循环加卸载路径下不同含瓦斯煤渗流及损伤演化特征

循环载荷广泛存在于采矿活动中并对煤岩的强度、损伤及渗透性质产生较大影响,例如煤层群开采多重保护工程中,被保护层煤岩就受到循环加卸载作用,并显著改变了煤岩的力学及渗流特性;瓦斯对煤的力学性质及能量耗散特征也具有显著的影响,不同加卸载路径下煤岩力学及渗流特性与常规加载下的性质存在显著差异,因而有必要研究循环加卸载条件下不同含瓦斯煤的渗流及损伤演化特征。根据煤层群开采条件下被保护层应力状态实时监测的相似模拟实验结果,设计了3种简化的循环加卸载应力路径,即阶梯循环加卸载、逐级增大循环加卸载和交叉循环加卸载,采用重庆大学自主研发的含瓦斯煤流固耦合三轴渗流实验装置对取自平顶山十矿和袁庄煤矿的煤样进行了瓦斯渗流试验。结果表明:在3种循环加卸路径中,2种煤样的渗透率变化与轴向应力应变曲线具有显著的一致性,循环加卸载作用下,煤样渗透率随着应力的增大和循环次数的增加呈减小趋势;应力卸载和加载对渗透率的影响不同;渗透率受到应力和损伤累积的双重影响。相同应力水平下,煤样经过卸载-加载过程后的渗透率有降低趋势,相对恢复率随着循环次数的增加而先降低后增大,只有应力超过煤样的屈服阶段后才能使渗透率增大。主要结论为:①3种循环加卸载路径下煤样在加载阶段的增透率随应力增大和循环次数的增加都可以分为3个阶段且呈增长趋势,单位体积变化引起的渗透率增加在变大,循环荷载的增透效果随着循环次数的增加而增强。②随着峰值应力的增大和煤样中损伤的累积,渗透率对应力的敏感性逐渐降低。随着荷载的施加,应力卸载对渗透率的影响先增强后减弱。③通过计算各循环阶段的加卸载响应比得到了煤样损伤变量的演化规律,通过回归分析可知损伤变量与轴向应力之间的关系可以用Boltzmann函数表征,该函数可以作为损伤的经验公式对实验中煤样的损伤进行预测计算。④循环加卸载对煤样渗透率及损伤的作用受煤种不同的影响不明显。研究结果为深入揭示多重保护下煤层增透机制和基于循环荷载致裂(重复水力压裂等)的煤层强化增透机制及瓦斯抽采工程设计提供理论支撑。     

塑性流动下砂岩渗透率演化试验研究

为了研究剪切屈服后煤层顶板岩体在开采过程中渗透率的演化规律,进行了不同轴向应变下的围压循环加卸载渗透试验。当达到峰后轴向应力的90%时开始循环加卸载围压,分析剪切屈服后砂岩渗透率随围压、轴向应变的变化规律。结果表明:(1)随着围压、轴向应变的增大,砂岩的渗透率均呈现降低趋势;(2)随循环次数的增多,围压对渗透率的影响越来越小,渗透率恢复率升高;(3)随着轴向应变的增大,砂岩产生的塑性变形越大,由此围压对渗透率的影响减小,渗透率恢复到初始值的能力降低。最终得到剪切屈服后围压和渗透率的理论关系式,为预测巷道开挖过程中的涌水量提供一定的参考。     

不同形式载荷煤体渗透率及其损伤试验研究

通过试验测定煤体分别在不同轴压和围压加、卸载状态下的渗透率,并对试验结果进行拟合.结果表明,在加、卸载过程中,煤体渗透率随轴压呈负幂函数规律减小,随围压呈负指数规律减小;渗透率随围压的变化幅度远大于轴压,围压卸载后煤体渗透率恢复程度远小于轴压;轴压和围压加、卸压过程煤体渗透率不可逆,出现渗透率损伤.     

加卸载应力条件下原煤力学与渗透特性的实验研究

以川煤集团芙蓉公司某煤矿C1煤层的煤样为研究对象,利用煤岩热流固耦合三轴伺服渗流实验装置(THM-2),进行加卸载应力条件下原煤力学及渗透特性实验。研究结果表明:同一加卸载控制点下,原煤破坏时的体应变随加卸载速率比的增大而减小,破坏时的径向应变和轴向应变随加卸载速率比的增大而增大,随加卸载速率比增大,原煤破坏形态逐渐由多宏观断裂面向单一宏观断裂面发展。同一加卸载速率比下,原煤强度随加卸载控制点的增大而增大,原煤的破坏角随加卸载控制点的增大而减小。原煤在加卸载应力条件下,随着加卸载速率比增大,屈服阶段的渗透率响应变化量呈线性关系降低,加卸载控制点到原煤产生渗透率变化的应变响应变化量呈线性关系增大。     

