水岩作用下煤岩组合体力学特性与损伤特征

水岩相互作用是地下采矿工程活动中的常见问题。为研究水岩作用下煤岩组合体的力学特性、损伤特征及劣化机制，对不同浸水时间下的细砂岩-煤(FM)、粗砂岩-煤(GM)、细砂岩-煤-粗砂岩(FMG)3种组合体开展了轴向压缩试验。结果表明：(1)组合体含水率随浸水时间增加而增大，浸水20 d以后达到饱水状态；5～15 d为组合体的吸水区，15～20 d为组合体近饱和区，20～25 d为组合体的饱和区。(2)水岩作用下3种组合体的抗压强度、弹性模量、峰前能量、冲击能量指数等参数具有明显的劣化效应，其参数值均随浸水时间增加而减小；浸水5～15 d阶段为峰前能量陡降区，浸水15～25 d阶段为峰前能量缓降区；浸水时间5～15 d，组合体冲击能量指数劣化明显，15 d之后，劣化效应较弱；浸水5～10 d组合体为弱冲击倾向性，浸水15～25 d组合体无冲击倾向性。(3)随着浸水时间增加，组合体的声发射累积数显著下降。利用损伤理论构建了基于浸水时间的组合体损伤模型，该模型揭示了损伤变量与浸水时间的关系，反映了随着浸水时间增加，组合体的损伤程度增大的规律。(4)推导了类孔隙比计算公式，组合体的类孔隙比为：FM组...     

循环载荷作用下含水煤岩组合体损伤特性及裂纹扩展规律

同忻煤矿8105工作面煤岩体和隔水煤柱长期受水化作用影响,受矿震、采动应力等循环载荷扰动明显,现以该工作面为研究背景,在实验室开展了不同含水率下3种不同顶底板岩性(泥岩、砂岩、石灰岩)的煤岩组合体单轴压缩及循环加卸载试验。通过力学试验分析获得了其损伤劣化机制和能量演化规律,并基于电镜扫描、数字散斑和RFPA数值模拟,揭示了其裂纹从微观到宏观的破坏规律。结果表明：(1)随着含水率增大,煤岩组合体试件的峰值强度劣化幅度逐渐降低,4个阶段饱水百分比的试件峰值轴向应变逐渐减小,循环加卸载条件下要比单轴压缩条件下阶段劣化幅度更大,阶段劣化度由大到小依次为：N20、S20、SH20;(2)水化作用下,煤岩体结构面胶结程度降低,由致密变得软弱,循环加卸载情况下,随岩煤强度比增大组合体破坏模式由张拉-劈裂破坏逐渐向拉伸-剪切混合破坏转变;(3)基于RFPA模拟分析得出,循环加卸载下,随着顶底板岩性强度增大,组合体破裂形成的主裂隙逐渐明显,衍生的次生裂隙逐渐变少,水化作用下强度更高的煤岩组合体破坏时仍能保持更强的脆性破坏。该研究成果可为富水工作面的安全生产提供一定的参考借鉴。     

煤岩单体及原生组合体变形损伤特性对比试验研究

研究煤岩组合体在不同应力条件下的变形损伤规律,对揭示矿山动力灾害机制具有重要 意义。 在单轴加载条件下,分析原生煤岩组合体、人工煤岩组合体及煤岩单体应力-应变规律,通 过采集加载过程中试样声发射行为信息,初步探究原生煤岩组合体损伤破坏规律。 对比分析发 现:① 煤岩组合体界面的差异对煤岩组合体力学性质、声发射特征具有较大影响;② 单轴加载条 件下4种试样抗压强度依次为:岩样>人工煤岩组合体试样>原生煤岩组合体试样>煤样;③ 组 合体受载变形和峰值强度受介质间界面条件、弹性模量及尺寸效应等多重因素影响;④ 原生煤 岩组合体在加载屈服破坏阶段内部裂隙发育贯通现象相对活跃,且早期损伤主要发生在原生煤 岩组合体界面或附近煤岩体。     

