加载与卸载过程瓦斯抽采钻孔变形特征

抽采钻孔的稳定性影响到抽采工程效果的好坏。工作面回采过程中,由于支承压力随工作面推进的移动,采动影响范围内的抽采钻孔受到加载、卸载应力的作用。为得到加卸载条件下抽采钻孔变形及破坏规律,采用数值模拟的方法对不同应力变化速率下钻孔的破坏进行了计算,共设计10种计算方案,得到了不同加卸载应力变化速率下的钻孔塑性区分布范围及孔壁位移曲线。同时依据数值计算得到的卸载应力变化速率与孔壁变形相互关系,建立了考虑卸载应力变化速率的钻孔周边切应力计算模型。研究结果表明:加载过程中,加载速率对钻孔周边的破坏范围及孔壁位移不产生影响;卸载过程中,钻孔周边破坏范围与初始卸载应力及卸载速率相关,在进行抽采钻孔布置时需综合考虑钻孔的受载力学特征。     

含孔试样破坏过程的变形特征研究

为探究松软煤层瓦斯抽采钻孔破坏过程的变形特征,对含钻孔试样进行单轴压缩试验,并采用数字散斑相关测量方法(DSCM)观测裂隙的萌生、扩展和贯通全过程的时空演化过程,提取应变场特征点的变形参数,通过坐标转换公式,分析裂隙尖端的空间位置、起裂时间和扩展规律。结果表明：孔周上下端在第372s产生张拉微裂纹,第420s孔周左右侧处发生切向位移分离,几乎同时远端处产生拉伸破坏|继续加载,远端裂纹与左右侧裂纹连接贯通,形成宏观破坏裂纹|根据裂隙的时空演化特征,将其破坏过程划分为5个阶段,钻孔孔周上(下)端与远场左右端均发生拉伸裂隙,孔周左右侧产生剪切裂纹,其余部位裂隙均由拉伸应力与剪切应力共同作用|含钻孔试样破坏过程的变形特征与抽采钻孔增压区易发生纵向和环向裂隙密切相关,揭示了瓦斯抽采钻孔离层及复杂裂隙的本质,为研究瓦斯钻孔孔周裂纹扩展规律提供一定参考。     

含孔试样渐进性破坏的表面变形特征

瓦斯抽采钻孔孔周裂隙漏气是抽采失效的主要原因之一,孔周裂隙扩展在煤体破坏的过程中表现孕育、稳定扩展及迅速扩展3个阶段。为探究孔周裂纹在松软煤体不同破坏阶段的发展特征,开展含孔试样渐进性破坏过程中的孔周裂纹扩展规律研究。将石膏与水以质量比7∶3混合制成类软煤含孔方形试样,进行单轴压缩试验并采用数字散斑相关测量方法(DSCM)获取试样表面全场变形。基于此,提出了利用DSCM系统确定应力门槛值的方法,并将其用于含孔试样渐进性破坏过程的孔周变形精细化分析,利用该方法所确定的应力门槛值可将试样的破坏过程划分为5个阶段,通过提取与计算分析试样表面全场变形数据,得到在不同阶段内试样表面相对位移、以及孔周位移。结果表明:试样表面相对位移发展历经缓慢降低,加速降低以及迅速降低3个阶段,其中加速降低和迅速降低阶段与应力-应变曲线的裂纹稳定扩展和裂纹加速扩展对应;在压缩过程中,由于孔周对称移动造成孔周表面拉伸和压缩错动,最终在表面形成主拉伸裂纹和法向剪切裂纹。     

孔周煤岩体渐进性破坏过程裂隙和应变能演化特征北大核心

为探究瓦斯抽采钻孔孔周煤岩体渐进性破坏过程中裂隙和应变能演化特征,设计了完整试样和含孔试样,开展渐进性破坏试验;通过VIC-3D观测系统,获取试样表面变形情况,计算并分析试样表面裂隙动态演化过程,裂隙分布情况及应变能演化特征。研究结果表明:含孔试样抗压强度较低,且钻孔孔周产生较多裂隙,孔上下两侧变形严重,表明在实际钻孔施工过程中,煤岩体抗压强度会大幅下降,钻孔周围产生较多裂隙,从而造成钻孔破坏,甚至塌孔;渐进性破坏过程中,孔周煤岩体表面裂隙发生动态演化,其动态演化过程与加载应力呈对应关系,同时通过对比裂隙张开量和错动量演化特征,判定试样破坏的主要裂隙类型为张开、错动混合型裂隙;在渐进性破坏过程中,孔周煤岩体表面裂隙演化过程与局部化区域变形能密度累积保持对应关系,不同局部化区域的应变能密度演化特征不同,体现出孔周煤岩体在渐进性破坏过程中存在内部能量调整。     