循环加卸载下饱和类岩石材料能量演化和损伤特性分析

为了研究循环荷载作用下饱水岩石的能量演化和损伤特性,利用水泥砂浆材料开展分等级循环加卸载试验和等荷载幅值循环加卸载试验,对比分析饱和类岩石材料在不同循环加卸载方式下的弹塑性应变、弹性模量、能量密度、损伤变量随循环次数的变化规律.结果表明:两种循环加卸载作用下,饱和类岩石材料的初始循环残余塑性应变均较大,分别占总残余塑性应变的６１％和７６％;分等级循环加卸载作用下,弹性模量随循环等级的升高先增大后逐渐减小,输入能密度和弹性能密度随循环等级的增加不断增大,耗散能密度先减小后逐渐增大,耗能比曲线呈现出“勺”形演化特征;等荷载幅值循环荷载作用下,弹性模量随循环次数先增大后缓慢降低,３种能量密度在损伤稳定发展阶段基本保持定值,材料破坏阶段耗能比迅速增大;基于耗散能定义的损伤变量,分等级循环荷载作用下,随循环等级的增加损伤变量变化曲线呈“上凹”形上升;等荷载幅值循环荷载作用下,损伤变量随循环次数的增加呈线性增长,且累积总应变能是分等级循环加卸载的３４．５倍,损伤破坏程度更大.     

循环加卸载下煤岩变形特征试验研究

岩石变形特征与所受的应力状态以及加载历史密切相关。不同围压下控制轴向应变和控制环向应变的煤岩循环加卸载压缩试验表明:煤岩在循环加卸载过程中应力与应变不再是一一对应的关系,加载曲线与卸载曲线形成封闭的塑性滞回环;在变围压加卸载循环过程中,随着围压的增大,煤岩逐渐表现为线弹性性质;煤岩在反复加卸载过程中,其弹性模量几乎保持不变,而塑性应变却发生较大的变化;且随着循环次数增加,残余变形逐渐变小,泊松比逐渐变大。     

循环加卸载下花岗岩能量演化及分配规律

为探究岩石损伤破坏过程中的能量演化及分配规律,以焦家矿区花岗岩为研究对象,利用ZTR-276三轴应力试验系统进行三轴循环加卸载试验,。研究结果表明：循环加卸载试验过程中,花岗岩的应力峰值和轴向应变量随着围压增加逐渐增大,表现出明显的围压效应;循环加卸载试验下,总能量密度,弹性能密度和耗散能密度在峰前阶段均与轴向应变呈正相关关系;随着围压增大,岩石储能效率增加,最大弹性能占比增大,最大耗散能占比却随着围压的增大而降低。研究结果可为循环扰动条件下深部巷道围岩损伤破坏失稳提供理论指导意义。     

三轴循环加卸载下煤岩损伤的能量机制分析

由于煤岩的变形破坏是一个十分复杂的损伤演化过程,因此有必要深入研究各种加载模式下煤岩损伤演化过程的能量转化机制。通过岩石三轴循环加卸载试验,分析了不同围压作用下煤岩的损伤演化行为。实验研究表明,在循环加卸载情况下,煤岩表现出明显的循环滞后环,且随应力的增大煤岩的损伤耗散能增大。在低围压下及单轴压缩下,煤岩的弹性模量随循环应力增大而下降,但在高围压下煤岩的弹性模量没有随循环应力增大而下降。这表明围压的作用引起了煤岩损伤机制的变化。为此给出了基于能量分析的损伤变量定义及其演化规律,克服了传统的基于弹性模量定义的损伤变量的不足,可以较好地描述不同围压作用下的煤岩损伤演化程度。     

含瓦斯煤渗透率对轴向循环荷载响应特征的试验研究

利用自行研制改造的含瓦斯煤热流固耦合三轴渗流实验装置,以典型豫西"三软"构造煤原煤样为研究对象,轴向等应力循环加卸载作用下含瓦斯构造煤渗透率的影响。结果表明:煤样渗透率在轴向应力加载过程中减小,卸载过程中增大,渗透率与轴向应力在加卸载过程中符合负指数函数分布;渗透率无因次量与有效应力关系表明,渗透率无因次量对有效应力较为敏感,有效应力变大,渗透率无因次量降低速率变大,有效应力减小,渗透率无因次量会有所恢复;循环加载过程中,渗透率对于首次加载敏感性较强,渗透率损失较大。卸载过程中,渗透率恢复不到初始值。同时,循环加卸载过程使煤样塑性变形进一步增加,也使得渗透率对于有效应力的敏感度降低。     

