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。     

冲击倾向性煤岩动静载下破坏机理及声发射特性研究

煤矿巷道发生冲击地压破坏后果严重,具有冲击倾向性的煤岩具备发生冲击地压的潜质,在高应力状态下经动载诱发后极易发生破坏,其破坏与变形规律与常规静载不同。为了探究冲击倾向性煤岩在动静载下破坏及变形规律,以深埋煤层巷道高应力下具有冲击倾向性的煤岩作为研究对象,采用动载三轴及声发射检测设备,模拟煤岩所处高应力环境及动载条件,通过对比不同围压下的静载破坏试验,一定应力水平下动载诱发试验,不同应力阶段动载加载试验,分析其变形破坏机理及声发射能量演化规律。结果表明:与静载加载破坏相比动载导致煤岩提前进入屈服变形阶段且强度劣化明显,其破坏程度更加严重,并由剪切破坏转变为横向拉伸破坏;声发射点能有效定位煤岩破坏阶段内部裂隙发育区域及主破坏方向。煤岩达到动载破坏条件存在一个临界静载,未达到临界静载时煤岩在动载作用下裂隙发育及应变增长会逐渐稳定,超过临界静载后煤岩在动载作用下会迅速发生破坏。与静载相比动载后煤岩储存弹性能增加,破坏后释放更多能量;煤岩声发射能量事件主要发生在动载加载初期及峰后破坏阶段,动载加载后有明显凯泽效应。研究结论认为声发射能量演化规律可作为判断煤岩所处应力状态及先期动载加载应力水平的参考依据。     

岩石三轴压缩声发射信息时序特征

岩石三轴压缩变形破坏演化过程可划分为压密闭合阶段、弹性阶段、弹塑性阶段、破裂发展阶段及残余塑性阶段等5个阶段,声发射特征能够较好地反映出岩样损伤破坏的演化过程。不同类型岩石因其内部组分、结构、均质度不同,其压缩破坏过程的声发射时序特征也不尽相同。研究结果表明:1内部裂隙较多的煤岩声发射时间序列较分散,时序特征呈群震型;2结构均匀致密灰岩的声发射事件数在破坏前集中出现,时序特征呈孤震型;3均质度介于两者之间的砂岩声发射时间时序特征呈主震型。     

玉华矿4~(-2)煤裂隙煤岩三轴压缩破坏机理研究

采用TAW—1000三轴试验系统进行不同围压下完整和单一裂隙煤岩的三轴压缩试验,并借助声发射监测系统,结合裂隙煤岩破坏图及应力应变关系,分析了裂隙煤岩的破坏机理。结果表明:单一裂隙煤岩相比于完整煤岩受力更复杂,裂隙尖端应力集中,形成微裂隙并发育贯通,造成煤岩更早进入塑性阶段,导致煤岩强度和弹性模量的劣化显著;裂隙煤岩与完整煤岩相比,在较高围压下侧向变形更加显著;随着围压增大,45°裂隙煤岩破裂形态呈现出由直剪破坏向斜剪破坏过度的破坏形态;60°裂隙煤岩应力应变曲线呈现平台式软化,且围压增大弹性模量变化不明显;在相同围压下,随着裂隙角度的增加,裂隙煤岩力学参数劣化显著;裂隙倾角与振铃计数呈正相关。     

应力条件对受载煤体声发射活动特征的影响研究

为研究外部应力条件对受载煤体的声发射活动特征的影响作用,采用岩石力学试验系统和声发射仪,开展了单轴、不同围压三轴、卸围压三类应力条件下的煤样破坏试验,对比分析了煤体在不同应力条件下的破坏特征及声发射活动特征。试验结果表明:煤体的声发射活动宏观上与煤体的破坏阶段相对应,应力条件对煤的破坏特征及声发射活动特征具有重要影响作用。在增围压作用下,煤体的弹性模量、强度增加,主破裂面与轴向加载方向的角度逐渐增大,主破裂机制由张拉破坏向剪切破坏转变;在卸围压作用下,煤的主破裂机制由剪切破坏向张拉破坏转变。在围压应力增加条件下,在弹性变形阶段,煤体的声发射事件显著减少;在屈服变形阶段,声发射事件的能量逐步降低,并且能量的分布形态从相对"聚集"向相对"分散"的转变;在峰后变形阶段,煤体呈现渐进损伤的延性破坏特征,声发射活动持续逐步降低。在三轴卸载围压应力条件下,在煤体屈服阶段,声发射事件率与能量都随着应力的快速跌落而迅速增加,声发射活动趋于活跃,煤体的破坏方式最为剧烈。     

