煤岩的广义弹粘塑性模型分析

通过现场工程调查，煤岩的显微结构实验和全应力－应变实验分析，提出一种适宜于研究矿山煤岩流变力学问题的广义弹粘塑模型，建立了模型的本构方程，简单应力状态下的蠕变方程和复杂应力状态下的蠕变程，最后，利用非线性回归分析法－最小二乘法中的Marquardt法对里面变实验结果进行分析，获得有关煤炭的流变力学参数，理论分析结果和试验结果对比表明，两之间具有较好的吻合性。     

基于煤岩蠕变力学实验的西原模型改进与分析

在煤层气钻采和煤炭开采过程中,由煤岩蠕变引起的工程失稳现象时有发生,严重制约了煤层气与煤炭资源的勘探和开发。为深入探讨煤岩的蠕变规律,利用我国煤层气钻采和煤炭开采主要地区-山西晋城地区煤岩进行了蠕变力学实验研究,分析不同轴向荷载条件下煤岩应变与时间的关系。并根据该地区煤岩的蠕变力学特性,构建了适合于该地区的改进西原模型及相应的本构方程。通过实验验证与对比分析:改进的西原模型能更好的反映该地区煤岩蠕变特征,尤其是煤岩所受荷载大于长期强度时效果有显著提升。     

煤岩蠕变特性试验研究

为研究大平煤业煤岩蠕变特性,采用HSW-200R手动三轴蠕变试验仪对煤样进行了单轴、三轴蠕变试验。根据试验数据,利用origin软件进行线性回归,得出了本构方程,并对该本构方程进行蠕变参数的辨识。研究表明,用西原加速模型可以很好的对大平煤业煤岩蠕变特性进行描述。该试验方法对于类似煤岩蠕变研究具有一定借鉴意义。     

砂岩的三维非线性损伤蠕变特性

岩石的蠕变性质对预测巷道围岩失稳、保障矿山生产安全等具有重要影响，岩石蠕变本构模型的建立是研究岩石蠕变变形特性的重要依据。针对传统蠕变模型难以反映岩石的加速蠕变阶段特征的问题，提出了一种改进的西原体模型，建立了一个可变黏性系数的黏性元件，用来替代传统西原体模型中的常规黏性元件，并推导出改进后的西原体模型的本构方程和一维、三维蠕变方程。通过不同应力等级下的三轴压缩蠕变试验，采用Origin软件对该模型进行参数辨识及曲线拟合，对比分析实际试验数据与模型参数，结果表明：试验实际数据值与理论计算值吻合度均大于0.93,改进的西原体模型能够准确描述岩石加速蠕变阶段的特征，验证了该模型的正确性和适用性，具有重要的理论意义。     

膏体充填开采胶结体的蠕变本构模型

为分析膏体充填开采胶结体的蠕变特性,进行了三轴蠕变试验。在试验基础上推导了考虑时间和应力2个变量的损伤演化方程,将损伤变量引入改进的西原模型中,建立了新的本构模型,推导了胶结体的三维蠕变本构方程。根据试验数据对该模型的蠕变参数进行拟合,将理论计算的蠕变曲线与试验得到的蠕变曲线进行了对比。研究结果表明：膏体充填开采胶结体属于黏弹塑性材料,具有明显的流变特性。在偏差应力值较小的应力水平下仅有衰减蠕变和稳态蠕变2个蠕变过程,在偏差应力较大时有加速蠕变阶段,蠕变值随偏差应力值的增加而增加,蠕变值增大速率随偏差应力值的增加而减弱。引入损伤的改进西原模型能较好地反映胶结体的蠕变规律。     

高地应力区煤岩蠕变特性试验及蠕变参数识别

煤岩的蠕变特性对回采巷道的稳定性具有重要的影响作用,在煤岩单轴压缩试验的基础上,采用分级加载的方式对阳煤集团三矿回采巷道煤岩进行了蠕变试验。结果表明,煤岩具有明显的蠕变特征,蠕变过程主要有衰减蠕变与稳态蠕变两个阶段。通过BFGS算法的MATLAB编程实现了煤岩单轴压缩蠕变试验曲线的Burgers蠕变模型参数识别,得出Burger蠕变模型可很好地描述煤岩蠕变特性。     