循环载荷作用下煤体渗透率演化的实验分析

多期次载荷作用下的煤体,其孔隙结构会发生复杂变化,渗透率也随之改变。然而,不同加卸载速率与循环周期决定着煤体渗透率变化路径,影响其应力敏感性,开展循环载荷控制下煤体渗透率演化规律研究,对于解释复杂应力场下煤层渗透率的各向异性特征有理论支撑作用。借助于煤层渗透率应力敏感模型分析,研究了影响煤体渗透率变化的关键表征参数及其函数关系;为验证关键参数对煤体渗透率影响,采用预定轴压和气压、加卸载围压的方式开展煤体三轴循环变载气体渗流实验,分析在不同围压(2.0～12.0 MPa)下煤体渗透率和体应变的演化规律;为研究煤体孔隙结构变化对渗透率的影响,通过低温氮气吸附实验和荧光显微镜煤样观测统计,完成了循环载荷加卸载前后煤体孔隙结构变化对比。研究结果表明,煤体加载/卸载过程中渗透率变化趋势与围压变化负相关,总体可以分为线性段、指数段和稳定段等3个阶段;随循环加载次数的增加煤体应变逐步增大,而渗透率却随之降低;相同条件下,煤体渗透率随体应变增加而升高,增幅在16.79%以上,而渗透率恢复率逐步降低,且与围压变化负相关;3次循环加卸载实验导致煤体孔隙结构发生了显著变化,微孔体积提高71.79%,比表面积增加52.19%,而平均孔径降低32.06%,但循环载荷没有改变煤体的最可几孔径;孔隙结构变化的数据表明,微孔体积增加是煤体渗透率劣化的重要标志之一。对比循环载荷作用前后的孔隙结构实验数据发现,影响气体吸附-解吸的孔隙结构变化,决定了"迟滞环"面积,而决定"迟滞环"形状的关键因素是由煤体最可几孔径控制的突变压力。另外,煤体应变包括裂隙体积变化和孔隙体积变化两部分,其中裂隙影响重要度指标(χ)反映了裂隙体积变化在煤体应变中的权重关系,χ变化随围压升高而降低。     

加卸载煤体损伤-渗透特性影响因素实验研究

深部煤层开采过程中,多重因素影响着煤体损伤-渗透特性.为揭示采动煤体损伤-渗透特性演化规律,开展了不同工程条件代表的恒围压加轴压(路径1)、恒轴压卸围压(路径2)和同时加轴压卸围压(路径3)3种力学路径下煤体损伤-渗透实验,分析加卸载方式、轴压加载速率、围压卸荷速率以及围压等因素对型煤煤体损伤-渗透特性的影响规律.结果...     

分阶段卸载条件下突出煤变形特征与渗流特性

为研究下保护层开采过程中采动应力作用下含瓦斯突出煤的渗流特性,利用自制的三轴渗流试验机,进行了恒定轴压卸围压、增大轴压卸围压、轴压围压同时卸载等3种不同加卸载条件下的分阶段卸围压煤样瓦斯渗流试验。试验结果表明:试验中煤样的变形具有明显的阶梯状特性,煤样未破坏时,应变增量随着围压卸载速率的增大而增大。随着围压的卸载,恒定轴压卸围压组和增大轴压卸围压组煤样的偏应力不断增大,其渗透率则呈现出先减小后增大的趋势,而轴压和围压同时卸载组煤样的渗透率则随着围压的卸载,呈现出不断增大的趋势。煤样体积应变变化量较大时,渗透率变化量也大。从能量的角度分析渗透率的变化,发现煤样渗透率均随能量耗散率的增大而呈指数增大。     

