基于数字体散斑法煤样内部三维应变场的测量

煤岩内部三维应力应变场的测量对冲击地压、气体吸附及煤与瓦斯突出的机理研究具有重要意义,但在实验室中很少有方法能够直接测量煤岩内部三维应力应变场。采用新近发展的数字体散斑法与微焦点工业CT相结合的方法分别测量了单轴压缩和CO2气体吸附过程中煤样内部的变形,由变形获得煤样内部的三维应变场。研究表明,煤样内部天然结构可以作为携带变形信息的散斑结构,用于变形测量。通过单轴压缩煤样内部等效应变及体积应变的可视化,直观地显示出试件内部应变局部化区域孕育发展的过程,煤样的变形破坏具有明显的应变局部化特征,应变局部化区域与煤样最终破坏断裂区域位置一致。利用DVSP法测得了煤样吸附CO2过程中的三维应变场,并与应变片测量结果进行了对比,两者具有较好的一致性。通过体积应变的分布图直观揭示出煤样在吸附气体过程中存在膨胀区与压缩区,由于非均质性造成内部变形不均匀。     

不同冲击倾向煤样表面温度场与变形场演化特征

采用实验手段,研究单轴压缩过程中,冲击倾向性和非冲击倾向性煤样表面变形场和温度场演化特征。运用白光散斑分析方法,对样品表面变形局部化带演化进行数据分析,发现非冲击倾向性煤样局部化出现在加载的弹性阶段,而冲击倾向性煤样出现在塑性阶段,冲击煤样的变形场演化要较非冲击煤样剧烈;冲击煤样与非冲击煤样的变形局部化内部区域温度整体较外部区域高,且变化规律基本相同,而局部化内外温差变化与其相反;冲击煤样的绝对温度变化较非冲击样品变化大;冲击煤样的温度场对应的变形局部化演化较非冲击煤样简单;基于不同煤样的全岩矿物分析及黏土矿物成分分析,对比了冲击煤样与非冲击煤样内部晶体、非晶体及黏土矿物的含量,从而探讨内部组分对宏观温度场和变形场的影响。     

基于数字图像相关方法的单轴压缩煤样应变局部化过程试验

为了进一步揭示煤样的应变局部化过程,利用数码相机记录单轴压缩煤样一个观测表面的散斑场,采用数字图像相关方法计算应变场,根据清晰应变局部化带位置布置相互垂直的测线,获得了最大剪切应变的变异系数与纵向应力的依赖关系。研究发现:(1)子区尺寸及测点间距不会对最大剪切应变的变异系数-纵向应变曲线的发展趋势产生影响;(2)应变局部化带法向的最大剪切应变分布左右并非严格对称,应变局部化带切向的最大剪切应变分布并非均匀,前者应与煤的非均质性有关,后者反映了应变局部化带的传播;(3)随着纵向应变的增加,应变局部化带宽度有变窄的趋势,应变局部化带法向的最大剪切应变剖面有变陡峭的趋势;(4)只有应变局部化带经历由模糊到清晰的过程才能引起最大剪切应变的变异系数的突增,此时,应变局部化出现时的纵向应力与单轴抗压强度之比为0.56。     

不同含水状态凝灰岩损伤演化试验研究

为探究矿井巷道、隧道开挖过程中岩石含水状态对围岩变形稳定的影响,开展干燥、自然及饱水状态下凝灰岩三轴压缩试验.基于三维数字图像相关技术研究了含水状态与岩石全应力-应变曲线、表面变形场、变形局部化及损伤演化特征的对应关系.结果表明:从干燥到饱水状态试件各特征应力阈值显著降低,弹性模量与泊松比显著降低;破坏阶段全应力-应变曲线跌落趋势趋于平缓,软化特征明显.从干燥到饱水状态试件表面变形非均匀程度增加,变形局部化现象提前启动,变形局部化带宽度明显增加.从干燥到饱水状态试件局部化轴向、径向启动应力水平显著降低,且与含水率保持良好的线性关系.基于变形场数据统计分析提出表征岩石表面损伤大小的损伤因子,干燥及自然状态损伤因子呈突发式增长现象,而饱水状态下呈缓慢增长趋势;不同含水状态损伤因子演化曲线均存在"突变点",统计结果表明随着含水率增加,损伤突变点对应应力水平值显著降低.     

