深部煤岩单体及组合体的破坏机制与力学特性研究

 采用MTS815试验机对钱家营岩样、煤样和煤岩组合体进行单轴和三轴压缩试验,获得不同应力条件下煤岩单体及组合体的破坏模式和力学行为,并比较异同。单轴条件下钱家营砂岩的破坏以剪切、劈裂及混合破坏模式为主,并且砂岩的峰值强度、弹性模量和波速近似成正比关系;在一定条件下砂岩能产生II类曲线,但需采用环向位移控制加载,且砂岩需具有高强度和低非均质度,但煤和煤岩组合体几乎不发生II类曲线破坏。单轴条件下煤样以劈裂破坏机制为主,但煤样的峰值强度与弹性模量、波速的关系基本不明显。对于不同围压下煤岩组合体的破坏主要发生在煤体内部：单轴条件下煤岩组合体的破坏以劈裂破坏为主,而煤体内部发生的破坏由于裂纹的高速扩展有可能贯通到岩石中去,从而导致岩石的破坏,并且煤岩组合体破坏后几乎完全丧失承载能力;而三轴试验中,煤岩组合体的破坏以剪切破坏为主,但破坏后还有残余强度。随着围压升高煤岩组合体弹性模量总体趋势是初始缓慢增加,当围压超过15 MPa后弹性模量迅速增加;组合体的峰值强度与围压基本成线性关系。     

突出煤体变形破坏声发射特征的综合分析

利用声发射事件率、振铃事件比和累计振铃数作为AE表征参数,进行单轴受压下突出煤样破坏全过程声发射试验。试验结果表明,不同轴向载荷的作用过程中,煤样声发射特征变化具有阶段性,根据全应力–应变曲线和声发射特征的变化规律均可分为5个阶段;因既反映声发射事件发生的频度又涉及事件的能量,声发射振铃事件比能更为准确地反映煤体变形破坏过程中声发射变化趋势,适合作为煤岩动力灾害预测的主要参数之一。弹塑性阶段是累计振铃数增长的主要阶段,累计振铃数达到AE累计振铃总数的35.35%;在接近峰值强度时,AE累计振铃数曲线趋于平缓,出现声发射相对平静期,即在其他岩石中存在的峰前相对平静期也存在于具有较多原始损伤的煤体之中,但损伤煤体的相对平静期更短,AE累计振铃数曲线突增和峰前相对平静期可作为煤样峰值破坏的征兆用于煤与瓦斯突出预测预报。     

煤岩组合体变形破坏前兆信息的试验研究

讨论煤、岩体在2种组合模式下受压破坏过程中能量集聚与释放规律.通过试验分析,得出"煤-围岩"系统失稳规律,并结合红外热像、声发射、应变等监测手段,对"砂岩-煤"及"砂岩-煤-泥岩"两类组合体进行单向压缩试验,对比研究不同煤、岩组合体失稳破坏的前兆信息,得到煤、岩组合体失稳破坏过程中红外热像、声发射能谱及组合体不同部位应变的变化规律.研究结果表明,对比煤样单体,煤-岩组合试样失稳更突然,失稳前兆点更难于捕捉.     

基于声发射振幅分布的裂隙岩体破坏演化过程

一般而言,岩石力学问题在工程尺度上是裂隙岩体的力学行为问题,尤其是裂隙岩体在荷载作用下的强度分布、变形特征及破坏演化规律。以软岩(煤岩)为研究对象,对完整煤岩进行预加载获取裂隙煤岩体试件,并在统计意义上将其划分为含单一裂隙及含多条裂隙煤岩体,进而利用试件在加载破坏过程中的声发射现象及其最大振幅的分布规律,研究完整煤岩及裂隙煤岩体在单轴加载条件下的破坏演化过程及差异。研究结果表明:定量指标b值能够描述破坏演化过程中AE事件最大振幅的分布规律,其值越大,破坏裂隙扩展所受的阻碍越大;不同应力水平条件下,随着荷载的增加,b值整体呈降低趋势;在相同应力水平条件下,内部所含裂隙越多,b值越大;完整煤岩及裂隙煤岩体在破坏演化过程中b值的变化规律显示,当b值的降低幅度趋于平缓时,可作为试件即将破坏的前兆。研究成果可为利用声发射技术进行现场监测预警提供试验依据。     