不同加载速率对含孔试样变形特性影响研究

为研究瓦斯抽采钻孔的静态加载速率效应,以含预制贯穿孔试样为实验对象,开展不同加载速率的单轴压缩试验并采用数字图像技术分析了试样的力学特性和破坏演化规律.结果表明:加载速率的变化对含孔试样力学特性有较大影响:随加载速率增大,抗压强度、起裂应力水平和变形能密度均逐渐增加但增幅放缓,弹性模量呈现出先增大后减小的趋势.加载过程中拉伸裂纹尖端的几何形状不断改变,拉应力强度因子KΙ减小,拉伸裂纹经历"扩展-闭合-扩展",拉伸裂纹长度与加载速率呈现较强的指数函数关系,加载速率为0.5 mm/min时,拉伸长度达到最大为43.16 mm.含孔试样的破坏模式单一,呈中心对称;加载速率较小时,远场裂纹起裂位置距边缘较近,宏观裂纹以剪切破坏为主;加载速率较大时,宏观裂纹以拉伸破坏占主导地位,远场裂纹起裂位置距边缘较远.研究结果为揭示瓦斯抽采钻孔失稳的力学响应规律并阐述其演化过程提供一定的理论指导.     

稳压约束下钻孔倾角对煤体抗压强度影响 实验研究

顺层钻孔预抽煤层瓦斯是降低其含量的主要方法之一,为研究采动应力对本煤层不同倾角抽采钻孔稳定性的影响,开展了稳压条件下,无钻孔和钻孔倾角为0°,15°,30°的型煤单轴压缩试验,对比分析了钻孔倾角对稳压约束下型煤的应力-应变曲线、强度特征、破坏形态以及损伤程度的影响。结果表明:稳压压力为500N,增大钻孔倾角对煤样抗压强度、弹性模量有明显的劣化作用,劣化率最大达到32%;含钻孔型煤的破坏形态表现为由孔周出现2组较为明显的对称裂隙,其中1条主裂隙持续演化最终导致试件完全破坏;随着钻孔倾角的增大,裂纹闭合应力增大,而起裂应力和致损应力减小,同时,试件总裂纹面积分数也减小,钻孔周围煤体更容易失稳。     

不同角度结构面条件下裂隙煤岩破坏特征

为了进一步探究裂隙煤岩体的结构面效应,选取现场典型煤岩样,通过在煤岩试样表面预制特定长度、不同角度的单裂隙,以三轴循环加卸载试验为手段,利用CRIMS-DDL600电子万能试验机,研究了单裂隙煤岩体结构面角度效应的强度、变形特性和破坏形式。试验结果表明:试样应力-应变曲线的加载和卸载路径不重合,形成了若干封闭的回线-加卸载弹性滞后环,试样循环加卸载应力-应变曲线的外包络线变化特征与单调加载时相似,随着循环加卸载次数的增多,试样的不可逆变形呈非线性增大的趋势,结构面长度一定,试样的抗压强度随着结构面角度的增大而不断减小。     

