煤岩加卸载不同应力途径变形破坏力学参数的研究

分析煤岩轴向应力恒定条件下卸围压破坏时的力学参数,运用卸载破坏围压差的概念,反应不同初始卸载围压煤岩破坏的难易程度,通过不同初始卸荷速率时煤岩试件变形破坏参数的对比试验,研究开挖卸荷速率对地下工程的影响。将卸载试验与常规三轴加载试验的极限强度、破坏方式等力学参数进行对比,试验结论丰富了卸载岩石力学内容。     

煤岩破坏过程的细观力学损伤演化机制

为了有效监测煤岩巷道围岩的损伤稳定程度,以漳村矿煤岩为例开展了煤岩损伤破坏特性的研究,首先对该矿煤岩进行单轴压缩试验测得其力学参数,然后通过颗粒流软件获得其细观力学参数进行了不同围压下煤岩试验。分析了煤岩破坏过程的声发射和应变能变化规律,并从煤岩损伤萌生、成核、扩展和贯通的过程研究了损伤演化机制,获得以下结论:最大声发射强度与峰值应力并不同时出现,具有一定滞后性,低围压范围滞后效应随围压变化敏感,高围压范围围压对其影响减弱;随着围压增加在最大声发射前会出现明显的平静期,并指出平静期的出现是由煤岩内部严重损伤区的产生和损伤愈合吸收应变能所致;将煤岩损伤破坏过程分为微损伤弥散分布、损伤局部集中发展成核、裂纹稳步扩展形成局部裂隙、局部裂隙贯通煤岩失稳4个阶段,指出围压对各个阶段的影响异同。     

煤岩轴向应力恒定卸围压条件下力学参数的研究

分析了煤岩轴向应力恒定卸围压破坏时极限强度、峰值应变和破坏方式等力学参数，运用卸载破坏围压差的概念，反应不同初始卸载围压煤岩破坏的难易程度。通过对不同初始卸荷速率煤岩试件变形破坏力学参数的对比，研究开挖卸荷速率对地下工程的影响。     

中高煤阶煤岩弹性模量及其影响因素试验研究

煤层气勘探开发中煤岩弹性模量是重要的力学参数之一,针对取自沁南和鄂尔多斯盆地东南部的25个中高阶煤岩心,开展了变围压条件下煤岩应力-应变关系测试。根据应变曲线直线段计算出不同围压下的煤岩弹性模量,并对影响弹性模量因素进行了分析。结果表明:煤岩弹性模量具有较强的非均质性,受孔-裂隙、煤岩煤质、围压以及流体介质等因素的综合影响。煤岩孔-裂隙等固有缺陷越发育,弹性模量越低;煤岩镜质组、微镜煤和固定碳含量的增加使弹性模量降低,煤岩惰质组、微惰煤和灰分的增加则相反;煤岩孔-裂隙受围压作用而压密闭合,致使弹性模量增加;水介质的吸附作用和体积力反作用,削弱了煤岩抵抗变形的能力,导致弹性模量降低。综合考虑以上因素,可准确预测地层条件下的煤岩弹性模量分布。     

温度-围压-瓦斯压力作用下煤岩力学性质及有限变形行为

随着浅部煤炭资源逐渐枯竭,深部开采已成为常态。开采环境下,地温、地应力以及瓦斯压力是影响煤岩力学性质的重要因素,这些因素影响下的煤岩非线性力学行为也是深部开采过程中关键的基础问题。因此,从试验出发,基于正交试验原理,设计并开展了温度-围压-瓦斯压力作用下的煤岩力学试验。基于统计学原理,研究分析了温度、围压、瓦斯压力对煤岩力学性质的影响,结果表明:温度和围压对弹性模量、峰值应力和泊松比影响的显著性水平均为95%,瓦斯压力对弹性模量、峰值应力影响的显著性水平为95%,对泊松比影响的显著性水平为90%;同时发现,煤岩强度、弹性模量、泊松比随温度、围压和瓦斯压力的变化符合线性规律。进而,以有限变形理论为基础,结合试验条件,建立了煤岩非线性变形描述指标——平均整旋角,计算分析了其在煤岩变形破坏过程中的演化规律:平均整旋角随应力应变的变化基本可以划分为快速增长区、平缓增长区和加速增长区,这3区的出现也是煤岩压密、弹性、屈服破坏3阶段内在力学过程体现;切线模量随平均整旋角可以分为增长阶段和跌落阶段,反映了煤岩从压密、硬化到脆塑性转化的过程。最后将平均整旋角作为内变量,同时考虑温度、围压以及瓦斯压力的作用,建立了有限变形框架下煤岩大变形本构方程,通过与试验数据对比可知,提出的模型可以较好地描述煤岩变形破坏的全过程。     