煤样变形破坏过程中全应变场分布规律

为了研究煤样变形破坏过程中全应变场的分布规律,利用TYJ-500KN微机控制电液伺服剪切流变试验系统和XTDIC三维光学数字散斑系统对煤岩样进行单轴压缩试验。根据数字散斑的计算结果对煤样全程的加载过程的位移演化进行研究。得到结论,在煤样剪切破坏时,数字散斑图像中位移集中带出现较早,且位移集中区域辨别明显。通过对煤加载破坏全过程监测,数字散斑系统可以准确预测破坏形式和试样的破坏位置。因此,对于煤样的破坏,数字散斑监测数据分析判别为较准确预测试样破坏位置起到重要作用,对探究煤样破坏位置及变化集中带分布规律也具有重要意义。     

孔周煤岩体渐进性破坏过程裂隙和应变能演化特征北大核心

为探究瓦斯抽采钻孔孔周煤岩体渐进性破坏过程中裂隙和应变能演化特征,设计了完整试样和含孔试样,开展渐进性破坏试验;通过VIC-3D观测系统,获取试样表面变形情况,计算并分析试样表面裂隙动态演化过程,裂隙分布情况及应变能演化特征。研究结果表明:含孔试样抗压强度较低,且钻孔孔周产生较多裂隙,孔上下两侧变形严重,表明在实际钻孔施工过程中,煤岩体抗压强度会大幅下降,钻孔周围产生较多裂隙,从而造成钻孔破坏,甚至塌孔;渐进性破坏过程中,孔周煤岩体表面裂隙发生动态演化,其动态演化过程与加载应力呈对应关系,同时通过对比裂隙张开量和错动量演化特征,判定试样破坏的主要裂隙类型为张开、错动混合型裂隙;在渐进性破坏过程中,孔周煤岩体表面裂隙演化过程与局部化区域变形能密度累积保持对应关系,不同局部化区域的应变能密度演化特征不同,体现出孔周煤岩体在渐进性破坏过程中存在内部能量调整。     

煤岩受载损伤演化电位特征实验研究

通过分析煤岩破坏过程电位响应特征,并根据电位与变形破坏之间的关系,建立了煤岩损伤破坏与电位信号的耦合关系。研究表明：煤岩在受载破坏过程中电位信号与破裂损伤有较好对应关系。在受载前期,煤岩损伤变形较少,微破裂发育较为缓慢,产生的电位信号较少,较为稳定。受载后期,煤岩损伤破坏不断加剧,电位信号不断增加。当载荷突变时,煤岩破坏显著,电位信号出现相应的突变。试样破裂越强烈,电位突变越显著。基于统计损伤理论,建立了煤岩损伤破坏与电位信号的耦合关系,推导出不同损伤阶段基于电位累积量的“应力-应变”的理论曲线,并对计算应力与实测应力进行相关性分析,得到平均相关系数为0.623 7,呈显著相关,与实测值具有很好的对应性,且理论值具有前兆规律。电位响应特征的变化能够反映煤岩损伤的演化过程,为煤岩失稳破坏提供一种探测方法。     

霍普金森杆冲击加载煤样巴西圆盘劈裂试验研究

为研究煤样动态拉伸变形破坏特征,利用分离式霍普金森杆冲击加载系统,对煤样进行冲击条件下巴西圆盘劈裂试验,探讨了冲击速度和煤样中层理倾角对煤样动态抗拉强度、破坏应变及应变率的影响;并通过高速相机和数字散斑图像分析方法,对样品的动态劈裂及表面应变场变化过程进行了初步分析。研究表明:冲击速度和层理倾角对煤样动态拉伸破坏特征有明显影响。冲击速度越大,煤样动态抗拉强度则越大,但其随冲击速度增加的幅度逐渐减小;样品破坏应变在冲击速度为3.5 m/s时出现最大值。在冲击速度相近的情况下,层理与加载方向夹角相垂直时,样品的破坏应变相对较大,而应变率则最小。抗拉强度随层理倾角波动变化。在层理倾角与加载方向平行或非垂直时,煤样主要表现为拉伸破坏;在层理与加载方向非平行或非垂直时,样品表现出基质的拉伸和层理的剪切破坏相伴生。     

