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。     

冲击荷载作用下煤岩动力特性试验研究

为研究陕北地区硬质煤岩的动态力学性能,利用应力加载系统和分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,对煤岩试件进行了基础的动、静力学特性试验,研究了其破坏机理。结果表明:静载作用下,煤岩试件多为单一裂纹破坏;而动载作用下,破坏形式比较丰富,如低应变率时的劈裂破坏和较高应变率下的压碎破坏;弹性模量与峰值应力的率相关性显著,而峰值应变的率相关性较弱;在动态加载方式下,由于加载速度过快,试件内部孔隙、裂隙、颗粒间距等缺陷闭合压实时间过短,宏观上表现为应力-应变曲线压密段缺失。     

单轴受压条件下煤岩非均质性对其破坏特征的影响

以忻州窑14号煤为研究对象,基于波速测试、CT扫描和三维重构技术,分析了煤岩内部原生裂隙、孔隙以及矿物夹杂分布的非均质特征,研究了单轴受压条件下,沿不同方向加载时,煤样内部结构分布的非均质性对煤岩破坏特征的影响。研究发现,煤样内部原生裂隙、孔隙以及矿物夹杂分布方向的非均质性是造成不同加载方向上煤岩破坏特征差异性的原因:煤样内部原生裂隙、矿物夹杂沿层理方向分布和延伸,造成沿垂直层理加载煤样的单轴抗压强度、总声发射计数等参数的均值高于沿平行层理加载的煤样;割理的横向截割作用使沿垂直割理加载煤样整体性低于沿平行割理加载煤样,并造成其单轴抗压强度,总声发射计数等参数的均值以及加载过程中声发射现象的规律性略低于后者;煤样单轴抗压强度与纵波波速呈指数函数关系,煤样内部非均质性对其单轴抗压强度的影响可由非均质系数表示,且2者呈负相关。     

循环外载激发下孔隙流体对煤岩动力灾害孕育的力学作用机制

为研究回采工作面前方不同支承压力区煤体在循环外载的扰动下孔隙流体对煤岩动力灾害孕育的力学作用机制,开展了不同孔隙压力(1,3和5 MPa)与轴向循环应力水平(饱和煤岩三轴强度的50%与80%)煤岩的循环加卸载排水实验研究。研究发现,当最大循环加载应力水平为三轴强度的50%时,煤岩的轴向与径向应力应变曲线在孔隙压力1 MPa和3 MPa下变化不显著,表明煤岩内部都没有产生大量的损伤裂纹。但随着孔隙压力上升为5 MPa,煤岩轴向和径向应变在循环加载过程中变化相对显著,说明孔隙流体参与了其中的力学变形机制。同时发现,试件的残余径向应变在循环加载过程中逐渐减小,这是由于煤岩内部部分孔隙裂隙在循环荷载作用下被压实,孔隙流体排出所致,且孔隙压力越大,径向收缩效应越明显。当最大循环加载应力为煤岩三轴强度的80%时,煤岩在加载过程中发生失稳破坏,且破坏速度与孔隙压力正相关。随着孔隙压力上升到5 MPa,煤岩试件遭到严重破坏,试件被大裂隙完全贯通。而且,高孔隙压力促使宏观裂隙之间产生大量的煤岩碎屑和煤粉。细观结构分析显示该应力状态下的煤岩在循环加载后孔隙度显著增加,且煤岩加载后孔隙度的增量随孔隙压力的升高而增大。以上结果显示,距离工作面较远的煤体首先经受低幅值循环外载作用,孔隙流体的排出导致煤体在水平方向发生收缩变形,一方面会减小煤层局部的渗透性;另一方面会降低煤层水平应力,从而降低煤岩的三轴抗压强度。而排出的孔隙流体在煤体中发生局部迁移和富集,当流体富集区域经受后期高幅值循环外载作用时容易形成局部高孔隙压力,进而改变煤层受力状态,加速煤岩动力灾害的孕育,加剧煤体在动态失稳中粉末化。     