煤岩组合体界面效应与渐进失稳特征试验

煤岩体组合特征决定着煤和岩石组合形成整体结构的变形失稳,为分析煤岩高比对煤岩组合体受载时力学特性、能量转化规律与失稳破坏特征的影响,制作了3种高比的"岩-煤-岩"(RCR)组合试件,开展了煤岩组合试件的单轴压缩试验和PFC~(2D)数值模拟试验,并基于RCR组合体声发射信号和宏观破坏特征分析,获得了组合体界面效应影响下的渐近失稳特征和声发射能量演化规律。研究结果表明:煤岩组合体的损伤破坏表现出渐近非连续特征,损伤破坏首先在煤岩组合体的煤体中发生、发展,煤体裂纹发育至煤岩交界面时被阻隔,受煤岩组合体界面效应的影响和裂纹尖端强应力链的持续集聚,裂纹最终从煤体扩展至岩石中煤岩组合体发生整体性瞬时破坏;随煤岩高比增大,组合体单轴抗压强度、弹性模量、宏观起裂破坏时间和瞬时失稳破坏时间均呈降低趋势且瞬时破坏时动力显现也逐渐被弱化。由于RCR组合体结构和弹性储能的差异性,导致裂纹在煤岩组合体中的扩展能力、速度和角度不同,进而组合体呈现出不同的破坏形态,但组合体破坏形式具有相似性,其中煤体以剪切破坏为主,顶底板砂岩以劈裂破坏为主。在煤岩组合体渐进破坏过程中煤体的破坏诱导了顶底板砂岩的破坏,而砂岩的破坏加剧了煤体的损伤破坏程度和瞬时破坏时动力显现强度,形成了煤体砂岩破坏互馈机制。RCR组合体受载时声发射信号有明显的时段性特征,当RCR组合体发生整体失稳时,声发射信号频率较低,声发射能量值达到历史最大,根据煤岩组合体声发射前兆信息的时频、时空规律性特征可对煤岩动力灾害孕育与发生进行实时监测,实现煤岩动力灾害的精准感知与超前预警。     

不同含水状态砂岩三轴压缩声发射特征试验研究

利用MTS815岩石伺服试验机对不同含水状态下的砂岩进行了三轴压缩声发射试验,得到自然状态及饱水状态下砂岩的应力-应变曲线、声发射振铃计数率、能量及振幅分布曲线。试验结果表明,在水的影响下砂岩的力学特性和声发射特征都有较大变化:饱水状态岩样的平均峰值强度为自然状态岩样的84.4%,且在试验过程中整体变形及弹性模量都较小;在岩样三轴压缩的各个阶段,饱水岩样的声发射振铃计数率、能量及振幅值均比自然状态岩样小;对比饱水岩样和自然岩样的宏观破裂时间及声发射信号最大值出现的时间,饱水状态岩样都存在"滞后"现象;此外,两种含水状态下岩样的声发射振铃计数及能量出现最大值的时间均稍"滞后"于砂岩宏观破坏时刻。研究结果对含水岩层工程设计及施工具有指导意义。     

采动裂隙煤岩破裂能量耗散特性及机理

乌鲁木齐矿区主采水平已进入深部开采,高应力强卸荷下动力破坏现象频发。为建立裂隙煤岩耗散能与声发射能量参数的定量关系,更好地了解煤岩体受载破裂特征,揭示高应力下裂隙煤岩破裂能量耗散及其灾变机制,本文采用实验手段分析单轴压缩荷载作用下裂隙煤岩体损伤直至破裂的阶段性特征及其能量释放规律,结果表明:裂隙煤岩物性特征一致性较好,其力学参数离散性大,裂隙煤岩的力学响应特征为非线性本构关系,峰后的应变值应只考虑屈服弱化区域的塑性应变;煤岩样破裂过程可划分为4个阶段:初始受载阶段、弹性阶段、微破裂阶段与峰后破裂阶段;给出了基于声发射能量参数的裂隙煤岩破裂耗散能的理论计算模型,确定了裂隙煤岩破裂应变能与弹性应变能及E_(AE-Ⅱ)/ΣE_(AE)间的关系,研究结果表明裂隙煤岩破裂所耗散的能量随着E_(AE-Ⅱ)/ΣE_(AE)的增加而减少。     