含瓦斯煤体受载破坏的电位信号灰色突变特征研究

基于含瓦斯煤受载破坏表面电位试验系统,测试研究了不同瓦斯压力下煤样受载破坏产生的电位信号变化规律及其灰色突变特征。结果表明:含瓦斯煤的破坏是载荷与瓦斯气体共同作用的结果,高压瓦斯的蚀损作用促进了煤体的破坏,引起较高的电位信号。由于当煤样受载破坏时,高压瓦斯会楔入新生裂纹,加速煤体破坏,从而产生较高的电位强度,且煤体产生的电位强度与充入的瓦斯压力成正比。笔者建立了含瓦斯煤破坏电位信号和载荷灰色-突变模型,分析了含瓦斯煤破坏的电位、载荷突变规律,发现在含瓦斯煤破坏过程中电位和载荷的灰色突变判别式可反映煤样的损伤积累、破坏临界、失稳破坏3种状态。电位信号的灰色突变特征对含瓦斯煤破坏具有明显前兆特征。     

岩石渐进性破坏过程中变形和能量分析

岩石的破坏是一个渐进的损伤演化过程,对于岩石渐进破坏过程的探讨有益于进一步加深对其破坏机理的认识。通过对江持安山岩进行不同围压的三轴压缩试验,分析了岩石整个破坏过程中应变场的演化规律和不同围压条件下的应力、应变及能量变化特征,获得如下结论:岩石在应变软化阶段由应变局部化区域演化为较窄的应变局部化带贯穿试件形成宏观的破裂面,岩石残余强度变形阶段应变主要集中在局部化带内,局部化带外的变形较为均匀,表现为沿宏观破裂面的剪切滑移;各应力阈值对应的轴向应变、径向应变、总应变能、弹性应变能均随围压呈线性递增;峰值强度之前岩石中吸收和存储的能量随围压的增加而增大,总应变能和弹性应变能的增长速率随围压的增加而增大。     

煤岩冲击变形破坏特性及其本构模型

采用分离式霍普金森压杆(SHPB)实验系统对不同冲击速度下煤岩试样应变率变化规律、动态力学特性及其变形破坏特征进行了测试,探讨了煤岩动态力学本构模型。实验结果表明,煤岩试样的加载应变率与冲击速度整体上呈正相关关系,且不同冲击速度下煤岩试样的力学响应特征均具有分段性,可根据响应特征的差异将煤(岩)试样在低-中-高冲击速度下的变形依次划分为压密变形、塑性变形、塑性软化(硬化)变形3种类型;煤岩试样的破坏特征均具有明显的应变率相关性,在低冲击速度下,试样均呈脆性破坏形式,随着冲击速度的增加,试样的延性破坏特征逐渐显现。在分析煤岩试样应力-应变本构关系及动态破坏特征的基础上建立了包含低-中-高应变率响应的粘弹性损伤本构模型,应用结果表明,与实测曲线相比模型拟合曲线拟合精度高,验证了所建模型的有效性与合理性。     

浅埋近距煤层开采三场演化规律与合理煤柱错距研究

为探索浅埋近距煤层开采基于三场(应力场、位移场和裂隙场)演化规律的合理煤柱错距,实现井下减压与地表减损开采,以陕北柠条塔煤矿北翼东区1~(-2)与2~(-2)煤层开采为背景,采用FLAC~(3D),UDEC数值计算、物理模拟及理论分析相结合的方法,揭示了近距煤层开采覆岩与地表应力场、位移场和裂隙场演化规律,掌握了不同区段煤柱错距对煤柱集中应力、覆岩与地表位移及裂隙演化的影响,提出了基于三场演化规律的区段煤柱错距确定方法。研究表明,近距煤层开采的裂缝集中发育和地层拉、压应力集中源于煤柱引起的非均匀沉降,上部单一煤层开采后,在底板形成煤柱高应力区、低应力区和采空区中部高应力区,为避开上、下煤柱垂直应力叠加,下煤层巷道应布置在低应力区范围内。近距煤层开采的地表拉应力场和位移场与煤柱错距存在密切联系,通过合理的煤柱错距布置,可以减缓地表下沉的"波状"幅度,减轻地表拉应力和水平变形。随两煤层煤柱错距增大,覆岩裂隙场由叠合逐渐分散,对应地裂缝逐渐减小,煤柱错距对其上部的覆岩裂隙与地裂缝起控制作用。建立了应力场-位移场-裂缝场耦合控制模型,提出了煤柱错距的计算方法,可实现减轻地应力集中和地裂缝发育的耦合控制。本研究得到实测验证,并在柠条塔煤矿后续开采布置中应用。     