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。     

基于DIC技术的预裂煤岩体裂隙演化特性研究

为了研究煤岩体裂隙网络结构以及表面裂隙演化发展过程,开展了基于采动煤岩体应力路径的三轴加载试验,在应力刚超过峰值应力时停止加载,得到采动应力作用下的预裂煤岩体;然后引入数字图像相关(DIC)技术,并继续单轴加载,观察和记录裂隙演化发展过程;并结合分形几何,计算出不同加载阶段煤岩表面裂隙的分形维数。研究结果表明:在真实采动应力路径下,受围压释放的影响,煤岩承载能力下降超过40%;由于裂隙面的粗糙度不同以及煤岩体非均质性和原生缺陷等,预裂煤岩体除了沿预裂裂隙面继续变形破坏外,还会产生新的次生裂隙;在单轴压缩条件下,预裂煤岩体表面裂隙分形维数由1.12增长到1.60,裂隙演化的整体趋势为缓慢→快速发育→平稳。     

中间主应力对煤岩力学与声发射特征的影响

为了研究煤矿因开挖而引起的安全问题,通过自主研发的地声过程模拟试验系统开展不同中间主应力条件下煤岩的真三轴加、卸载试验,并利用声发射探测系统记录煤岩在加、卸载过程中的损伤演化规律。结果表明:在真三轴卸载试验中,随着中间主应力增大,煤岩的破坏状态由剪切破坏转为局部剪切的张拉破坏再到整体屈服破坏;应力-应变曲线中,随着中间主应力的增大,中间主应力方向的应变由压缩逐渐变为扩张,体积应变由收缩转为扩容;Mogi-coulomb强度准则能较好反映煤岩在卸载时的强度破坏特征;应力差-声发射曲线图中,中间主应力增大使煤岩在加载阶段内部裂隙呈非稳定指数型增长且使煤岩在卸载完成阶段不再具备承载能力。     

不同加卸载下层理裂隙煤体的渗透特性研究

为获取不同载荷条件层理裂隙煤体渗透演化规律,采用煤岩渗透-力学试验系统,在加载、卸载过程中对含层理原煤试件进行渗透实验研究。实验结果表明:加载阶段,随着有效应力的增大,层理面间隙宽变小,渗透率降低,加载初期的渗透率急剧降低,当有效应力从1 MPa升高到7MPa时,渗透率下降近81%,随后渗透率的变化趋于平缓;卸载阶段,随着围压的不断卸除,受压的层理裂隙得以逐渐恢复,渗透率逐渐增大,但最终渗透率只恢复到初始值的14%,即加载过程煤体层理裂隙变形、闭合对裂隙面造成永久性的损伤,使得在卸载过程中难以恢复而造成渗透率损失;并结合实验条件建立了层理裂隙煤体渗透率与有效应力之间的理论模型,与实验结果对比分析,具有较好的吻合度。     

加载速率对煤岩抗拉强度参数影响程度研究

加载速率效应是岩石材料力学特征的一个重要性质。采用室内实验方法,对煤岩进行不同加载速率下抗拉强度的影响程度研究。结果表明,加载速率的变化影响煤岩的抗拉强度及破坏模式,煤岩抗拉强度较低,具有低强度高脆性的特征,且受加载速率影响很大。加载速率较低会造成煤岩破坏过程沿着内部缺陷、天然裂隙破碎,有明显的延性特征。而加载速率较高时,拉伸破坏过程伴随煤粉的产生,呈明显的脆性破坏特征。该结论对分析煤岩受拉破坏条件及煤层气开发工程具有参考意义。     

煤岩固液耦合应变－渗透率试验

采用MTS815岩石伺服试验系统进行了煤样全应力应变过程中的渗透性试验.试验结果表明,煤岩的应变－渗透率变化曲线与其全应力－应变曲线变化趋势基本一致,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,煤岩体达到峰值强度及之后的软化阶段,即损伤变量达一定值时,渗透率出现峰值.根据试验结果,拟合得出了煤岩应变－渗透率分段曲线方程.由于煤岩微孔隙裂隙相对较发育,其渗透率受有效围压的影响较明显,随有效围压增大,煤岩渗透率总体上呈下降趋势,这主要与煤岩中发育的原生裂隙受围压压密闭合以及限制了新生裂隙的扩展和张开度有关.     

