阶段过渡，起裂位置从试件内部转向预制裂缝尖端再返回内部，巷道变形损伤程度先减小后增大，45°时巷道几乎无损。低角度裂缝（0~22.5°）主导剪切破坏，裂缝发生缓慢剪切滑移和渐进损伤；高角度裂缝（67.5~90°）主导拉伸破坏，在低轴压下快速起裂扩展，引发突发性岩体失稳；45°裂缝匹配岩石在单轴压缩下的最优剪切破坏角，能优先承受、分流和耗散底板传递的集中应力，形成稳定的定向应力卸压区，有效拦截高动压应力并转移至裂缝损伤区，避免早期拉伸失稳和后期二次应力集中，实现底板巷道最优卸压效果。
（3）**声发射演化规律**
随着裂缝方位角增大，岩石损伤演化从渐进式向突发式转变。低角度裂缝（0~22.5°）以剪切应力为主，具有较长的平静期和稳定裂纹扩展阶段，破坏前兆明显；中角度裂缝（45°）呈现复合断裂特征，声发射活跃期能量释放稳定；高角度裂缝（67.5~90°）以拉伸应力为主，平静期显著缩短甚至消失，裂纹快速贯通且能量释放剧烈，破坏突然且缺乏明显前兆。
（4）**应力分布规律**
在压实和弹性阶段，22.5°至45°的中低角度裂缝能在巷道周围形成稳定的应力降低区，应力转移程度高；进入塑性阶段后，高角度裂缝容易快速贯通并引发巷道周围的二次应力集中；而45°裂缝能持续维持良好的卸压和应力控制性能。具体而言，低角度裂缝（0°）在压实阶段裂缝尖端扩展，中间部分最大主应力增加；22.5°、45°、67.5°和90°裂缝在压实阶段沿走向进一步扩展，形成以裂缝为中心的椭圆形应力集中区，裂缝尖端也出现椭圆形应力升高区，且巷道周围最大主应力有一定程度降低。弹性阶段，0°、22.5°、45°、67.5°裂缝在垂直于裂缝走向方向形成以裂缝为中心的应力降低区，90°裂缝则出现应力集中区。塑性阶段，0°、22.5°、45°裂缝在巷道周围形成小椭圆形应力降低区，67.5°和90°裂缝则与巷道贯通，产生应力降低区与集中区共同分布。
**总结讨论与研究结论**
讨论部分指出，人工裂缝的不同方位角能改变底板岩体的固有应力传递路径，产生定向应力分流和屏蔽效应。中低角度裂缝（22.5~45°）可在整个加载过程中将高应力稳定地转移并耗散到远离巷道的位置，形成持续卸压区；高角度裂缝仅在早期实现瞬时应力调整，易在塑性阶段诱发二次应力集中，削弱卸压效果。45°裂缝实现了最优的定向应力传递行为和最佳的巷道卸压效果。
研究结论翻译如下：
（1）随着裂缝方位角从0°增大到90°，试件单轴抗压强度先降低后升高，22.5°裂缝引起岩体强度退化最严重，抗压强度最小；峰值应变先减小后增大，弹性模量先增大后减小；45°裂缝试件表现出最显著的脆性特征。
（2）破坏模式随裂缝方位角变化，45°被确定为底板巷道最优卸压角度。低角度裂缝（0°、22.5°）以剪切破坏为主，巷道围岩应力和变形轻微；45°裂缝呈现复合断裂特征，裂缝区应力较高但巷道变形破坏轻微；高角度裂缝（67.5°、90°）以拉伸破坏为主，导致巷道底鼓和帮部损伤加剧。
（3）低角度裂缝试件损伤渐进发展，伴随较长的声发射平静期，能量在失稳前突然释放；45°裂缝试件声发射活动相对均匀，无突然能量释放；高角度裂缝试件无明显平静期，弹性能在早期剧烈释放，裂纹快速贯通。
（4）在压实和弹性阶段，22.5°至45°的中低角度裂缝可在巷道周围形成稳定的应力降低区，应力转移程度高；进入塑性阶段后，高角度裂缝易快速贯通并引发巷道周围二次应力集中；而45°裂缝能持续维持良好的卸压和应力控制性能。工程实践中，底板巷道水力压裂宜优先选择45°裂缝方位角，以获得稳定的应力转移和最小巷道损伤；低角度裂缝（0~22.5°）适用于轻度动压条件，高角度裂缝（67.5~90°）因其突发破坏特性和较差的卸压稳定性而不推荐使用。