煤岩强度、变形及微震特征的基础试验研究

煤是远古地表腐植物沉积演化的一种岩类矿物。煤岩力学性质试验研究成果较为匮乏,特别是考虑强度离散性基础上的系统、全面地反映煤岩的力学性质,在不同应力状态下强度及变形特征的试验研究成果则更为少见。在进行相关煤岩力学行为方面的数值计算及理论研究时,大都采用非煤岩石的试验资料及本构模型,因而缺乏煤岩试验资料的验证和支持,并制约井下煤体破坏和矿山压力研究的科学性和合理性。煤在微细观结构和组分方面和其他岩石有较大差异,采用可靠的试验手段进行不同应力状态下煤岩强度、变形及压缩破坏的微地震特征试验研究,对于合理分析煤岩体破坏失稳、预防矿山灾害发生具有重要的理论及实际意义。采用MTS815.03电液伺服岩石试验系统进行大量煤样单轴压缩、三轴压缩、循环荷载及全应力-应变过程的渗透性试验,同时进行煤样压缩破坏过程的声发射试验及煤矿井下采场覆岩破裂失稳的微地震监测,对煤岩强度、变形及微震特征进行较系统地分析研究。取得了以下主要成果:(1)通过扫描电镜测试和力学性质试验分析,发现煤岩在力学性质上表现出明显的不连续性、各向异性和非均质性特征。煤岩原生孔隙裂隙面积率可用原生损伤变量加以描述,原生损伤变量对煤岩强度和变形有显著影响。(2)大量煤样超声波速度和相应的力学参数测试结果表明,煤样强度与其纵波由速度间呈现出置信度很高的指数函数关系,为进行强度等对比性试验前合理选择煤样提供了依据。(3)煤岩的声发射特征能较好地描述其变形和损伤演化特性。由于原生损伤发育,在围压作用下,煤岩孔隙裂隙被压密闭合,故刚度增加,弹性模量与围压之间符合二次多项式关系。根据试验结果及模型简化拟合出常规三轴压缩条件下煤岩的分段本构方程。煤岩三轴压缩破坏符合Coulomb强度准则,但由于其内部存在大量微裂隙,煤岩沿随机裂隙剪切破坏偏离θ0=45°+?/2的可能性很大。(4)同坚硬致密的岩石相比,循环荷载作用下煤岩更容易发生疲劳破坏。煤岩疲劳破坏"门槛值"与其结构和组分等有关,其变形破坏过程与其损伤累计发展过程一致。(5)煤岩渗透率-应变曲线与其相应的应力-应变曲线总体变化趋势基本一致,但表现出相对"滞后"的特点,表明渗透率的变化与其损伤演化过程密切相关;同时煤体通过其内部裂隙的渗透需要一定的时间过程。根据试验结果拟合出具体煤岩的渗透率-应变关系分段曲线方程。(6)通过声发射参数时间序列的最大Lyapunov指数计算,证明采用声发射参数描述的煤岩压缩破裂演化系统的变化趋势不是完全依赖于初值的混沌状态,而是可以预报的。通过离散小波系数分解,发现采用不同尺度上声发射参数最先出现的Lipschitz指数α负值所对应的时间作为煤岩压缩破裂预报时间,与实际情况吻合较好。(7)通过对采场覆岩破坏微震的定位分析,证实微震发展演化与采场覆岩运动过程密切相关。根据岩体失稳破坏前微震事件频数、能量和距离的1～4阶差分的变化规律,能够较准确地预报岩体破裂,这对于采用微震监测技术解决矿山岩体破坏失稳预报、预防灾害发生具有重要的指导意义。     

单轴压缩煤岩损伤演化及声发射特性研究

 为建立声发射参数与岩石(煤岩)力学破坏机制的关系,更好地了解受载煤岩体的损伤演化规律,进一步揭示煤岩动力灾害演化过程及灾害时间效应产生机制,利用MTS815岩石力学测试电液伺服试验系统和8CHS PCI–2声发射检测系统,对单轴压缩煤岩的损伤演化及声发射特性进行试验研究,分析单轴压缩煤岩的声发射特性,提出基于“归一化”累积声发射振铃计数的损伤变量,建立基于声发射特性的单轴压缩煤岩损伤模型,得出煤岩的损伤演化曲线和方程。研究表明,声发射信息反映煤岩内部的损伤破坏情况,与其内部原生裂隙的压密及新裂隙的产生、扩展、贯通等演化过程密切相关,煤岩的声发射特征能较好地描述其变形和损伤演化特性。基于声发射特性的单轴压缩煤岩损伤模型是合理的。单轴压缩煤岩损伤演化过程可分为3个阶段：初始损伤阶段、损伤稳定演化和发展阶段、损伤加速发展阶段。煤岩由变形至破坏可视为一逐渐发展过程：由变形、损伤的萌生和演化,直至出现宏观裂纹,再由裂纹扩展到破坏的全过程。     