动静组合加载含水煤样的力学特征及细观力学分析

为分析含水煤样在动静组合加载下的力学性质,利用改进SHPB和RMT-150试验系统对义马矿区二1煤样进行动静组合加载、静载对比试验。结果表明:静载加载,煤样的应力-应变关系形态与动静组合加载应力-应变关系形态明显不同,煤样的峰值强度、弹性模量随饱水时间增加而降低,饱水3 d和7 d煤样抗压强度软化系数分别为0.66和0.52;动静组合加载,煤样动态峰值强度随饱水时间增加而降低,饱水3 d和7 d抗压强度软化系数分别为0.65和0.60,动态弹性模量却逐渐升高,提高系数分别为1.15和1.37,与饱水砂岩试验结果相比不同;动静组合加载煤样随饱水时间增加煤样破坏颗粒度逐渐减小,水对煤样动态破坏影响较显著;基于翼形裂纹受压扩展原理,推导出动静组合加载下饱水煤样动态强度计算公式;煤样动态强度比静态强度试验结果提高10%~30%,表明动静组合加载下煤样的变形、强度特征与煤样自身结构、含水状态和加载方式多重因素有关。     

准静态应变率下的煤岩非线性力学特性

为研究开挖扰动下煤岩的非线性力学特征，利用MTS815伺服刚性试验机对芙蓉白皎煤矿煤岩进行10-5~10-2 s-1准静态应变率下的单轴压缩试验，分析准静态应变率下煤岩的应力-应变曲线、抗压强度、弹性模量、泊松比等力学特性的变化规律，基于煤岩显著的非线性力学特征，修正并验证黏弹性损伤本构模型的合理性。研究表明:① 煤岩单轴压缩荷载作用下具有明显的压密、线弹性、塑性屈服、峰后破坏4个阶段;煤岩力学特性应变率相关性突出，随着应变率的增加，压密阶段缩短，线弹性阶段增长，屈服阶段应力强化特征及峰后破坏阶段应力软化特征趋于明显;② 由于原生裂隙的闭合和扩展，煤岩受载作用下，各阶段均呈现显著的非线性力学特征，随着应变率的增加，压密阶段和线弹性阶段表现出的明显非线性特征呈减弱趋势;③ 准静态应变率10-5~10-2 s-1范围内，抗压强度随应变率增加由8.83 MPa增加至12.57 MPa，增长率42.35%;弹性模量随应变率增加总体呈现先增加后减小的变化趋势，在10-5~10-4 s-1应变率区间，弹性模量由1 644 MPa增加至1 825 MPa，随后在10-4~10-2 s-1应变率区间内减小，变化趋势发生明显转折;泊松比在准静态应变率下随应变率增加而呈现逐渐减小的变化趋势，从1.53下降到0.71，减小53.59%;整个准静态应变率范畴下，煤岩的力学特征参数(抗压强度、弹性模量、泊松比)均表现出显著的非线性变化趋势，均在临界应变率10-3 s-1附近发生转折。④ 利用一个损伤体和一个Maxwell模型并联方式，综合考虑准静态应变率下煤岩的非线性变化特征后，引入材料常数a对胡克定律进行修正，推导得出准静态应变率下煤岩的非线性损伤演化本构方程，并结合煤岩单轴压缩试验对其合理性进行验证。     