等幅循环加载岩石变形局部化带位移演化规律

岩石是一种非均质天然工程材料,在工程中往往处于一种循环往复加载状态之中,研究循环加载过程中岩石的变形局部化演化规律,为岩土工程结构的稳定性提供理论支持。将循环加载简化为等幅循环和分级等幅循环2种加载条件,开展红砂岩试件的2种循环加载方式下的实验研究,采用CCD(Charge-Coupled Device)相机对试验过程中试件的变形图像进行采集,基于数字散斑相关方法分析了等幅循环加载过程中试件变形局部化带位移演化规律。分析发现:循环加载全过程中,局部化带位移随加卸载应力呈现波动上升变化;相对于加载应力的变化,位移演化存在时间滞后性,且随着循环次数的增加位移存在明显的累积效应。循环加卸载过程中,局部化带位移顶点相对于加载应力顶点的滞后时间数值于循环前期呈平稳波动、循环后期呈上升波动;局部化带位移底点相对于卸载应力底点的滞后时间数值随循环次数的增加呈现平稳波动。整个循环过程中,当加载或卸载到同一应力水平时,局部化带的位移随着循环次数的增加而增大;每次循环过程中的同一应力水平下,卸载过程的位移数值大于加载过程的位移数值。随着循环次数的增加,局部化带位移存在明显的缓慢演化阶段和加速演化阶段。在试件破坏前,卸载底点处的局部化带位移值明显趋近于加载顶点处的局部化位移值,该局部化带位移演化特征可以作为循环加载过程中岩石试件或结构失稳破坏的一个前兆信息。研究可为循环荷载下的岩土工程材料或结构的失稳破坏提供新的特征力学监测量,即在某一特定应力环境中,当低应力状态的变形量值与相对高应力状态的变形量值都随时间发生增大且低应力对应的变形量值增加速率明显大于高应力对应的变形量值增加速率时,岩土材料或结构将会发生失稳破坏。     

分级循环加卸载试验下砂岩的力学特性研究

采矿工程中岩体受开挖过程影响易发生不可逆破坏,为保证矿山开采的安全运行,须研究扰动荷载 下岩石的力学特性。为此,探讨了不同围压条件下,致密砂岩在常规三轴加载和分级循环加卸载作用下的力学特 性,并将二者进行对比分析。得出结论：破坏形式均属脆性破坏,循环加卸载下的砂岩试样破碎程度更大;循环加 卸载试验中,试样峰值强度较常规三轴试验有所减小,轴向峰值应变有所增大;增大围压能够提高砂岩抵抗变形的 能力;随着分级循环上限应力值的增加,滞回环曲线的面积逐渐增大,产生的耗散能也逐渐累积;循环加卸载过程 对砂岩弹性模量起到强化效应;同时,循环荷载加剧了裂纹损伤。此研究结果对砂岩在复杂应力下的矿山安全工 程实践具有重要的理论指导意义。     

循环载荷作用下煤岩复合结构宏-细观破坏特征及能量-损伤本构模型

煤炭深部开采过程中,周期性开采扰动行为会使邻近煤层的煤岩复合结构承受循环载荷的作用,因此,研究不同循环载荷作用下煤岩复合试样的力学响应行为及宏-细观失效特征具有重要工程意义。选取3种不同的加(卸)载速率,开展了2种循环加卸载路径下的单轴循环压缩试验(同步测定声发射信号),分析了煤岩复合试样的损伤失效特征;基于能量耗散原理,构建了煤岩复合试样在循环载荷作用下的能量-损伤本构模型,最后结合试验实测数据进行验证。结果表明：加(卸)载速率与复合试样的峰值强度呈正相关,当加(卸)载速率从0.05 mm/min增大到0.15 mm/min时,恒定下限逐步循环加卸载路径(路径I)、变上下限等幅循环加卸载路径(路径II)下,试样的峰值应力分别增加了22.44%和28.89%;高加(卸)载速率下,试样的内部裂纹扩展越快,煤岩复合试样中煤组分的破碎程度加剧,分形维数随之增大,试样的内部裂纹扩展越快;随着加(卸)载速率的增大,煤组分中沿基质破坏增多。循环分级跨度大的路径(路径I)有助于试样内部的应力传递,为试样内部裂纹的发育提供了有利条件,导致对应试样的破坏程度更高。试验曲线和能量-损伤本构理论曲线具有较强...     

分级循环加卸载作用下花岗岩变形破坏研究

以地下深部花岗岩为试验材料,利用GAW-2000微机控制电液伺服岩石单轴试验机进行分级循环加卸载试验,研究在同一递增荷载幅度条件下,试件的抗压强度、变形、破坏特征、残余应变以及弹性模量的变化趋势。结果表明：在单轴分级循环加卸载试验作用下,岩样的峰值强度随着每级循环次数的增加呈现递减趋势,且单调荷载应力-应变曲线包络住循环荷载应力-应变曲线；岩样破坏特征主要以剪切破坏为主,随着循环次数增加,破坏裂纹更加分散；岩样在加载过程中,岩体内部的结构在不断地调整,导致结构面变得密集与裂隙间更加闭合,卸载时回弹变形有滞后现象,加载起点与卸载终点不重合；轴向弹性、残余应变与环向弹性、残余应变随循环次数变化的规律具有相似性,岩样弹性模量曲线的趋势以“波浪形”的规律交替变化。     