水平应力加载下煤岩的声发射特征试验研究

为研究水平应力加载下煤岩声发射规律,在实验室开展了不同应力条件下真三轴压缩破坏试验。试验结果表明:煤岩声发射信号随着应力水平的增大而增大,且轴向应力σ_v相对于水平应力σ_h对声发射信号影响效果更为显著;为比较复杂应力水平下煤岩声发射特征,定义"等效围压"表述应力水平,根据不同应力水平下真三轴压缩试验声发射能量特点将煤岩试件破坏过程划分3个阶段:弹性阶段、屈服阶段及破坏阶段;随着等效围压增大试件破坏时的声发射信号显著增强,声发射计数峰值数量增多,峰值强度滞后更加明显,而应力水平对峰前平静期现象没有直接影响。通过理论及试验研究不同应力条件下煤岩试件的声发射特征可预防煤岩动力灾害的发生。     

基于声发射定位的三轴受压帷幕体试样裂隙演化分析

利用TAW-3000电液伺服岩石三轴试验机和PCI-II声发射监测系统对以研山铁矿东帮卵石制作的帷幕体试块进行不同围压三轴压缩条件下的声发射(AE)测试,结合声发射空间定位、AE事件能率对不同应力阶段帷幕体裂隙空间演化规律进行了分析,并对分形维数的变化规律进行了研究。试验结果表明：围压越大,帷幕体试块的抗压强度越高,到达峰值荷载所用时间越多,对应的时间-应力曲线的曲线上升段越长、曲率越小,帷幕体塑性特征越明显,累计AE定位点数越多。分形维数变化基本特征为升维、降维、再升维模式。AE事件能率和定位点数骤然增多以及二次升维标志破坏前兆。同样的应力状态下帷幕体内卵石和砂浆的结合面先起裂,其次是砂和水泥浆的结合面开裂,最后裂缝进入硬化水泥浆。     

石英岩加卸载声发射特性研究

为了研究岩体在掘进过程中其内部破损的过程,采用TYP-500型三轴压缩试验机和PCI-2声发射系统对灵宝金矿石英岩进行单轴和三轴压缩声发射试验,以分析岩石破坏过程中的声发射特征。试验结果表明:在声发射试验过程中,石英岩的振铃计数与能量释放近似成正比例关系;当岩样发生破裂时,主破裂之前能量提高,表明岩样内部裂隙裂纹增多,释放大量能量,岩体承载力迅速下降;单轴压缩下声发射信号峰值和应力峰值基本同时发生,而三轴压缩下声发射信号峰值滞后于岩样应力峰值,因此认为,主破裂前围压加强了岩样的峰后承载能力,主破裂后单轴压缩下的岩体较三轴压缩条件下相对稳定。     

不同尺寸煤体失稳破坏的前兆声发射特征研究

利用岩石力学试验机和AMSY-6发射信号采集系统对不同尺寸强冲击倾向性煤样进行了单轴压缩的声发射测试,研究了其变形破坏过程中的声发射能量计数、振铃计数、定位事件的动态演化规律。实验结果表明:强冲击倾向性煤样声发射统计参量曲线均可以表征煤岩体失稳破坏过程,可将煤样失稳破坏过程划分为4个阶段,与应力应变曲线的压密、弹性、塑形、破坏阶段基本对应;表征煤岩失稳破坏的前兆特征包括:能量计数及振铃计数破坏前的大幅度增加,能量计数、振铃计数以及定位事件计数破坏前的声发射平静期,单位应力增量内声发射定位事件的大幅增加;试样尺寸的变化,对声发射统计参量曲线前期影响较大,对于失稳破坏的前兆特征无明显影响,尺寸效应不明显。     

不同含水状态煤-混凝土连接体力学特性和破坏特征

对不同含水状态煤-混凝土连接体进行单轴压缩实验和声发射监测,并对连接体力学特性和破坏特征进行探究,研究结果表明：水对煤-混凝土连接体应力-应变曲线特征裂隙压密阶段、破坏阶段和峰后阶段影响明显,水的存在降低了试样间的内聚力,使其脆性降低,塑形增强|含水率增加,煤岩组合体破坏形态由拉伸破坏变为剪切破坏,塑性变形显著|声发射特征曲线与应力-应变曲线对应程度较好,随着含水率的提高,声发射AE计数峰值位置提前,连接体样提前发生结构性破坏。且AE计数峰值数值逐渐减小,连接体样脆性减弱。     