分级加卸载下节理软岩流变试验及模型

采用分级增量循环加卸载方式，对金川有色金属公司 Ⅲ 矿区软弱节理矿岩进行蠕变试验，按瞬时弹性应变、滞后黏弹性应变、瞬时塑性应变与黏塑性应变对流变试验数据进行分析，探讨了软弱节理矿岩的黏弹塑性变形特性；引入2种非线性元件--裂隙闭合体和非线性牛顿体，并将它们和描述衰减蠕变特性的开尔文体及描述瞬弹性的虎克体相结合，得到了一种新的复合元件流变模型，以研究复杂条件下节理软岩的黏弹塑性变形特性.试验结果表明,复合元件流变力学模型能很好地描述节理软岩在不同应力水平下的蠕变特性,特别是裂隙闭合阶段和加速蠕变阶段的特性，金川Ⅲ 矿区矿岩蠕变试验曲线与理论曲线较为吻合.     

尾砂胶结充填体蠕变试验及统计损伤模型研究

为研究充填体蠕变力学特征,采用RLW-3000微机控制剪切蠕变试验机进行分级加载条件下的单轴压缩蠕变试验。试验结果表明:荷载越高充填体变形越快,充填体内部缺陷及弱面的压密与扩展在宏观上表现为充填体蠕变变形。假定充填体微元破坏概率与轴向应变存在关系,服从Weibull统计分布,结合充填体单轴抗压试验,确定了可以描述充填体损伤演化过程的损伤变量。将损伤变量引入Burgers模型中,建立了充填体蠕变统计损伤本构模型,采用MATLAB软件对充填体分级加载蠕变试验数据进行拟合,确定模型参数,结果表明:所建立的模型曲线与试验曲线较为吻合,应力水平越高,拟合结果精度越高,此模型可用于描述充填体蠕变力学行为。     

充填膏体蠕变损伤模型研究

为研究充填膏体的蠕变特性,对以水泥、粉煤灰、煤矸石制备的充填膏体试件进行分级加载蠕变试验,试验结果表明,充填膏体具有较大的瞬时弹性变形,变形值随应力水平的提高而增加;蠕变阶段表现为明显的减速蠕变阶段和等速蠕变阶段,蠕变变形随应力水平的提高而增加。根据实验结果,确定用Burgers模型描述充填膏体的蠕变过程,并采用一种新的损伤模型的建立方法,推导出基于Burgers模型的蠕变损伤方程,建立蠕变损伤模型。使用Origin软件对试验结果进行拟合以确定模型参数,结果表明,建立的模型曲线与试验结果吻合良好,该蠕变损伤模型能够较好反映考虑损伤的充填膏体的蠕变特性。     

不同瓦斯压力下煤岩三轴加载时蠕变规律及模型

岩石蠕变模型众多，其适用性及优缺点亟待总结,而且低瓦斯压力与煤岩蠕变间的关系尚不确定,为此，进行了低瓦斯压力下分级加载轴压时型煤蠕变实验。结果发现，随着瓦斯压力增大，型煤轴向应变增大，说明煤岩蠕变与瓦斯压力呈正相关。利用实验数据检验常见蠕变模型时发现经验函数(幂函数、指数函数、多项式等)均存在缺陷，只能拟合衰减蠕变或非衰减蠕变中的一种；Burgers模型及其改进模型均存在不足，西原模型不适用于非衰减蠕变，西原加速模型适用于砂岩，用于拟合煤岩非衰减蠕变时存在滞后性。经过优化后得到改进的西原加速模型，经证明其可靠性强。另外，提出了蠕变拐点的观点，岩石发生非衰减蠕变是蠕变曲线上至少存在1个蠕变拐点的充要条件。这不仅完善了蠕变的数学理论，而且能为预防岩石失稳破坏等工程实践提供借鉴。     