深部采空区煤层底板滞后破坏特征

为分析深部采空区煤层底板滞后破坏特征,运用悬臂梁模型分析裂纹面间锁固段的变形破坏特征,通过试验分析岩样加载至塑性阶段后卸载再加载过程中的体积应变与偏应力的关系,结合煤层底板注水试验实测数据分析深部煤层底板岩体在采空区重新压实过程中的渗透性能变化。研究表明,裂纹面间锁固段变形破坏程度在采动剪切滑移和采动卸荷过程中逐渐增大;处于塑性状态的岩样在轴向应力卸载后再加载至卸载点81 MPa时,体积应变由0.000 56增大至0.001 1;现场实测发现距煤层底板18.19 m处的岩体在工作面推过测点3.6～15.8 m的过程中出现裂纹扩展、变形破坏,在工作面推过测点20.6～30.9 m过程中,底板岩体再次发生变形破坏,说明深部煤层底板在加载至塑性状态后卸荷并重新承载的过程中仍存在变形破坏可能性。     

采掘工作面孕突过程地应力诱使煤体初始破坏动态响应机制

工作面采动应力场诱发煤体初始破坏，作为突出发生的必要条件，揭示其细宏观动态力学过程依然存在巨大挑战。基于采掘工作面典型突出事故，构建了采动煤体损伤失稳过程多变应力载荷路径。采用PFC3D离散元软件开展了多工况多尺度下煤体损伤失稳可视化模拟，揭示了采动煤体损伤失稳动态响应规律，阐明了采动煤体裂纹动态演变行为，并基于采动下地应力诱使煤体初始破坏规律提出了突出防治技术展望。结果表明：采动煤体随主应力加卸载速率的变化，其破坏类型和破坏强度差异明显。应力渐进卸载过程，煤体宏观破断面呈现单斜面或共轭剪切面形式，且随卸载速率增加，煤体破坏强度降低。随应力双向同等速率渐进加载，单向突然卸载或保持一定残余应力状态下呈现宏观破断面与中间主应力方向平行，且卸载程度增加或残余应力降低引发煤体破坏强度降低。不同应力载荷下，煤体破坏过程随剪切和张拉裂纹先后出现，呈现张剪破坏。在采动煤体损伤引发失稳过程中裂纹动态演变过程呈现间歇性、渐进性和阵发性复合特征。裂纹整体发育过程可表征为初期新裂纹出现（间歇性-突增阶段）、裂纹扩展（渐进性-慢增阶段）以及贯通并扩展（阵发性-慢增阶段）、整体撕裂煤体过程（骤增阶段）。煤体力学...     

循环载荷作用下煤的力学性质及声发射特征演化规律

声发射是煤等脆性材料破坏过程中经常伴随的现象,可以通过研究煤的声发射规律掌握其损伤和裂隙的演化规律。借助三轴液电伺服加载系统和声发射测试系统,针对原煤试样,进行了循环加载实验,揭示了循环载荷作用下的煤力学性质和声发射演化特征。研究结果表明:多级加载疲劳试验中,循环载荷幅度相同的条件下,随着加载频率的减小,弹性模量降低30%～40%、不可逆塑性变形增加,说明煤样损伤及裂纹发展有时间效应;循环加卸载频率对于煤样内部原有的或新生的微裂纹扩展规律具有较大的影响;验证了声发射试验中的Kaiser效应和Felicity效应,发现煤的应力记忆特征、应变记忆特征具有Felicity效应,而且相对于应变记忆特征,应力记忆特征变化更加明显,说明煤的物性参数(应变)记忆能力相对好于状态参数(应力),更能准确地描述损伤。     

循环加卸载下岩石力学性能的加载速率效应研究

矿山开采过程中存在岩石受周期性扰动影响,对岩石的力学性质产生显著影响。为了解不同循环加卸载方式下岩石的加载速率效应,对矽卡岩试样进行不同加载速率的恒下限循环加卸载和变下限循环加卸载试验,对比分析了不同加载速率两种循环加卸载方式下试样的变形特征、能量演化规律以及破坏特性。结果表明：试样的峰值强度和残余变形具有不同加速率效应,但其峰值强度相比于常规单轴压缩试验均有提升;随加载速率增大,试样各阶段的输入能、弹性能和耗散能均呈增长趋势,但表现形式有所差异;试样的破坏方式及形态均表现出加速率效应,随着加载速率的增大其破坏程度加剧。     