基于CT三维重构的深部煤体损伤演化规律

为研究不同应力条件下深部煤体损伤演化规律及破坏机理,以平煤十二矿己15-17220工作面的深部煤体为研究对象,进行了单轴压缩的实时CT扫描实验,结合细观统计损伤力学,提出了一种基于CT图像灰度值定义损伤变量的方法,定量分析了煤样单轴压缩过程中损伤演化规律。通过CT扫描实验、压汞实验和室内基本力学实验,建立了能够反映固体基质分布的深部非均质煤样的三维数值几何模型,进行了合理的网格划分,确定了不同材料组分的本构模型及其物理力学参数,在位移控制加载条件下开展了煤样单轴压缩的数值模拟,定性研究了煤样单轴压缩过程中的损伤演化规律及破坏机理。进一步,在单轴压缩数值模拟基础上,通过对煤样施加不同的环向应力,进行了5种不同围压条件下煤样三轴压缩的数值模拟,从应力-应变曲线形态、煤样破裂形态及破裂角大小等方面定性分析了三轴压缩条件下深部煤体损伤演化规律。结果表明:单轴压缩数值模拟的应力-应变曲线及损伤演化特征与CT实时扫描实验得到的结果具有较好的一致性。随着轴向应力的逐渐增加,煤样损伤依次经历了零损伤阶段、局部损伤产生阶段、损伤线性和非线性稳定增长阶段和损伤加速增长致使完全破坏阶段。试件最终破坏时其最大剪切应变率区域及塑性区都近似平行或垂直于煤基质和煤杂质的交界面,且损伤发生的两个主破坏面相互垂直。单轴压缩的整个过程煤样主要发生拉伸破坏,屈服应力后由于煤样的不均匀变形才发生剪切破坏。基于CT重构的煤样三轴压缩的数值模拟得到的损伤演化特征和经典的岩石损伤演化的6个阶段能够很好的吻合,煤样主要发生剪切破坏;随着围压的增大,峰值强度、扩容点应力和残余强度均逐渐增大,破裂角逐渐减小,破裂角与围压之间近似呈负线性相关。在数值模拟的网格划分、几何模型建立、材料参数和本构模型的选取以及应力应变的计算方法等方面做出了优化,取得了较好的数值模拟效果,能够消除实验样品差异性带来的影响,且能够直观准确地定性描述单轴和三轴压缩过程中的损伤演化规律。     

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。     

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。     

含瓦斯煤多级式卸围压变形破坏及渗透率演化规律实验

以重庆松藻煤电有限责任公司的典型煤与瓦斯突出矿井--打通一矿7号煤层为研究对象,利用自行研制的“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置”,进行了不同初始围压和不同瓦斯压力组合条件下,含瓦斯煤多级式卸围压变形破坏及渗透率演化规律实验研究。研究结果表明：开始卸围压后,煤岩并不是立即被破坏失稳,而是维持在σu1一段时间,经历n级卸围压作用后才会失稳;在煤样失稳前,每一级卸围压过程中煤样的变形和渗透率变化速度都是不一样的,均呈加速增大的趋势;在每一级围压恒定阶段,随着围压的降低,煤岩的蠕变速度和渗透率也均是加速增大的;卸围压阶段比围压恒定阶段变形和渗透率增大速度快得多;无论是卸围压过程还是恒定围压阶段,围压降低引起的横向变形的变化速度均大于轴向变形的变化速度。     

混合岩变形及损伤演化试验研究

利用SAM-2000型岩石伺服试验系统和DS2声发射监测仪，对混合岩进行三轴压缩声发射试验，利用声发射参数，分析三轴压缩条件下岩石的损伤演化特征。试验结果表明：轴应变随着围压的变化呈现线性正相关关系；混合岩岩样每出现裂缝时，累计声发射振铃计数数值将发生骤增，且随着围压的增大，岩石破裂前夕声发射特征参数呈现突发性特征；建立了混合岩体应变损伤演化模型，该混合岩体应变损伤演化模型描述混合岩损伤过程分为初始损伤阶段、损伤稳定发展阶段、损伤加速发展阶段及损伤破坏阶段；低围压下混合岩主要发生弹脆性破坏，随着围压的增大，混合岩由弹脆性到延性的转换，混合岩在20MPa围压压缩过程中发生由延性状态转化为塑性状态。该结果合理地反映由低围压到高围压，混合岩由弹脆性到弹延性再到弹塑性的转化。     