含瓦斯煤体破裂过程围压效应研究

为了研究围压对淮北矿区含瓦斯煤体力学性质的影响,对含瓦斯煤体进行了三轴试验分析,并利用岩石破裂过程分析(RFPA2D-Flow)系统,模拟3种不同围压下含瓦斯煤体强度、变形和破坏的情况。研究表明:煤体极限抗压强度、残余强度和弹性模量随围压的增大而增大;煤体的残余变形和试验的围压及自身的强度有关,围压越大,残余变形就越小;加载过程中,含瓦斯煤体从弹性变形阶段逐渐软化,而后软化减弱表现出一定塑性特征;随着围压的不断变化,含瓦斯煤体的破裂形式也随之变化,含瓦斯煤体的宏观破裂面与最大主应力方向的夹角随围压增加而逐渐增大。     

煤的动态力学本构模型

为揭示煤岩动态破坏机理,利用50 mm的分离式霍普金森压杆（SHPB）实验系统,对煤试样进行不同应变速率下的冲击加载实验,实验结果表明：煤体动态本构曲线前期就呈现出很强的非线性,初始弹性模量、屈服强度和极限强度都随应变率的增大而增大,塑性变形则是先增大后减小。根据动态本构曲线特征以及前人对本构模型的研究成果,运用弹塑性理论,建立了损伤体-黏弹性本构模型,模型的拟合曲线与实测动态本构曲线具有较好的一致性,拟合结果表明,煤体的动态力学性质对高低应变率的敏感性不同,对高应变率比较敏感,尤其是在300 s -1的应变率下,煤体的塑性流动最强,应力应变曲线产生了二类卸载(正斜率)。     

无烟煤在冲击载荷下破坏模式与强度特性

大直径单轴分离式霍普金森压杆试验表明：无烟煤在冲击载荷作用下,存在一个门槛速度4.3 m/s。这个门槛值为提高无烟煤块率,进行生产系统、储运系统改造优化等方面提供了可参考数量依据。根据试验曲线的特征,无烟煤具有显著的应变软化和应变硬化特征,初始弹性模量、屈服强度与极限强度都随着应变率的增加而提高,屈服强度最为显著。无烟煤在冲击载荷作用下破坏分为4种类型：压剪破坏、拉应力破坏、张应变破坏和卸载破坏,并以拉应力破坏、张应变破坏和卸载破坏为主要破坏形式。     

冲击破坏条件下煤的强度型统计损伤本构模型与分析

为研究冲击作用下煤体破坏特征,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统对取自苇町矿的煤样进行了不同冲击载荷条件下的动态冲击试验,分析了煤在冲击载荷条件下的动态力学特性。试验结果表明煤是一种典型的率相关材料,弹性模量和抗压强度均随应变率的增大而增大。根据岩石力学的强度理论和统计损伤理论,建立了煤的强度型统计损伤本构模型,给出了模型参数的确定方法,验证了模型的正确性。对比分析了元件型统计损伤本构模型和强度型统计损伤本构模型的优劣,分析确定了强度型统计损伤本构模型的准确性与合理性。研究结果表明:强度型统计损伤本构模型结构简单,引入参数少,物理意义清晰,能够有效地描述煤体冲击破坏过程中的动态力学性质;相较于元件型统计损伤本构模型,利用强度型统计损伤本构模型拟合的相关性系数更高,与试验结果保持了很好的一致性,具有更好的普适性。     