不同含水状态下含瓦斯原煤加卸载试验研究

以南川宏能煤业(原半溪矿)矿井西翼K1煤层为研究对象,利用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置,进行了不同含水状态下的含瓦斯煤加卸载试验研究。研究结果表明:(1)随含水率增加,加卸载煤样的承载强度、残余强度、变形模量都呈现降低趋势,而轴向应变、径向应变、体积应变及侧向膨胀率均呈增加趋势。(2)加卸载过程中煤样甲烷有效渗透率变化与煤样损伤变形演化相对应,但存在明显的滞后现象;煤样破坏前,含水率越高,甲烷有效渗透率越小;煤样破坏后,含水率越高,甲烷有效渗透率反而越大。(3)随含水率增加,加卸载煤样破坏程度增大,裂隙发育增多,形变量增大,煤样加卸载过程中的总能量和耗散能也增加,而弹性能却减小。     

煤矿采空区岩体渗透性计算模型及其数值模拟分析

煤矿采空区岩体渗透性是煤矿采空区煤层气抽采设计的基本参数。从煤矿采空区岩体变形-破坏特征分析入手,通过理论分析研究了岩体渗透性与应力之间的耦合关系和模型,揭示了采空区岩体应力-应变和渗透性分布规律。研究结果表明:不同岩性岩石的渗透性在全应力-应变过程中为应变的函数,采空区岩体渗透性决定于岩体破坏程度和断裂的张开度,基于采空区岩体应力-应变导致断裂开度变化,推导了采空区岩体渗透系数与应力之间的三维关系与模型;应用FLAC~(3D)计算软件,对采空区岩体应力-应变-渗透性进行了数值模拟计算,分析了采空区岩体的变形破坏的分区分带特征,在纵向上自上而下形成弯曲下沉带、断裂带和垮落带;在横向上划分为原岩应力区、超前压力压缩区、卸载应力区和岩体应力恢复区;揭示了采空区岩体渗透性分布与采空区岩体应力-应变和破坏规律相一致的特征。无论是垂直渗透系数比(K_z/K_(z0)),还是水平渗透系数比(K_y/K_(y0)),均随着距开采煤层垂直距离的增大,采空区岩体渗透性逐渐减小,且采空区边缘的渗透系数较大,采空区两侧煤柱区岩体渗透性显著降低。     

煤岩破裂过程表面电位云图软件开发及应用

针对克里金插值法中理论变异函数拟合精度不稳定及缺乏专用电位云图软件问题,提出了计算理论变异函数模型参数的自动-人工拟合方法,并利用MATLAB开发了煤岩破裂过程表面电位云图软件。对预制45°裂纹岩样进行了单轴压缩实验,利用该软件绘制了岩样变形破裂过程中的表面电位云图,分析了表面电位分布与试样破裂状态的对应关系。研究表明:自动-人工拟合法计算过程稳定,有效提高了克里金插值法的精度;基于开发的电位云图软件绘制的电位云图能够真实反映煤岩体的表面电位分布及变化;岩样表面电位云图可以反映裂纹的扩展方向及岩样破裂状态;在岩样弹性变形阶段后期,表面电位云图反映了岩样裂纹扩展的前兆信息。     