综放开采顶煤在加卸载复合作用下的破坏机理

本文同时考虑顶煤由初始完整状态过渡至架后冒落状态过程中经历的垂直应力和水平应力变化,得到上位顶煤经历的应力历史为垂直应力加载、水平应力卸载→垂直应力保持不变、水平应力反向加载过程,下位顶煤则为垂直应力加载、水平应力卸载→垂直应力循环加卸载、水平应力保持不变的过程;根据顶煤破坏机理的不同,将上位顶煤划分为原始应力区、弹性压缩区、压剪破坏区、拉剪破坏区和散体冒落区,下位顶煤则划分为原始应力区、弹性压缩区、压剪破坏区,循环损伤区和散体冒落区;顶煤应力路径同三轴卸围压实验中的加载路径具有较高的一致性,实验中煤样高裂隙发育程度的宏观破坏形态表明适宜条件下实现顶煤高回收率目标是可行的,顶煤中采动裂隙发育程度同初始地应力大小及采动后的加卸载速度有关;弹性加载区顶煤破坏危险性系数不断升高,其增长速度受垂直应力加载速度和水平应力卸载速度的共同控制;控顶范围内上位顶煤二次破坏程度同顶板载荷成正比,下位顶煤则同支架支护强度和经历的支架反复支撑次数成正比。     

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。     

循环荷载作用下冻结灰砂岩强度特征与弹性模量演化规律

针对典型中生代富水弱胶结地层中的灰砂岩,利用TDW-200冻土三轴试验机对冻结饱水灰砂岩进行常规三轴压缩试验和循环加卸载试验,分析不同围压条件下的强度特征,重点研究了循环加卸载作用下冻结灰砂岩弹性模量的演化规律。试验结果表明:循环加卸载时,在低围压下峰值强度有所增加,而在高围压下峰值强度有"弱化"的现象;冻结灰砂岩试样加卸载全过程中弹性模量的变化规律与加卸载路径变化趋势具有一致性;单个滞回环内,切线弹性模量随着偏应力水平的增加呈现出先增加后减小的趋势,同一偏应力水平下,切线模量随循环次数的增加也表现为先增加后减小趋势。     

多级加卸载下层理裂隙煤体瓦斯渗流轴向效应及应用

为了获取工作面采动影响下煤体平行层理及垂直层理裂隙方向的瓦斯渗流规律,采用真三轴瓦斯渗透实验装置对层理裂隙煤样进行多级加卸载路径下轴向瓦斯渗流实验。实验表明:煤样在多级加载过程中经历压实、弹性变形和塑性变形3个阶段,2个轴向的瓦斯渗透率均随应力的增加而降低;卸载过程中,2个轴向的瓦斯渗透率均有部分恢复;加卸载下平行层理x轴向的瓦斯渗透率始终大于垂直层理y轴向。实践中在回采工作面前方布置了垂直层理和平行层理方向的2种钻孔考察瓦斯抽采量。实践表明:加卸载条件下层理裂隙煤样2个轴向的瓦斯渗透特性能真实反映受采动影响的煤体内瓦斯渗透规律;但煤样的加卸载过程不完全等同于回采工作面煤层应力"三区"变化过程,回采工作面充分卸压后的煤体各向渗透率均有较大提高。     

加卸载条件下原煤渗透率与有效应力的规律

为研究采动过程中有效应力的变化对渗透率的动态演化的影响,基于自行研制的"含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置",进行了单调加载和不同初始应力状态加卸载条件下原煤渗流特性的试验研究。考虑瓦斯力学作用和瓦斯吸附作用两个方面对有效应力系数的影响,得到了加卸载条件下原煤的有效应力计算公式及渗透率与有效应力关系的公式,根据初始孔隙率、吸附常数等试验数据和不同条件下渗流试验数据对建立的渗透率与有效应力表达式进行验证。研究结果表明,理论计算值和试验结果吻合度比较高,单调加载与加卸载条件下原煤的渗透率随着有效应力的增加呈负指数关系下降。