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。     

不同加载速率下顶板-煤柱结构体力学行为试验研究

基于声发射、数码摄像机录像及SEM系统,进行了不同加载速率下顶板砂岩-煤柱结构体试样单轴压缩试验,研究了加载速率对顶板-煤柱结构体力学行为的影响。结果表明:顶板-煤柱结构体宏观破坏起裂应力、单轴抗压强度和弹性模量均随加载速率递减而递减,但当加载速率递减至1×10~(-5)mm/s,单轴抗压强度和弹性模量均出现了一个递增趋势;顶板-煤柱结构宏观破坏起裂是由于煤样原生缺陷产生的水平附加应力大于煤样抗拉强度而引起的,不同加载速率下宏观破坏起裂均发生在煤样部分,形成拉裂纹与不同程度局部弹射或片帮组合的宏观破坏起裂形式;不同加载速率下顶板-煤柱结构体的破坏均发生在煤样内,砂岩未发生明显破坏,煤样主要发生劈裂弹射破坏,高加载速率下储存在实体承载结构体内的弹性能将以试样宏观拉裂纹等薄弱面为释放通道而迅速释放,试样破坏呈"突发"性且砂岩回弹变形剧烈,弹射破坏加剧,煤样更加破碎;高加载速率下破裂断口凹凸不平,呈"撕裂"状,随加载速率降低,断口趋向平整、光滑且出现"锯齿区",锯齿区台阶咬合摩擦在一定程度上抵抗了试样破坏,试样呈相对延性破坏。     

低应变率加载速度影响脆性岩体锚固效果的试验研究

外载荷加载速度是影响锚杆支护硐室稳定的重要因素,锚固体加载速度效应的试验研究较少。锚固硐室围岩会更接近单轴受力状态,围岩压力主要为低应变率加载,结合脆性围岩锚杆支护破坏特点,对布设两根相似锚杆的砂岩进行了从0.001～0.100 mm/s等5种低应变率加载速度工况下的单轴压缩试验。试验表明低应变率加载速度对加锚试样和无锚试样力学性质及破裂特征的影响是有差异的。加锚砂岩弹性模量随加载速度增加有轻微提升,所有工况下,锚固砂岩整体轴向变形量仍与无锚砂岩的轴向变形量相近;无锚试样的单轴抗压强度随加载速度增大呈递增趋势,但加锚砂岩强度随加载速度增大出现相对劣化,对加载速度的敏感性相对降低,锚杆加固增强作用减弱;各加载速度下无锚试样均最终表现为拉剪破坏,初始可见表面裂纹均为轴向张拉裂纹;加锚试样随加载速度增加会使最终破裂形式由张拉破坏向拉剪破坏过渡,初始表面裂纹由轴向张拉裂纹转变为剪切裂纹。进一步,从能量理论与加锚岩体声发射特征、锚杆与岩体相互作用等方面探讨了低应变率加载速度增大导致加锚砂岩强度劣化的机制,声发射信号表明高加载速度条件下加锚试样受载初期就会产生较大损伤,耗散能量增加,同时,高加载速度亦使岩体与锚杆间的界面载荷传递不能发挥作用。研究结果表明,锚杆支护下的冲击地压巷道应防范锚固体的扰动失效问题,推广"锚支卸"联合防冲支护措施。     

基于3D-DIC系统的白砂岩单轴压缩应变率效应的力学性能试验研究

通过选取典型岩样，研究了白砂岩在10^-5～10^-3 s^-1应变率范围内的单轴压缩性能，采用3D-DIC系统观测和采集岩样表面位移云图，并分析不同应变率下岩样变形破坏特征差异。结果表明，岩样表面位移场变化反映了破坏面演化规律，剪切破坏面与位移场集中存在对应关系。全局轴向应变差异主要发生在微裂隙压密到弹性变形期间；加载初期，全局径向应变存在差异，在峰值强度时下端部区域径向位移最大，岩样上端部变形受到端部效应影响，径向向外膨胀受端面与垫片间摩擦限制；此外，下端部局部轴向应变大于上端部区域。随着加载速率增大，岩样从延性特征向脆性特征转变。加载速率较低时，岩样破坏过程中孔隙坍塌使得部分裂隙再次闭合、滑移而产生摩擦效应，从而使峰值强度附近的应力-应变曲线出现波动。白砂岩峰值强度、弹性模量、泊松比等力学参数随加载速率增大而增加。