含水对泥质粉砂岩I型断裂的影响机理及试验研究

张性断裂是工程岩体一种常见的致灾破坏形式,而工程现场中普遍的水环境增加了探究张性断裂的复杂性。利用TAW-3000电液伺服岩石试验机及PCI-2型全数字化声发射监测系统,对三种不同含水状态的泥质粉砂岩进行巴西圆盘劈裂试验,得到干燥状态、自然状态及饱水状态下岩石的力学曲线和声发射特征。试验结果表明,三种含水状态的泥质粉砂岩均发生了纯I型断裂,受泥质胶结成岩方式的影响,该岩石受水的软化作用效果明显,饱水状态岩石的平均抗拉强度仅为干燥状态下的39.71%。岩石I型断裂演化过程中,饱水岩样的声发射活动受到抑制,加载过程中能量释放微弱。此外,在岩石临近破裂前,干燥状态有高频主频值出现,饱水状态下有低频主频值出现。随着含水量增加,100kHz附近主频带逐渐减少,分布逐渐向中低主频带集中。值得注意的是,20 kHz和50 kHz的中低主频带“分布极少→集中出现→逐渐消失”的演化规律可作为本次泥质粉砂岩I型断裂试验的敏感频段。     

煤岩组合体冲击倾向性的RFPA~(2D)数值模拟

通过对不同岩石组成的煤岩体在不同煤岩高度比例和不同组成倾角条件下的数值模拟,探讨不同因素对煤岩体冲击倾向性的影响。模拟结果表明,煤岩体中岩石强度越高,试样的强度随着岩石高度比例的增加增长得越快,组合试样的弹性模量也越高。煤岩体的冲击能量指数随着煤岩组合体间角度的增大而减小,并且随着倾角的增加,石灰岩煤组合体和粉砂岩煤组合体峰后塑性变形明显。     

尺寸与形状效应下煤岩组合体力学特性与声发射特征分析北大核心

为研究尺寸与形状效应下煤岩组合体力学特性和声发射特征的影响规律,对不同尺寸、不同形状的煤岩组合体试件进行单轴压缩试验,利用声发射系统记录不同承载阶段试件内部声发射的振铃计数和能量演化。结果表明:煤岩组合体的强度介于纯煤、纯岩两者的强度之间,纯岩、纯煤、煤岩组合体试件的峰值强度分别为30.3、5.7、9.7 MPa;圆柱组合体和立方组合体的峰值强度都随着宽高比的减小而不断降低,最大降幅分别为52.68%、59.21%;试件声发射振铃计数与能量表现出一致的规律性,均表现出与试件应力同步变化的趋势;圆柱组合体最大振铃计数的出现提前于最大应力值的出现,而立方组合体最大振铃计数滞后于最大应力值的出现。     

含雁行裂纹砂岩静态加载速率效应实验研究

为研究裂隙岩体的静态加载速率效应,以含预制雁行裂纹砂岩为实验对象,测试了不同加载速率下试样的力学性质、破裂模式、能量耗散及声发射响应特征,综合声发射定位和裂纹扩展演化录像,分析了裂纹扩展演化过程及加载速率效应机制。结果表明:(1)裂隙砂岩受载过程存在着明显的静态加载速率效应。随着加载速率的升高,试样峰值强度、峰值应变、起裂应力、峰值处积累的弹性能和声发射计数峰值均逐渐增大但增幅放缓,弹性模量呈现出先增大后减小趋势,累计声发射总计数则逐渐减小。(2)试样新裂纹的起裂萌生均对应着应力的局部下降、耗散能的突升及声发射的高值响应。(3)加载速率较小时,试样沿一条预制裂纹扩展、滑移而形成剪切型破坏;当加载速率较大时,试样最终破坏模式为裂纹岩桥贯通,并由裂纹外端沿与加载方向平行扩展而成的拉破坏。研究结果为深入认识煤岩动力灾害的力学响应机制及揭示其演化过程提供了有益的参考。     

煤岩组合体力学模型及细观损伤过程的颗粒流分析

为了研究煤岩组合体变形破坏的问题,在工程体与地质体两体力学模型的基础上,总结分析了煤岩两体接触面的力学特性及煤岩两体力学模型的变形破坏过程;利用颗粒离散元程序PFC建立了煤岩组合体平行黏结数值模型,对单轴压缩过程中,组合体内部细观裂纹的生成和扩展过程进行了分析探讨。结果表明:由于煤岩交界面对煤体变形破坏的抑制作用,煤岩体的变形破坏过程是煤体先损伤破坏,岩体再损伤破裂,直至整体失稳破坏的渐进式破坏过程。     

常规压缩下砂岩的声发射与损伤演化

采用MTS815.02岩石力学试验系统和AE21C声发射监测系统,研究了常规压缩下砂岩试样的声发射和损伤演化特征。试验结果表明:砂岩试样的声发射振铃计数与能量计数的变化规律相同,相关系数在95%以上;岩样应力-应变曲线中,每一次应力跌落都伴随有较大的声发射振铃计数率产生;声发射振铃计数间接反映了岩样内部微裂隙的萌生、扩展和贯通过程,采用声发射振铃计数定义的损伤变量能很好地反映岩石损伤演化过程。     