不同瓦斯压力下煤岩声发射特征试验研究

利用自主研发的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置配合声发射监测系统，进行不同瓦斯压力作用下煤岩在常规三轴压缩下的声发射(AE)特征试验。研究结果表明，瓦斯压力对煤岩起到软化作用，随着瓦斯压力的增加煤岩在加载过程中的脆性减弱，延性增强，抗压强度和弹性模量随着瓦斯压力的增加呈现出减小的趋势。根据试验所得煤岩声发射特征与应力-应变以及声发射累积振铃数与应变关系，得出在常规三轴压缩破坏过程中不含瓦斯煤岩的破裂类型为突然破裂型，含瓦斯煤岩的破裂类型为稳定破裂型。在同时考虑应力和瓦斯压力引起煤岩损伤的基础上，建立不同瓦斯压力作用下，由声发射累积振铃数表示的煤岩损伤关系式，并对所建立的损伤关系式进行验证，验证结果表明建立的基于声发射的煤岩损伤关系式从某种程度上真实地反映了含瓦斯煤岩的破坏过程及强度特征。     

岩石破坏声发射平静期及其分形特征研究

 通过岩石加载的室内试验方法,测试不同岩石破裂全过程的力学特征及其声发射特性,得到岩石破坏全过程力学特性——岩石的全应力–应变曲线、声发射事件累积数、声发射事件率等相关曲线及参数,给出声发射事件数、事件率与应力水平、时间之间的关系。着重讨论一次性加载过程中塑性变形阶段明显的岩石在加载接近峰值强度时单位时间内的应力增长速度减小,也即这一阶段出现明显的“耗时”现象;并且在此阶段监测到的声发射事件率出现明显下降,出现声发射相对平静阶段;而对于塑性变形阶段不明显的岩石来说,这一阶段则基本不存在明显的“耗时”现象,声发射的监测中也没有发现声发射相对平静期现象。另外,还运用分形理论,研究分析处于不同加载应力比的岩样在各个阶段的声发射分形维数,特别是研究声发射平静期维数变化情况。指出在加载初期分形维数处于较低值,且分形维数随加载应力增加而逐步增加;在加载到峰值应力的40%左右时,分形维数开始下降;在加载接近到峰值应力时,即处于声发射平静期阶段时分形维数逐步降到最低,且此时预示着岩石的破坏。此外,结合室内试验,还对现场岩体失稳破坏声发射监测中的一些实际问题进行总结和分析,为更好地应用声发射手段进行岩体稳定性现场监测预报提供理论依据、方法和手段。     

单轴压缩下煤岩声发射及分形特征研究

为了研究煤岩在单轴压缩下的声发射及分形特征,利用RMT-150C 型岩石力学伺服试验系统和CDAE-1 型声发射检测仪对砂岩、砂质泥岩和戊组煤试样进行了实验研究。对砂岩、砂质泥岩和戊组煤的力学特性、声发射计数和累计计数以及声发射序列的分形特征进行了对比研究。研究结果表明:煤岩全应力-应变过程可分为四个阶段:初始压密阶段、准弹性阶段、塑性变形破坏阶段和残余变形阶段。初始压密阶段,声发射计数都比较低,累计计数增加的趋势特别缓慢;准弹性阶段,声发射计数有所增加,累计计数变化趋势相对较快;塑性变形破坏阶段,声发射计数都出现了跳跃式上升,声发射累计计数都出现了激增现象,但是砂岩的特别明显;残余变形阶段,声发射计数水平比较低,累计计数基本不增加了。煤岩破坏过程中声发射序列都具有分形特征,分形维值在煤岩破坏前会出现突降现象,可以作为预测煤岩动力灾害的前兆。     

