不同温度作用下砂岩微观结构变化与演化规律实验研究

深部煤层的高地应力以及地下气化过程中产生的高温热应力的共同作用会对岩石造成损伤,破坏煤层围岩的稳定性。采用扫描电子显微镜、X射线衍射、CT扫描等实验手段对砂岩试样不同温度(25℃,200℃,400℃,600℃,800℃,1 000℃)下微观结构及矿物成分变化情况进行研究。结果表明：温度变化对砂岩的微细观结构具有重要影响。砂岩的孔隙率整体上随温度的升高而增大,1 000℃的砂岩孔隙率最大,25℃的砂岩孔隙率最小。砂岩不同孔径的孔隙数量总体上随温度的升高而减少,但1 000℃砂岩的微孔数量最多,25℃砂岩其他孔径的孔隙数量最多。加热后砂岩开始产生微裂纹,当温度超过600℃时,试件产生的微裂纹的数量明显增加,微裂纹长度、宽度及密度随着温度的升高进一步扩展。试件的矿物成分衍射强度及矿物的含量随温度的变化各不相同,超过600℃时各类矿物成分衍射强度变化发生转折,超过400℃时,砂岩内部矿物成分发生物理化学反应,晶体之间发生转化,随温度的升高,石英矿物含量逐渐增加,长石矿物逐渐减少;试件表观形态变化的临界温度为400℃。     

岩石剪切破坏裂纹演化特征量化分析

 为深入研究岩石破坏过程表面裂纹演化规律,探讨表面裂纹与内部破裂之间的内在联系,对砂岩剪切过程中表面裂纹演化特征进行量化,分析砂岩剪切破坏表面裂纹演化模式,建立表面裂纹量化参数与应力状态和声发射特征之间的关系,并探讨含水状态对岩石剪切破坏表面裂纹量化参数的影响。研究结果表明：砂岩在剪切过程中伴随着表面雁行裂纹的形成与贯通,雁行裂纹宏观形态出现于破坏前的极短时间内,随后岩石发生剪切贯通;最大AE事件率总是出现在剪应力急剧下降来临之前极短时间内,且出现在表面裂纹非稳定快速扩展之前;饱水系数影响了表面裂纹出现的时间和相对于峰值剪应力的位置,随着饱水系数的增加,砂岩表面裂纹出现时间变早,最大瞬时贯通速度呈依次递减规律,贯通时间变长,表面裂纹快速扩展滞后时间呈明显增加趋势。     

双面剪切荷载作用下岩石断裂过程声发射特性研究

为深入研究双面剪切荷载作用下岩石断裂过程声发射特性,利用自主研发的煤岩双面剪切试验装置及PCI–2型声发射系统,分析砂岩声发射特性随含水率增高声发射特性曲线变化趋势。试验结果表明:砂岩试件在不同含水率条件下,其剪应力随时间变化趋势一致,剪应力达到峰值所需时间随含水率增加呈减少趋势;双面剪切荷载作用下,砂岩的Hit率–时间曲线、累计Hit数–时间曲线均可分为3个阶段,且Hit率峰值滞后于剪应力峰值;砂岩在双面剪切荷载作用下,内部微裂纹萌生、扩展主要始发生于剪应力达到抗剪强度的1/2时,此时砂岩试件处于微破裂稳定发展阶段;砂岩声发射事件幅值由低到高随剪应力增加呈阶梯状分布;砂岩内部微裂纹扩展方式以绕晶而过为主,穿晶破裂为辅。     

循环荷载条件下充填厚度对结构面剪切力学特性影响试验研究

利用相似材料制作砂岩剪切破坏结构面并进行循环剪切试验,研究无充填及3种不同充填石膏厚度条件下结构面的力学性质和三维形貌演化规律.试验结果表明:无充填结构面的峰值剪切强度最大,随着充填厚度的增加,结构面的峰值剪切强度先下降后上升,表明充填物的厚度对结构面的剪切强度有较大影响.结构面的法向变形量随充填厚度的增加而不断增大,其中无充填结构面和充填物厚度为1 mm的结构面剪胀现象明显,随着充填厚度的增加结构面剪缩现象逐渐显著.在循环剪切作用下,无充填结构面在初次循环中以啃断破坏为主,后4次循环剪切中以磨损破坏为主,充填1 mm的结构面主要为磨损破坏,但当充填厚度大于1 mm时结构面在循环剪切过程中还存在滑移破坏,说明充填厚度通过影响结构面的破坏模式来影响其力学性质.本文研究可为工程岩体稳定性分析提供参考.     

真三维应力下煤岩水力润湿范围动态监测试验系统研制

为了研究深部煤层复杂应力环境下煤岩的力学特性与渗流润湿规律,自主研制真三维应力下煤岩水力润湿范围动态监测试验系统,其主要由应力加载系统、液压伺服系统、数据采集与控制系统、声发射监测系统等组成.该系统的创新性及先进性如下:(1)开展煤岩不同地应力、不同流体压力、不同采动应力、不同温度等多场耦合条件下的试验研究;(2)进行...     