受载复合煤岩变形破裂力电热耦合模型

采用自主研制的电磁辐射信号采集系统、高精度红外热成像仪分别采集由顶板岩、煤层、底板岩组成的复合煤岩受载破裂产生的电磁辐射、红外辐射温度信号。对复合煤岩的弹性模量与温度变化规律进行研究。结合热损伤、力电耦合模型,提出复合损伤因子,建立了受载复合煤岩破裂力电热耦合模型。对试样测试的数据进行拟合,分别采用力电耦合模型、力电热耦合模型对测试的试样模型参数m进行拟合。研究结果表明,复合煤岩的弹性模量和温度呈负相关关系,复相关系数在0.9以上。建立的新模型参数复相关系数比力电耦合模型有一定提高,结果表明考虑热损伤对模型修正后,模型精确度得到提高。     

黏弹性VTI煤层介质超声波传播模型建立与分析

煤岩界面自动识别是深部煤层无人采掘装备自主控制中的关键技术。利用煤和岩声阻抗的差异性,采用超声波检测煤层厚度达到识别煤岩界面的目的。以Kelvin-Voigt黏弹性模型及各向异性理论为基础,推导适用于具有垂直对称轴的横向各向同性(VTI)黏弹性煤层介质的二维一阶速度-应力波动方程,建立黏弹性VTI煤层介质数学模型,采用交错网格有限差分法模拟超声波场在煤层中的传播,并通过实验验证所建立的黏弹性VTI煤层介质模型和交错网格有限差分法的正确性。研究结果表明：黏弹性VTI介质数学模型和交错网格有限差分法适用于数值模拟超声波在煤层中的传播,为超声波煤层厚度检测和煤岩界面识别研究提供了理论基础。     

煤岩体冲击地压储能机理发生条件的研究

为了进一步定量分析冲击地压的发生时间、地点、强度等特征,结合对岩体性状组织损伤弱化的分析,提出了煤岩体发生冲击效应的区域能量方程,从能量的观点对煤岩的力学性质进行了多方面的探究,建立了煤岩损伤本构方程,论述了冲击地压的形成机理.结果表明,冲击地压过程实际上是加速损伤过程,冲击地压的发生有两个必要条件:一是岩石为第Ⅱ类岩石,二是巷道壁面产生足够大的变形,并提出预防冲击地压的措施.     

复合煤岩变形破裂应力-电荷-温度耦合模型研究

为探究复合煤岩力学性质与电荷、温度信号内在联系,从大同忻州窑矿具有典型煤岩动力灾害特征煤层,提取顶板岩、煤样、底板岩按照1∶1∶1比例制备复合煤岩试样,采用0.1,0.3,1.0 mm/min三种不同加载速率对煤岩试样进行单轴加载破裂实验,研究复合煤岩试样单轴加载变形破裂过程中电磁、电荷、温度信号变化规律。试验结果表明:电磁辐射脉冲、电荷感应、温度在复合煤岩试样失稳破坏前均出现明显的前兆变化特征;加载初期电磁辐射、电荷感应信号较弱,随着加载应力水平的增加,两个信号逐渐增强,在临近峰值应力前信号达到最强,具有较强的一致性,两者呈二次相关性,系数在0.8以上;相对于电磁辐射信号变化特征,电荷感应信号的持续时间较短,信号特征为阵发性的,当以0.1 mm/min速率加载时,电荷感应信号最强,0.3,1.0 mm/min速率加载时信号变化率随加载速率增大而增大;温度总体呈阶跃式、台阶式上升趋势,在峰值前达到最大值。结合复合煤岩破裂SET(stress-electricity-thermal)耦合模型,推导电磁辐射脉冲数与电荷感应电压之间的数学关系,构建了SCT(stress-charge-thermal)耦合模型。针对12组试样进行试验,数据拟合结果表明:SCT模型参数n,b′的数据拟合精度较SET耦合模型m,b稍高,复相关系数基本均在0.9以上,具有较高契合度。试样产生的电磁辐射、电荷感应及温度变化与自由电荷、内部微破裂、摩擦等因素有关。在煤矿现场电荷感应检测受干扰相对于电磁辐射要小很多,故可考虑采用SCT耦合模型对煤岩动力灾害进行预测预报。     