含瓦斯煤岩卸围压力学特性及能量耗散分析

利用自主研制的含瓦斯煤岩热流固耦合三轴伺服渗流装置对含瓦斯煤岩进行了三轴卸围压试验,基于实验结果,研究了含瓦斯煤岩卸围压失稳破坏过程中的力学特性及其能量耗散规律。结果表明：在初始瓦斯压力和围压相同的情况下,卸围压速率增大加快了含瓦斯煤岩失稳破坏的进程,定义的卸围压效应系数反映了三轴卸围压实验中卸围压速率对含瓦斯煤岩失稳破坏难易程度,且卸围压效应系数与卸围压速率之间存在幂函数的关系;在瓦斯压力和应力差相同的情况下,不同卸围压速率下含瓦斯煤岩的轴向应变、侧向应变和体积应变的变化规律具有较好的一致性,卸围压速率越大,含瓦斯煤岩的轴向应变、侧向应变和体积应变越小;卸围压过程中能量耗散与卸围压速率有关,且含瓦斯煤岩的能量耗散随着卸围压速率的增大而减小。     

单轴压缩煤岩变形破裂电磁辐射围压效应研究

首先利用损伤力学和统计强度理论研究了煤岩变形破裂过程中三维力学本构关系,得到了一个考虑围压影响的三维本构方程;然后分析了煤岩样品在不同围压条件下变形破裂过程应力随应变而变化的规律,以及由此产生的相应的电磁辐射脉冲教随着应变的变化关系.研究结果表明:围压是通过对煤岩应力场的影响来影响因应力变化而产生的电磁辐射信号的;围压的存在提高了煤岩微元体的破裂强度;对于有围压作用时煤岩体变形破裂过程中产生的电磁辐射脉冲数,其在应变相同时较无围压时要少,并且围压越高影响越大.     

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。     

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。     

加卸载速率对含瓦斯煤损伤-渗透时效特性影响试验研究

为探索轴压加载速率和围压卸载速率对采动含瓦斯煤损伤-渗透时效特性的影响规律,利用煤岩吸附-渗流-力学耦合特性测定仪开展了不同加卸载速率条件下煤体损伤-渗透试验。研究结果表明,轴压加载速率或围压卸载速率越高,试样损伤破坏的时间响应越快,峰值强度呈小幅度降低,即加卸载速率显著影响着试样损伤破坏的时效特性,但对试样抵抗破坏的能力影响较小;加卸载速率较低时试样呈相对稳态损伤,加卸载速率较高时试样损伤程度较高且呈非稳态损伤特征,易发生突崩式破坏;加卸载速率越高,则试样渗透率的时间响应越快,增幅越大,恒轴压卸围压试样的峰后渗透率可达到原始渗透率的163.0%~206.3%;围压卸载对采动煤体损伤-渗透的影响作用远大于轴压加载,因此在工程实践中需适当控制煤层开采速度,以有效避免煤岩瓦斯动力灾害。     

深部开采原生煤岩组合体围压卸荷致裂特征及破裂模式

受开采卸荷扰动影响，深部岩体互层及其组合结构系统的破裂失稳是诱发采场突水等灾害的主要原因之一。为研究深部开采围压卸荷对岩体组合结构破裂的影响，室内开展了原生煤岩组合体三轴加卸荷-渗流试验，获得了不同初始围压下原生煤岩组合体围压卸荷致裂的竖向、倾斜及环向裂隙分类特征，研究了其轴压卸荷起点、围压卸荷终点的强度特征及主导破裂模式的力学机制；结合CT扫描与三维重构技术，获取了原生煤岩组合体卸荷破裂的几何特征；建立了围压卸荷量与岩体卸荷致拉破裂、致剪破裂的关系，揭示了围压卸荷致裂模式与渗透率突变关系，验证并判定了不同初始围压下原生煤岩组合体的主导卸荷致裂模式。结果表明：在围压卸荷和轴压加载共同作用下，原生煤岩组合体卸荷破裂模式主要分为围压卸荷致拉破裂、致剪破裂及轴压协同卸荷致裂模式3类；随初始围压增加，原生煤岩组合体围压卸荷致拉破裂的围压卸荷终点临界值及致剪破裂的轴压卸荷起点临界值均线性增加；围压卸荷可致轴压协同卸荷突降并驱动煤岩分界面及层理等原生裂隙结构环向张拉破裂，且以沟通倾斜及竖向裂隙为主导；而围压卸荷致拉破裂与致剪破裂模式均可致原生煤岩组合体渗透率突变增高，突变点致裂模式与其围压卸荷终点...     

真三轴条件下等效围压对煤岩力学特性影响试验研究

为研究水平应力加载下煤岩的强度及变形特征,在试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:试件的三轴压缩峰值强度随最小水平应力和垂直应力的增大而增大,为比较复杂应力水平下煤岩力学特性,定义"等效围压"表述应力状态,得到试件峰值强度及峰值应变均随等效围压的增大呈线性增大;煤岩破坏产生的裂隙数量随着等效围压增大而增多;试件破坏程度随着等效围压的增大而增强且破断角随等效围压增大成二次函数递增。煤体所处应力水平影响其力学特性,试验结果对于煤岩深部高效开采及安全生产有重要的理论支持和实践意义。     