单轴受压煤岩声发射特征的层理效应试验研究

层理对煤岩体宏、细观力学性质都有重要影响。为探究不同层理方向煤岩体的损伤演化规律及变形破坏中的声发射特征,分轴向平行层理和轴向垂直层理2种情况进行煤岩制样,采用MTS815岩石力学试验系统和PAC声发射仪,开展单轴加载条件下破坏全过程的声发射(AE)试验研究,揭示煤岩AE时序参数、能量释放规律、空间演化特征和AE振幅分布的层理效应。研究表明:相对于轴向垂直层理煤岩,轴向平行层理煤岩在整个受力过程中AE振铃计数和能量释放更强,但单位时间的AE振铃数和能量释放更平缓,轴向垂直层理煤岩呈现急剧猛烈的能量释放特征;轴向平行层理煤岩中,一定规模的AE事件在更低应力水平就会产生,其AE空间分布更加均匀,无轴向垂直层理煤岩的成核现象;在变形破坏全过程中,轴向平行层理煤岩AE振幅分布变化幅度较小,其b值更大,大尺度AE事件比例更低。研究成果在一定程度上反映了煤矿开采过程中工作面和上覆煤岩的层理方向对其声发射特征的影响,可对现场声发射监测围岩破坏情况提供借鉴和参考。     

含水承载煤岩损伤演化过程能量释放规律及关键孕灾声发射信号拾取

不同含水状态对煤岩样损伤演化过程有重要的影响,为了研究不同含水状态煤岩样单轴压缩全过程煤岩样损伤演化过程能量释放规律,并基于能量贡献率与振铃计数贡献率共同准则拾取关键孕灾声发射信号,以指导声发射技术在岩体工程监测和灾害预警中的应用。利用岩石力学试验系统和全信息声发射信息分析仪,开展不同含水状态煤岩样的单轴压缩试验,主要对不同含水状态下煤岩样的力学特性、能量释放规律、破坏模式以及关键部位孕灾声发射信号进行拾取。试验结果表明,不同含水状态煤岩样力学性质各不相同,含水率的增大能有效弱化煤岩样强度。不同含水状态煤岩样能量释放规律各不相同,水在软化煤岩基质的同时,也对弹性应变能进行大量吸收,进一步导致含水煤岩受载屈服阶段弹性应变能占比增大,耗散应变能迅速降低,对应蓄能期(声发射平静期),待其孔隙水压力增大到对裂隙进行了扩展与贯通,即试样马上进入破坏阶段。不同含水状态下煤岩样单轴压缩破坏模式均为剪切形式,且含水率增大,剪切裂纹趋于复杂。同时验证了基于能量贡献率和振铃计数贡献率计算准则的声发射信号拾取方法可行,并与其他常规声发射参数形成对应关系,可为具体分析前兆特征分析和灾变预警提供参考。     

煤岩结构体多级应力控制防冲实践及动态调控

通过对煤岩结构体受力状态的理论分析并结合现场实践,提出了从区域应力协调到局部应力控制的煤岩结构体多级应力控制防冲技术理论。针对深部采场应力多变和冲击危险影响因素多样,建立以煤岩结构体应力/强度比及冲击危险多参量组合评价的应力控制动态调控技术。研究发现,煤岩结构体的冲击失稳孕育过程与组合煤岩试件的受力失稳过程基本相同,以煤岩结构体稳定性为基础,应力控制为中心的多级应力控制技术可有效控制冲击地压,在强冲击危险工作面切眼对掘期间,根据多参量监测评价系统及现场防冲实时反馈信息动态调整局部应力控制技术及相关卸压参数,实现了切眼的顺利贯通。     

Frictional sliding tests on combined coal-rock samples

A test system was developed to understand the sliding mechanism of coal-rock structure. The test system was composed by a double-shear testing model and an acousto-optic monitoring system in association with a digital camera and an acoustic emission （AE） instrument. The tests can simulate the movement of activated faults and the sliding in coal-rock structure. In this regard, instable sliding conditions of coal- rock samples, sliding types under different conditions, displacement evolution law, and AE character- istics during sliding process were investigated. Several sliding types were monitored in the tests, including unstable continuous sliding, unstable discontinuous sliding, and stable sliding. The sliding types have close relation with the axial loads and loading rates. Larger axial load and smaller loading rate mean that unstable sliding is less likely to occur. The peak shear stress was positively correlated with the axial load when sliding occurred, whereas the displacement induced by unstable sliding was uncorre- lated with the axial load. A large number of AE events occurred before sliding, and the AE rate decreased after stable sliding. The results show that the tests can well simulate the process of structural instability in a coal bump, and are helpful in the understanding of fault activation and the physical processes during squeezing process of roof and floor.     