循环荷载下深部煤层工作面顶板砂岩的渗透率演化规律

随着技术的进步以及浅部矿产资源的枯竭,深部矿产资源开发与利用将成为常态。深部岩石的物理力学性质复杂,往往处于循环加卸载的应力条件。深部地下水的压力较大,是深部煤矿的重大安全隐患之一。顶板砂岩是工程最为常见的岩石种类之一,研究其力学性质及渗透规律对深部空间开发利用及矿产资源开采等都具有重要意义。以埋深约1 050 m的平煤12矿顶板砂岩为研究对象,采用循环加卸载声发射渗透实验对其渗透率演化规律进行研究。从应力-应变及损伤特征、耗散能密度占比、累计声发射事件数的增长速度、不同围压条件下的破裂面特征4个方面进行分析,总结了循环荷载下深部工作面顶板砂岩不同应力阶段的渗透率演化特征。实验结果表明:循环应力对深部顶板砂岩的作用可以分为压密作用与压裂作用2种机制,应力水平较低时主要起压密作用,应力水平增大到屈服强度的60%以上时则表现为压裂作用。岩样的渗透率在应力的压密作用下降低,在应力的压裂作用下升高。逐级增大的循环应力作用下,岩样的损伤以及耗散能密度占比均表现为先因压密作用减小,再由压裂作用而增大的演化规律,并且两者与渗透率演化呈正相关关系。整个实验过程中围压对岩样起压密作用,且随着围压的增大,渗透率减小的程度更大。顶板砂岩的破坏形式对破坏时的渗透率具有显著影响。岩样的破裂面角度随着围压增大而减小,岩样破坏时产生的贯通裂隙有轴向与横向2种形式,产生轴向贯通裂隙时的渗透率远大于岩样的初始渗透率,而产生横向贯通裂隙时的渗透率变化较小。综合5个岩样的渗透率演化情况,得到岩石渗透率在逐级增大的循环荷载下具有4个明显的阶段特征。渗透率在较低应力的循环中因压密作用减小;随着循环应力的增大,在压裂及损伤作用下增大;在应力达到岩样抗压强度发生破坏时因破裂面的产生骤增;破坏后因大幅下降的应力的压密作用再次降低。     

加卸载条件下煤岩变形特性与渗透特征的试验研究

以原煤为研究对象,利用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验系统,采用加轴压、卸围压的应力控制方式开展煤岩加卸载试验,分析加卸载条件下煤岩变形特性和渗透特征的演化规律。研究结果表明：① 加卸载试验峰值强度明显低于常规三轴压缩试验峰值强度,在加卸载过程中,主应力差有一个明显增加趋势,卸载第2阶段速率越大,其曲线斜率也越大,但峰值强度越小,对应的径向应变ε3 、体积应变εV增加速率也越快,而到峰值后破坏阶段,均呈下降趋势。② 加卸载过程中,煤岩渗透率、应力差与应变关系可以分为3个阶段,初始压密和屈服阶段、屈服后阶段、破坏失稳阶段。试件达到峰值后瓦斯渗透率出现突然小幅度上升,持续一段时间后,渗透率出现急剧陡增趋势。③ 煤岩渗透率的变化与煤岩的变形损伤演化过程密切相关,渗透率随变形的增大均呈二次多项式函数递增。     

分阶段卸荷过程中构造煤的力学特征及能量演化分析

采用恒定轴压以不同卸荷速率分阶段卸围压的方式,分别对初始围压不同的三组煤样进行卸荷试验,然后对比分析了构造煤常规三轴加载和分阶段卸荷试验的应力-应变曲线特征,并从能量演化的角度分析了分阶段卸荷过程中煤样的能量变化规律。试验结果表明,构造煤分阶段卸围压试验的力学强度和变形能力明显小于常规三轴加载试验。分阶段卸荷过程中构造煤的偏应力和应变变化均呈现明显的阶梯状。在卸荷段,围压对试件的变形起到了限制作用,围压越大,应变增量越小、卸荷段越多;卸荷速率通过改变围压卸荷量影响应变变化,但相同卸荷速率时,围压越大应变增量越小;在恒压段,试件的应变变化呈现蠕变特征,通过数据拟合得到了其叠加开尔文体的蠕变方程。分阶段卸围压过程中,围压卸荷诱发弹性应变能持续释放,煤样吸收的总能量不断增加,其转化的耗散能也不断增大;围压卸荷速率越大,弹性应变能释放越快,耗散能变化率也越大,煤样强度衰减也更快;并且相同卸荷速率条件下,围压越小弹性应变能变化率也较小。     

不同加载速率下煤岩采动力学响应及破坏机制

研究煤岩在不同加载模式与不同加载速率下采动力学响应及破坏机制对认清煤矿动力灾害本质具有指导意义。基于塔山煤样,先后设计与开展了单轴拉伸与压缩、常规三轴及采动力学试验。获得了不同加载模式下煤样的力学特征参量和变形破坏特性。进一步对比分析了常规三轴试验与采动力学试验煤样变形特征的差异。得到煤样破坏前吸收能量密度随着轴向加载速率的关系,揭示了应力偏量是造成试样破坏强度和吸收能量密度提高的原因,是破坏产生的本质原因,但其受控于围压的临界值,及煤样损伤发生具有的时间效应。建立了采动力学条件下考虑加卸载过程中材料损伤的煤岩黏弹性模型屈服准则,包含有效体积应力的影响、应力差的影响、轴向加载速率的影响及围压卸载速率的影响,新的黏弹性模型屈服准则可以很好地解释加卸载速率引起的材料屈服强度变化。