废气处理吸附器均匀流场的优化

采用CFD软件对含原气体分布器、改进型气体分布器和改进型气体分布器与多孔板相结合3种方案的吸附器的内部流场进行研究,并进行相应的实验验证。模拟结果表明:含原来的气体分布器、改进型分布器和改进型分布器与多孔板相结合吸附器内吸附剂截面上速度相对标准偏差分别为79.165%、36.74%和23.13%;当改进型分布器与多孔板组合使用时,多孔板距离吸附器进口450 mm时气体分布最均匀。实验结果表明:多孔板距离吸附器入口450 mm时,实验数据和模拟结果相对误差仅为2%,存在极好的一致性。     

法向应力对岩石剪切裂纹演化与贯通机理的影响

利用自主研发的煤岩剪切细观试验装置,以砂岩为研究对象,开展了不同法向应力条件下的岩石剪切细观开裂演化与贯通机理试验研究,分析了砂岩剪切细观开裂演化过程及细观贯通机理,探讨了法向应力对细观开裂和细观裂纹形态特征的影响。研究结果表明:随着法向应力的增加,峰后残余强度呈增加趋势,试件表面起裂裂纹的长度在减小,施加法向应力后裂纹开裂时间均发生在峰前阶段;中部裂纹形成和贯通过程中出现的岩桥,在摩擦滑移的过程中发生不断的偏转,导致脱落,形成局部剥离;端部贯通裂纹形成后,由于法向应力的限制及端部应力集中,出现端部次级裂纹,并与原有的贯通裂纹连通,形成分叉,引起端部局部剥离;法向应力的作用,使得贯通裂纹周边颗粒间产生许多微裂纹,加剧了剪切裂纹左右侧壁的损伤范围;随着法向应力的增大,砂岩剪切过程中出现的宏观间断裂纹的数目呈逐渐增加规律,间断裂纹的长度呈减小趋势,次级裂纹数目和裂纹发育带范围均呈增加趋势。     

高压流体注入对煤岩变形和破裂特性的影响

煤岩储层中孔隙压力、地应力和煤岩自身结构的耦合效应对煤体内裂纹的萌生、扩展以及破裂特性起着显著作用。以原煤为研究对象,进行了真三轴应力条件下高压流体致裂煤岩试验,以探究不同水平应力差（或中间主应力）和不同黏度流体耦合作用下煤体内裂隙扩展规律和破裂模式。得到流体压力峰值随中间主应力的增加而减小,且注水产生的流体压力峰值相比液态CO₂和N₂较大。随着中间主应力的减小,煤体破碎程度加剧。低中间主应力水平下,煤体内主要形成沿层理面及层理面附近扩展的拉伸裂隙。高中间主应力水平下,煤体内主裂隙呈斜穿层理结构的剪切破坏特性,形成了较大的煤块。孔隙压力增加过程中,裂隙扩展行为包括：（1）煤颗粒翻转;（2）高压流体作用下诱发拉伸裂隙所引起的层理平移;（3）偏应力作用下诱发剪切裂纹穿越层理而形成宏观剪切滑移面;（4）剪切裂纹在拉伸裂纹处中止扩展。因有效应力各向异性特性,煤体内孔隙压力增大使得最大偏应力也相应增大,最终导致煤体失稳破裂。基于此,提出修正裂纹滑动模型,获得了流体注入过程中裂纹密度参数随流体压力的增加而增大,随水平应力差的增加而减小,这与原煤的应变变化...     

剪切荷载条件下岩石细观破坏及声发射特性研究

采用煤岩细观剪切实验装置及PCI-2型声发射系统,开展了砂岩在不同剪切速率条件下的细观破坏与声发射特性试验,探讨岩石在剪切破坏过程中的破坏形式与声发射之间的关系。试验结果表明:在剪切荷载作用下,砂岩试件在不同加载速率条件下破坏过程中剪应力随时间变化趋势一致,随着加载速率增大,砂岩的剪切变形减小,抗剪强度降低;声发射活动伴随着整个剪切过程,剪应力峰值前声发射信号很少,剪应力峰值后声发射信号剧增,砂岩表面与内部裂纹萌生扩展几乎同步发生;加载速率为0.002 mm/min的砂岩试件累计Hit数最高,砂岩内累计损伤最多;砂岩试件在发生断裂破坏的短时间内经过内裂纹贯通形成主裂面、微凸体摩擦断裂形成最终破坏面两个过程,其中微凸体摩擦断裂所需剪应力低于使试件形成贯通主裂面所需剪应力。     

真三轴下注水条件对煤体超声波传播特性影响规律的研究EI北大核心CSCD

煤层注水对预防煤与瓦斯突出、减尘降温和软化煤层卸压防冲均有显著作用。监测水体在煤层中的运移规律,获得有效的水力润湿范围对于评估煤体注水润湿效果十分必要,因此在真三轴状态下对煤体进行注水实验的同时,辅以超声波自激发技术监测记录不同注水条件下煤体透射超声波的特征参数,并对注水条件与纵波波速、幅度和衰减系数等特征参数的关系进行重点分析。结果表明:(1)注水量随注水压力增大不断增加并呈现线性稳定状态;但随着注水时间增加,注水量增速逐渐降低并趋于0。(2)超声波波速与注水压力呈线性正相关,且随注水压力增加波速增量基本稳定;波速与注水时间呈指数正相关,但对注水时间的敏感度逐渐减弱;探究并实现了注水煤体体积模量的波速表征。(3)随着注水压力增大,超声波幅值整体增大,衰减系数整体减小;超声波幅值和衰减系数对注水时间的敏感性均呈现低–高–低态势。(4)振铃计数等与注水压力均呈线性正相关,与注水时间均呈指数正相关,且与注水量的变化趋势具有较好的一致性。