预制钻孔煤样冲击倾向性及能量耗散规律

基于煤的冲击倾向性测定方法进行预制钻孔煤样单轴加载试验,研究钻孔煤样的冲击倾向性变化规律,引入破碎颗粒分形维数与新增表面积,分析钻孔煤样破碎过程中的能量耗散规律。结果表明:(1)钻孔使试样以剪切劈裂破坏形式转变为在孔洞两侧孕育、融合裂隙并在岩桥之间产生贯穿裂纹的破坏形式,同时伴随塌孔现象。随钻孔排数增多,钻孔试样呈现出应力峰前塑性损伤逐渐增大,峰值强度降低、积聚弹性能减少,峰后破坏耗时延长、耗能提升的趋势,且单轴抗压强度、冲击能量指数、弹性能量指数均逐渐降低,动态破坏时间显著升高,冲击倾向性逐渐减弱。(2)试样破碎颗粒分形维数与新增表面积具有良好的负相关性:试样破碎程度越低,分形维数越高,新增表面积越小。(3)试样应力峰前能量的输入、耗散与新增表面积无明显关系。峰后能量释放及耗散规律与破碎颗粒新增表面积变化规律一致,新增表面积越大则峰后耗能越多。受加载速率及钻孔布置影响峰后能量差值与新增表面积变化呈"U"形变化趋势。钻孔减缓了试样峰后能量释放与能量耗散速率,且二者降低幅值较为相近,单孔试样降低约17.0%,双孔试样降低约68.3%,三孔试样降低约70.8%。钻孔卸压可以降低峰前积聚的应变能,降低峰后单位时间内释放的能量,使得不易发生动力破坏。     

基于变形场时空演化的煤冲击劈裂试验研究

采用霍普金森杆冲击加载装置,通过高速摄影机搭建实验的数据采集系统,以数字散斑相关方法作为实验的观测手段,对巴西圆盘煤试件在冲击载荷作用下的冲击劈裂变形场演化规律及裂隙扩展特征进行实验研究。试验结果表明:1从变形场演化特征分析,加载初期变形场相对均匀,随荷载增加变形局部化特征明显。变形场时空演化总体表现为两个阶段特征:峰前水平方向变形量值变化较快,垂直方向变形量值变化较慢;峰后由于裂隙演化,水平方向变形量值变化缓慢,垂直方向变形量值变化较快;2霍普金森杆加载过程中,在试件两端加载处出现了局部压碎区,加载过程中主裂纹从压碎区域萌生并沿径向加载方向扩展至另一端贯通破坏;3实验测得煤样在冲击载荷作用下峰前应力随应变呈线性增长,弹性模量与静荷载相比有较大提高,由于压碎区域存在,冲击加载实验得到的煤试件拉伸强度与实际相比偏小。     

不同瓦斯压力下煤岩三点弯曲断裂特性研究

为探求含瓦斯煤I型裂纹断裂韧度及断裂过程裂纹扩展特性,以原煤制作中心直裂纹半圆盘三点弯曲试样为研究对象,利用自行研制的带视窗的含瓦斯煤岩试验装置,开展了不同瓦斯压力条件下含瓦斯煤I型裂纹断裂特性研究。研究结果表明：在瓦斯赋存状态下,随瓦斯压力的增大,I型断裂韧度及断裂能耗呈逐渐降低的趋势;含瓦斯煤试样扰度逐渐增大,试样在破坏前塑性形变逐渐明显;裂纹初始扩展速度显著增加（瓦斯压力由0增加至1.5 MPa时,其初始扩展速度由78 m/s提高至239 m/s）,且随裂纹长度的增加,扩展速度明显降低;通过数字散斑方法,清晰的描述试样表面变形及裂纹扩展过程,并得到裂纹扩展前的损伤区域。     

煤矿开采损伤数值模拟量化表征与应用

地表岩土层沉陷和生态损伤是采动损伤的主要表现形式,量化表征采动损伤是分析围岩稳定性、设计开采工艺参数和巷道支护参数的前提。本文根据现阶段常用的有限元和离散元模拟方法,提出并定义了损伤度概念,作为表征开采损伤的量化指标,即单元体塑性体积占比和接触断裂长度(个数)占比;利用损伤度量化指标优化了西部矿区高强度开采参数,分析了采动水浸条件下区段煤柱的稳定性和充水断裂构造区域巷道围岩的渐进损伤特征,获得了覆岩损伤度与工作面长度和推进速度的量化关系,可以实现开采参数的合理优化;揭示了区段煤柱采动水浸的渐进损伤特征,认为现有煤柱条件下采空区作为蓄水区域存在渗水危险;量化了充水断裂构造区域巷道围岩损伤分布特征,提出了疏放断层贯通顶板含水层+原有断层裂隙注浆加固+加强支护的解决措施。与导水裂隙带高度、煤柱塑性区发育宽度等常用损伤指标进行对比,损伤度量化指标对于采动损伤表征的敏感度更高,能够实现连续性采动损伤表征。