煤矿地下水库煤岩变形特性的尺寸效应试验

煤矿地下水库煤岩变形不仅直接影响水库的储水能力,而且还严重威胁水库的稳定性.论文以神东矿区大柳塔煤矿地下水库为工程背景,选取拟建水库工作面采空区砂岩、泥岩和煤开展不同粒径煤岩碎胀与压实变形试验,揭示煤岩粒径对变形特性的影响规律.研究表明:自然或饱水条件下松散砂岩、泥岩和煤块试样的碎胀系数分别为1.587～1.828,1.591～1.787和1.435～1.753,且碎胀系数均随粒径增加呈对数曲线形式增大;混合粒径煤岩块试样碎胀系数介于各单一粒径之间,相同粒径煤块试样碎胀系数最小,泥岩块试样居中,砂岩块试样最大.加载煤岩块试样的应变和碎胀系数也均与粒径满足对数函数关系变化,相比自然煤岩块试样,饱水煤岩块试样碎胀系数变化幅度更为显著,饱水砂岩块碎胀系数变化为0.382～0.530,平均增幅9.45％,饱水泥岩块碎胀系数变化为0.410～0.627,平均增幅16.67％,饱水煤块碎胀系数变化为0.506～0.807,平均增幅13.34％.通过X射线衍射和扫描电子显微镜观测煤岩块试样矿物成分及细观结构,分析煤岩块内部组构特征与宏观力学性质关系,阐释应力-水岩作用下煤岩变形的尺寸效应,为煤矿地下水库储水量预测和稳定性控制提供理论依据.     

不同组合方式煤岩组合体强度及声发射特征分析

为研究不同高度比的煤岩组合体在不同组合方式下力学特性和声发射特征,利用RFPA2D数值模拟软件对煤岩组合体进行模拟研究。试验结果表明:组合体的单轴抗压强度随煤样在组合体中占比的增大而减小;岩样与煤样的高度比对声发射能量产生显著影响,组合体中岩样高度所占比例越高,声发射信号越强,其产生的声发射能量也越多;在煤岩高度比相同的情况下,不同的组合方式也会对强度产生影响,组合体强度由大到小的组合方式依次为煤-岩、岩-煤、岩-煤-岩;此外,通过组合体声发射特征分析可知,组合体产生的声发射能量与其抗压强度的大小成正比,即抗压强度越大其产生的声发射能量也越大。     

单轴荷载下类煤岩组合体变形规律及破坏机理

煤岩组合体由于组成结构不同,其变形破坏过程表现出与单体不同的特性。为探究煤岩组合体整体破坏过程中的变形与破坏规律,特别是组合体不同位置处的径向变形与扩容特征,以加工制作的类煤岩组合体为研究对象,采用静态应变测试系统与RMT岩石力学试验系统开展单轴压缩试验。利用沿轴向不同位置处粘贴的径向应变片与煤、岩体中部的轴向应变片获得了试件峰前段的应变特征,并分析了组合体试件煤体部分的扩容特性。通过对破坏后的试件进行剥离分解,阐述了组合体试件整体失稳过程中的裂纹扩展与破坏机理。研究表明:组合体不同位置径向应变不同,靠近煤体端部处应变最大,煤体中部次之,结合面处大于岩体部分,岩体中部最小,说明组合体煤体与岩体两部分变形受到彼此影响。应力峰前段组合体煤体部分径向变形受到岩体部分限制作用较显著,峰后段岩体部分破坏则明显受到煤体部分劈裂拉伸作用。在岩体部分限制作用下,相对煤单体,组合体中煤体部分扩容段变化较为平缓,在进入扩容阶段后可承受更久的荷载作用,且扩容点体积应变偏小,破坏机制的不同使得组合体整体冲击倾向性有所减弱。在对煤岩复合岩体开挖时,应加强距结合面相对较远处煤体的支护,同时应避免煤体部分破坏后裂隙扩展贯穿结合面所导致的岩体破坏情况,以保证围岩整体的稳定。     