含瓦斯煤岩卸围压变形特征及瓦斯渗流试验

运用自制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置,进行了含瓦斯煤岩卸围压瓦斯渗流试验,研究其卸围压过程中的变形和瓦斯渗流特性。研究结果表明,卸围压试验煤样破坏形式是以剪切破坏为主的张剪复合破坏。卸围压过程中,含瓦斯煤岩围压-应变曲线可以分为3个阶段：屈服前阶段、屈服后阶段、破坏失稳阶段。渗透率-应变曲线与围压-应变曲线呈现出明显的对应关系,表明围压对煤岩的变形和渗透率有重大影响,煤岩渗透率的变化与煤岩的变形损伤演化过程密切相关。卸围压后,含瓦斯煤岩的泊松比立即转为向变大的方向发展,变形模量立即转为向变小的方向发展,并在卸围压过程中发展的趋势保持不变。     

深部煤体采动应力下双曲函数型渗透率模型

深部资源开采中,采动应力下煤体渗透率演化规律成为煤炭开采理论研究的热点之一。通过对煤体常规三轴渗流实验和采动应力路径下渗流实验对比分析,发现深部含瓦斯煤体在采动应力路径下其渗透率-体积应变异于常规三轴渗透实验。煤体常规三轴实验主要以三向应力加载为路径,而煤体在不断采出过程中其应力路径主要表现为特定方向加载其他方向卸荷的过程,可凝练为加轴压卸围压的应力路径,而应力-应变分析的起始点为静水压力状态,这必然引起煤体力学物理性质异于三向加载条件的行为。在采动应力条件下的渗透率-体应变空间内,以煤体体应变扩容点为界,当体应变达到扩容点后,随着体应变从压缩变形转换为膨胀变形,渗透率呈现出降低、稳态、增加的过程。为了定量地描述深部煤体渗透率在采动破坏或流变失稳过程中先减小后增大的行为,基于在体积应变空间内真实渗透网络是所有可能渗透网络中最优演化形式的假设,建立以渗透率、体积应变为变量的泛函关系,从而得出由体积应变表示的渗透率表达式。考虑深部煤体流变过程,将分数阶微积分理论推导的煤体体积蠕变方程代入渗透率函数中,得出以轴向应变为自变量的渗透率表达式。根据已有的实验数据对渗透率模型进行验证,结果表明:基于最优渗透网络得出的渗透率模型能很好地描述煤体渗透率在破坏过程中的演化规律,同时也可拟合流变过程中渗透率的变化趋势。     

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。     

煤矿高浓度胶结充填体能量演化特征试验研究

为了研究煤矿高浓度胶结充填体的能量演化特征,借助RTR-2000高压岩石三轴动态测试系统开展了高浓度胶结充填体不同围压下的常规三轴压缩试验,分析了试件变形破坏过程中的应变能演化规律及围压效应。研究结果表明:(1)对于围压不为0的试件,峰值强度对应的耗散应变能占吸收应变能的比例超过70 %,试件在达到峰值强度前已经发生剧烈的塑性变形和破坏;(2)试件变形破坏过程中,吸收应变能快速增加,弹性应变能先积累后释放,峰值强度时达到储能极限,耗散应变能自屈服变形阶段开始快速增长;(3)相同轴向应变条件下,围压越大,试件的吸收应变能、弹性应变能越大,高围压试件的耗散应变能随轴向应变的增加将超过低围压试件的耗散应变能,围压可以大幅改善试件的应力水平,限制试件的径向变形,提高试件的储能能力,抑制试件的变形破坏。     

突出煤体单轴压缩和蠕变状态下的声发射对比试验

采用MTS815液压伺服岩石试验系统和DISP-2声发射监测系统，对突出煤体和砂岩进行单轴压缩全应力-应变和分级加载蠕变状态下的声发射试验.研究结果表明,由于试样初始损伤程度的差异，单轴压缩作用下煤样的声发射现象贯穿整个试验过程，而砂岩在弹性阶段声发射信号较少.分级加载蠕变试验过程中，前3级应力水平处于典型的第1，2蠕变阶段，期间声发射振铃事件比快速递减，其均值和递减时间随应力水平升高而增加.声发射累计振铃数变化曲线能较好地体现原煤试样蠕变特性的变化趋势.第4级荷载水平时，前期声发射曲线基本保持稳定，但数值明显高于前3个应力水平.在破坏前的极短时间内，声发射曲线急剧上升，预示试样即将完全破坏.