组合煤岩冲击破坏电磁辐射规律研究

大量理论研究和物理试验已经证实煤岩变形破裂过程中会产生宽频带的电磁辐射信号,因此研究坚硬顶板–煤体–底板所构成的组合煤岩变形破裂电磁辐射规律对于预测预报煤岩动力灾害具有重要的意义。采用MTS815伺服加载以及Disp–24声电测试系统对组合煤岩变形破裂所产生的电磁辐射及声发射信号进行了测定,试验结果表明,试样在发生冲击破坏前,电磁辐射强度呈小幅度上升的波动趋势,且冲击破坏前兆会产生突变;而声发射信号计数率在试样冲击破坏时将急剧增加并达到最大值,随后产生突降。电磁辐射与声发射信号峰值位置出现的时间并不同步,电磁辐射信号的最大值出现在试样变形破坏的峰后阶段,而声发射信号的最大值位置则出现在试样的峰值强度处。电磁辐射信号出现峰值时声发射相对较弱,且声发射信号出现峰值时其电磁辐射强度也相对较弱。依此规律,可以对冲击矿压的危险性进行正确地评价和预测预报。     

孙村煤矿－1 100 m水平深部煤岩冲击倾向性组合试验研究

冲击地压灾害防治是深部开采面临的重要难题之一。对孙村煤矿-l100m水平(埋深1310m)延伸时煤岩的冲击倾向性进行了试验研究。为探求煤-岩层相对厚度变化对深部煤岩体冲击倾向的影响，进行了7组不同高度比的煤岩组合试件力学性质与动态破坏特性的试验研究，获得了深部煤岩冲击倾向性评判结果；研究了浸水对深部煤岩强度与冲击倾向的影响，为该矿防治冲击地压提供了试验依据。     

煤岩破裂过程中电荷感应机理分析

利用自主研制的电荷感应仪,建立单轴压缩条件下煤岩电荷感应试验系统和温度对煤岩电荷感应影响试验系统对煤岩电荷感应进行研究。得出煤岩温度升高能形成热电子发射,使煤岩产生电荷,但煤岩破裂过程中产生的主要电荷不是热电子发射产生的。根据电荷-能量联系定律,提出了煤岩变形破裂过程中产生的电荷信号是因煤岩能量释放而产生的观点。认为煤岩产生电荷量可作为煤岩释放能量的量度。煤岩释放能量越多,产生电荷越多,即测得煤岩电荷信号越强,说明煤岩释放能量越多。还解释了煤岩强度越大,破裂时产生电荷量也越多的现象,解释了不同性质煤岩体,破裂过程中释放能量相同而产生电荷信号不同的现象。可为进一步的研究提供参考。     

不同含水率煤岩受压变形破坏全过程声发射特征试验研究

 以晋城煤业集团赵庄矿3#煤层的无烟煤为研究对象,运用京岛AG–250kN刚性岩石试验机、数字式应变数据采集仪、声发射监测系统和自行研制的煤岩固–气耦合细观力学试验装置,进行不同含水率煤样在常规单轴压缩下的声发射特征试验。结果表明,含水率的不同使煤样的强度和声发射特征产生明显差异,随着含水率的增加,煤样的单轴抗压强度逐渐减小。干燥状态的煤样强度较大,整个破坏过程中的变形较大,弹性变形阶段持续时间较长。在密实阶段,不同含水率的煤样几乎没有出现声发射信号,干燥状态的煤样只出现少量的信号且基本没有变化,干燥状态的煤样声发射平均事件率为不同含水率煤样的4～10倍。进入弹性阶段后,不同含水率的煤样和干燥状态的煤样的声发射事件率均比较稳定,声发射平均事件率相差不大,但干燥状态的煤样声发射事件率持续时间更长。进入塑性阶段,不同含水率的煤样与干燥状态的煤样的声发射信号均明显增大,与弹性阶段相比,煤样的声发射平均事件率是弹性阶段的5～7倍。进入破坏阶段后,不同含水率的煤样声发射事件率低于干燥状态的煤样。含水量增加使声发射累积振铃计数减少,同时使产生明显声发射的时间滞后,试验结果表明水对煤样的力学特性和声发射特征有明显影响。