考虑区域地应力特征的裂隙煤岩流固耦合特性实验

通过位移反演方法对区域地应力特征进行理论分析，建立研究煤岩内部裂隙时空演化规律的力学实验系统，设计了区域地应力作用下裂隙煤岩流固耦合计算模型，初步揭示裂隙煤岩流固耦合特性。通过地应力的现场监测，验证了位移反演方法的准确性，垂直地应力与最小水平主应力数值稳定，受开采扰动影响，最大水平主应力出现局部性突增。借助数字化X射线摄影系统，给出了不同载荷下内部裂隙场DR扫描图像，发现随外载增大煤岩内主裂隙持续扩展，且裂隙场形态分别为共轭型与X型。矢量化处理裂隙场信息并导入耦合计算模型，分析不同工况下耦合模型的渗流参数变化情况，初步得出裂隙煤岩流固耦合特性:外载增大将导致煤岩内部微裂隙进一步相互贯通扩展并出现宏观破裂，这是裂隙煤岩孔隙率与渗透率持续性增加的本质原因，且流速最大区域迁移过程可表征裂隙煤岩次生裂隙分布特点，主裂隙内水体流速最大且随注水压力的增大，水体流速不断增加，较大的流速一般发生在具有较大水力梯度的细小裂隙位置处。同时，出口流速特征表现为出口流速分量的最大值均位于煤岩两侧并随着外载的增大而增加。     

深部煤体非线性蠕变本构模型及实验研究

深部煤体蠕变规律研究对控制巷道围岩变形,预防煤与瓦斯突出及改善瓦斯抽采效果具有重要意义。基于分数阶导数流变模型,推导出煤体三维应力条件下非线性蠕变本构方程。考虑深部煤体赋存的高应力环境及应力变化路径,进行了三向应力状态下轴压恒定、分级卸围压的煤体蠕变实验。实验结果表明:在三向高应力状态下,试件的轴向和环向应变表现为初始蠕变和稳态蠕变,最终出现加速蠕变阶段;在相同差应力条件下,煤体蠕变变形随围压增大而减小。利用煤体卸围压蠕变实验数据对文中蠕变本构方程的参数进行拟合,结果表明:该蠕变本构方程能很好地描述煤体蠕变三阶段,特别是加速阶段。在蠕变本构方程参数确定的前提下,分析了应力水平、分数阶导数阶数及黏性系数对煤体蠕变特性的影响规律。     

薄煤层炮掘巷道履带式煤岩装载机的研制

为解决我国煤矿薄煤层半煤岩炮掘巷道装载机械化,提高装载效率和巷道掘进速度,提出研究开发薄煤层半煤岩巷道中使用的履带式煤岩装载机。介绍了履带式煤岩装载机结构组成和工作原理,并着重对装载机构、行走结构、运输结构以及冷却系统进行阐述,对装载试验情况进行介绍。     

Test study on rupture process and permeability properties of coal-rock in simulating mining stress effect

A test system was designed by using a set of self-made experimental devices of coupled coal-gas in simulating mining stress effect, combining the equipment with RMT-150B rock mechanical experimental system, monitoring the rupture process of coal-rock with an acoustic emission (AE) device and collecting gas-flow rate and gas-stress data in real-time automatically with a gas flow-meter and gas pressure sensor. The fracture process and permeability properties test of the coal-rock in mining stress effect was carried out. Test results indicate that AE events and variation of stresses have the same variance tendency and the rupture process of coal-rock can be monitored by AE. The relation curves among stresses, parameters of AE and permeability properties demonstrate that the permeability of coal-rock decreases gradually at quasi-elastic stage, increases gradually at plastic damage micro-fracture stage, rises suddenly near the peak point and has multi-variation at post-peak slip stage. From the results, such conclusion can be drawn that the variation of permeability can be monitored by AE parameters or stress change. Supported by Significant Public Welfare Project of Henan Province (08110091500); the Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education (20070460001); National Nature Science Foundation of China(50478061)     

基于多传感器信息融合的煤岩界面识别

煤岩界面识别是实现采煤机滚筒自动调高的关键之一,本文讨论基于多传感器信息融合的煤岩界面识别方法。