围压效应下煤岩强度及破坏特征的数值模拟

为了研究围压对煤岩强度和破坏特征的影响,对围压效应进行了理论分析,并利用FLAC2D模拟不同围压下煤岩的破坏情况。研究表明:煤岩极限破坏强度随围压的增大而增加,二者之间呈非线性关系;煤岩的轴向应力也随围压的增大而逐渐增大,应力区呈锥形和倒锥形分布,锥角大约为60°煤岩的切应力也随围压的增大而逐渐增大,剪切带也逐渐增大,从单重剪切发展到多重剪切;煤岩破坏的角度随围压的增大而逐渐增大;在没有围压时,煤岩外表面更容易达到塑性屈服状态;围压增大后,煤岩屈服后的塑性强化效果显著,符合幂次强化模型;煤岩的屈服极限也随围压的增大而逐渐增大。     

基于围压增量的岩石峰后蠕变试验研究

为研究围压增量对岩石峰后蠕变过程的影响,使用MTS815岩石力学试验系统,对加工成型的岩石试件进行三轴等应力蠕变实验,在峰后恒载蠕变之前对试件施加围压增量,得出增加围压后的岩石峰后蠕变曲线并分析研究.结果表明:主动增加围压改变了试件蠕变变形特性,其蠕变曲线出现了明显的减速蠕变阶段,岩石变形速率显著降低,失稳破坏时间大大延长.这一蠕变规律为矿井巷道支护参数的确定提供了新的理论参考,巷道围岩破裂失稳时间对围压增量的敏感性值得更深入的研究.     

不同损伤状态下煤岩渗透特性的试验研究

对不同围压状态下不同损伤程度煤岩的渗透特性进行了试验研究,研究结果表明:煤岩渗透性与损伤程度关系密切,其渗透性演化规律与损伤演化规律一致;围压对煤岩的渗透率影响较大,损伤程度相同时,围压越大煤岩渗透率越小。     

不同加载模式下煤岩破坏特性试验研究

利用煤岩力学伺服三轴压缩试验系统，辅以声发射监测手段，对彬长矿区胡家河矿煤岩进行不同加载模式的试验，对比煤岩在单轴、常规三轴及动静载组合试验条件下的宏观力学表现与损伤特征探究诱发冲击地压的机制问题。结果表明：在常规三轴条件下，随着围压的增大，煤岩强度逐渐提高，煤岩内部的储能能力逐渐增大|施加动载后，随着动载频率的增加，煤岩强度劣化越明显，煤岩经动载扰动后由塑性变形转变为脆性破坏|动载损伤较静载损伤更加剧烈、迅速，使得煤岩在破坏形式存在明显差异。单轴压缩条件下煤岩破坏为劈裂破坏，存有围压破坏时为剪切破坏，而在施加动载后煤岩纵横裂缝交错，为压剪组合破坏形式。     

煤岩物理力学性质与冲击倾向性关系

冲击倾向性是煤岩介质的固有属性,是发生冲击矿压的必要条件,物理力学参数表征煤岩介质的性质,基于大量煤岩介质物理力学参数数据及冲击倾向性结果,分析了煤岩物理力学性质中吸水性、强度参数、变形参数与冲击倾向性之间的定量或定性关系.试验研究及理论分析结果表明,随着煤岩介质吸水性增强,其动态破坏时间越长,冲击能量指数越低,冲击倾...     

三维煤岩力电耦合的损伤力学模型研究

在一维煤岩力电耦合的损伤力学模型基础上,建立了三维煤岩力电耦合模型。利用该模型分析了电磁辐射脉冲数、幅值与应力之间的关系,并对煤岩内部结构的围压条件对应力和电磁辐射的影响进行了模拟,最后分析了单轴压缩突然卸载的电磁辐射特征。研究成果应用表明,该模型分析煤岩损伤具有可靠性、先进性。     

煤岩全应力-应变过程中渗透特性的研究

选取安徽淮南张集矿的煤样,对加工成的9个标准试件(50 mm×H100 mm)进行全应力-应变过程中的渗透测试及CT扫描试验。渗透试验结果表明：煤岩的渗透率-应变曲线与应力-应变曲线具有相似的变化规律,且渗透率表现出应变滞后性,表明瓦斯在煤岩中的流动特性与受载过程中煤岩内部产生的损伤演化密切相关;围压使煤岩内部的瓦斯通道发生压密闭合,导致渗透率随围压的增大而减小。在渗透试验前后对试件进行CT扫描,结果表明,渗透试验前试件上基本观测不到有微观孔隙裂隙的存在,渗透试验后有明显的贯通裂缝产生,导致试件的渗透率在应力-应变峰后呈现急剧上升的趋势。     

全应力-应变条件下煤岩渗透率变化机制实验研究

针对煤岩在采动荷载作用下渗透率演化规律展开研究,选取河南平顶山矿区煤岩,基于Darcy定律稳态测量法,利用三轴压缩渗透实验装置进行煤岩全应力-应变渗透性实验。实验结果表明:控制渗透气体压力相同,围压的增加,阻止了试件拉伸裂隙的发育,导致煤岩全应力-应变曲线的应力峰值升高、渗透率降低;控制围压相同,煤岩应变-渗透率曲线与应力-应变曲线变化趋势基本相同,且存在因果关系,导致煤岩应变-渗透率曲线较应力-应变曲线具有滞后性。