动静组合加载下冲击倾向性煤声发射特性试验研究北大核心

采用DTAW-8000型岩石高压动力学试验系统及声发射技术,通过施加不同动载扰动频率的单轴压缩试验,研究了冲击倾向性煤在动静组合加载下的破裂特征与声发射特性参数的关系、分析了冲击倾向性煤受压损伤全过程并建立了损伤演化模型。研究表明:动载扰动频率增强,冲击倾向性煤岩主破裂角呈现先减小后增大的变化趋势,且应力、应变均呈降幅现象;冲击倾向性煤岩内部裂缝的发育、扩展过程与声发射信号紧密相关,煤岩受压全过程的声发射振铃累计数变化趋势可大致分为稳定阶段、突增阶段和缓慢增长直至破坏阶段;煤岩损伤演化模型趋势与试验数据趋势一致;动载扰动频率是煤岩损伤的缓增-急速增长阶段影响煤岩破裂时程的主要因素。     

平行裂隙砂岩破坏和声发射特性数值研究

为了研究加载速率对裂隙砂岩破坏特征和声发射响应的影响,利用RFPA2D数值模拟软件对单轴压缩条件下的预制平行裂纹砂岩进行模拟,分析不同加载速度下的力学特性、声发射响应特性和裂纹演化规律。结果表明:随着加载速率的增加,平行裂隙砂岩峰值强度、峰值应变、岩桥破裂强度和岩桥破裂应变都相应增大;峰值声发射计数也随着加载速率的增加而增大;当加载速率较小时,声发射信号较为丰富,试样破裂以沿预制裂纹扩展的剪切破坏为主,当加载速率较大时,声发射信号更加集中于破裂瞬间,最终的主裂纹为与加载方向平行的张拉裂纹。     

煤岩高度比对组合体力学特性影响的数值分析

通过颗粒离散元程序建立了3种不同煤岩高度比的煤岩组合模型,分析和比较了单轴压缩作用下的强度和破坏形态,并以此为基础建立煤岩力学结构模型,分析了煤岩组合体在压缩作用下的变形破坏过程。研究结果表明:煤岩组合体的强度介于煤体和岩体之间,其破坏形态主要受到煤体部分的影响;煤岩组合体的变形破坏过程比煤、岩单体更加复杂,尤其在塑性屈服和峰值破坏阶段;组合体的应力-应变曲线在峰值附近表现出明显的波动性,即组合体的变形破坏过程为典型的渐进式破坏。     

浸水次数影响下裂隙砂岩强度损伤及声发射特征

循环浸水能够造成工程岩体结构及其力学性质的弱化,对工程岩体的稳定性产生一定影响。为探讨在反复浸水影响下裂隙砂岩强度损伤特征,采用无损浸水试验装置制取浸水0,1,2和3次的标准砂岩岩样和预制裂隙砂岩岩样,研究了其强度损伤及声发射特征。研究结果表明:随着浸水次数增加,砂岩单轴抗压强度和弹性模量减小,而对其破坏形式无显著影响;不同浸水次数影响下的裂隙砂岩全应力-应变曲线均呈现裂隙压密、弹性变形、塑性变形和峰后4个阶段;声发射计数频率和范围随浸水次数增加而减小;标准砂岩起裂位置在试样中部,裂隙砂岩起裂位置在预制裂隙上下端附近;浸水次数越多,声发射定位数量越少,预制裂隙附近损伤越大,在荷载作用下周围产生次生裂隙。研究成果对岩土工程中涉及的反复浸水问题的研究提供了有益参考。     

煤岩组合体变形破裂声发射特征及损伤演化规律研究

为研究煤岩组合体变形破裂过程中煤厚对其声发射特征和峰前损伤特性的影响,对煤厚分别为20mm、33.33mm和60mm的三种煤岩组合体进行室内单轴压缩声发射试验。研究表明：随着煤厚的增加,煤岩组合体的单轴抗压强度和声发射峰值计数均下降,且煤厚与声发射峰值计数满足指数函数关系;组合体的破坏持续时间随煤厚的增加而变长;声发射累计数的变化情况可分为缓慢增长阶段、快速增长阶段和声发射峰值及破坏后阶段,前两个阶段,累计数增长的速度与煤厚呈正相关,最后一个阶段,呈负相关。组合体峰前损伤演化可分为初始损伤、损伤稳定发展和损伤突增不稳定发展三个阶段;损伤变量与应变满足幂指数函数关系,且随着煤厚的增加,组合体D=1时对应的峰值应变也增加。