水分对煤力学性能及冲击能量指数的影响研究北大核心

煤的破坏是能量驱动下的一种失稳现象,为探究水分对煤破坏过程中能量积聚与耗散的影响,开展了不同含水状态煤样的单轴压缩试验,并基于此对煤的力学性能及冲击能量指数进行分析。结果表明:随含水率的增加,煤样单轴抗压强度和弹性模量显著降低;煤样的初始压密阶段、塑性变形破坏阶段及峰后破坏阶段在全应力-应变过程中的占比均增大,线弹性阶段占比减小;煤样峰前积聚变形能减小,峰后损耗变形能升高,冲击能量指数降低;含水率增加使煤样由劈裂破坏转变为剪切破坏,在破坏时崩落的碎块粒径变大,碎块数量减少,破坏声响减弱;饱水状态下煤样较干燥状态煤样单轴抗压强度、冲击能量指数及冲击能量速度指数分别下降35.32%、86.07%、99.63%;采用煤层注水工艺能有效降低煤层冲击倾向性。     

深井冲击倾向性试验及防治措施

为研究冲击地压发生机理,结合某矿工程实践,研究主采3煤层的煤岩冲击倾向性,通过对煤样动态破坏时间、弹性能量指数、冲击能量指数、单轴抗压强度4个煤层冲击能量指标,以及岩样的复合顶板弯曲能量指数进行试验和分析,表明3煤层具有弱冲击倾向性,其顶板岩层具有弱冲击倾向性。在此基础上,结合地质条件,提出回采时冲击地压防治措施,保证了安全高效开采。     

微波辐射降低硬煤冲击倾向性试验研究

如何有效地改变煤岩体物理力学性质是冲击地压防治领域亟待解决的关键难题,而微波致裂弱化法是解决这一难题的新途径。为探究微波致裂弱化法降低硬煤冲击倾向性的实效性,采用自主研制的微波辐射试验装置与C46.106型MTS电液伺服试验机,开展了煤体微波致裂弱化试验,研究了微波辐射对煤体的动态破坏时间、冲击能量指数、弹性能指数、单轴抗压强度和纵波波速的影响规律,确定了降低煤体冲击倾向性的最优微波参量范围;在此基础上,研究了微波辐射下冲击倾向煤体的损伤致裂效应,分析了微波对煤体的热效应、煤体损伤因子与微波参量之间的变化关系,揭示了煤层巷道微波致裂弱化防冲机理。结果表明:(1)微波致裂弱化法能有效降低或消除煤体冲击倾向性。煤体微波致裂后,煤样峰值强度大幅下降,应力-应变曲线峰后段应力降增多,使峰前积聚的总能量降低且分级释放,煤体由脆性向塑性转变;同时,煤样载荷-时间曲线峰后段表现出多台阶、分级跌落的特征,煤体积蓄的弹性能减少,从而导致煤体各项冲击倾向指标均有不同程度降低。(2)微波辐射对煤体的减冲效果表现为能量阈值现象,而在微波能量恒定条件下高功率-短时间的能量组合更有利于煤体减冲。(3)微波对煤体内...     

含水对煤的冲击倾向性影响实验室测定

试验选取了义马千秋煤矿2#主采煤层煤样,通过对不同含水状态的煤样测定,分析了水对煤的强度及冲击倾向性的影响,为煤层注水防治冲击地压提供了依据。     

深部高瓦斯煤层冲击地压发生机理研究

针对深部高瓦斯煤层的冲击地压灾害,从瓦斯对煤体强度影响、瓦斯煤体在卸载下的层裂现象及瓦斯煤体积聚静态能量3方面入手,探讨瓦斯煤层冲击地压的发生机理。通过理论推导得出:瓦斯降低了煤体强度,减小了煤体破坏时所需要的能量;含瓦斯煤体突然卸载后,受地应力和瓦斯共同作用会产生层裂现象,削弱了冲击显现区煤体抵抗变形的能力;最终在集中动载荷和耦合静态能量的共同作用下,建立了瓦斯煤层发生冲击地压的能量判据,指出了瓦斯煤体更容易发生冲击地压。此外,在冲击地压发生后往往出现瓦斯异常涌出的现象,瓦斯积聚对安全生产带来隐患,甚至引起煤与瓦斯突出等动力灾害。     

红阳矿区7~#煤层及顶板冲击倾向性试验研究

红阳矿区主采的7#煤层最大采深近1 000 m,冲击动力灾害越来越严重。为了解其发生机理,利用RMT-100型岩石力学试验机对7#煤层及顶板进行冲击倾向性试验研究。结果表明:煤样的冲击能量指数1.553,弹性能指数2.586,动态破坏时间221.25 ms,具有弱冲击倾向性,煤层顶板总弯曲能量达到532.08 k J,具有强冲击倾向性,得出煤样单轴抗压强度分别与冲击能量指数和弹性能指数呈现正相关性,而与动态破坏时间呈现负相关性。     

含水对煤的冲击倾向性影响实验室测定

试验选取了义马千秋煤矿2^＃主采煤层煤样，通过对不同含水状态的煤样测定，分析了水对煤的强度及冲击倾向性的影响，为煤层注水防治冲击地压提供了依据。     

平顶山矿区煤层冲击倾向性指标及关联性分析

利用RMT-150B伺服试验机对平顶山矿区4组煤进行冲击倾向性试验。试验结果表明:煤的抗压强度、弹性模量越高,峰值前积蓄弹性应变能量越大,冲击能能量指数也明显偏大,动态破坏时间越短,发生冲击危险性越大;煤样的抗压强度与弹性模量呈良好的线性关系,抗压强度与冲击能量指数、弹性能量指数呈正相关,抗压强度与动态破坏时间呈负相关,两者采用幂函数表征;平顶山矿区丁8组煤层属中等偏强冲击类(Ⅱ类),己16-17组煤层属强冲击类(Ⅰ类),己15组和戊9-10组煤层属中等冲击类(Ⅱ类)。     

瓦斯对冲击性煤样能量耗散的影响

基于煤的冲击倾向性分类及指数测定方法,进行了不同瓦斯压力下煤样冲击倾向性测定,应用能量积聚与耗散的方法,分析了不同瓦斯压力环境中煤样单轴压缩与循环加卸载过程中能量积聚与耗散关系。研究表明：随着瓦斯压力的增大,煤样的冲击倾向性指数减小,冲击倾向性降低;煤样破坏前储存的弹性能降低,破坏时耗散能增率呈非线性快速降低趋势;在循环载荷作用下,煤样在相同循环中耗散能随着瓦斯压力的增加而增加。在不考虑瓦斯膨胀能的情况下,瓦斯压力的增加降低了煤层冲击地压的破坏性。因此,高瓦斯矿井在深部开采中进行冲击倾向性评价时应考虑瓦斯因素。     

基于能量贮存及释放主体的煤矿冲击地压分类

冲击地压研究系统包括发生机理、发生准则及基于机理和准则的预测和防治。因诱发冲击地压影响因素众多,相应的类型多样,传统的研究多集中在机理、监测及防治的独立性研究上,造成现场冲击地压预测和防治的盲目性。为了系统性掌握冲击地压机理,提高冲击地压预测和防治效率,通过调研已有的冲击地压分类方法,从能量贮存及释放主体的角度提出了一种新的冲击地压分类方法;依据扰动响应失稳理论,分析了各类型冲击地压的发生机理;建立各类型冲击地压力学模型,得到了冲击地压发生条件的解析解和发生时释放能量估算公式;并对分类方法在预测和防治中的应用进行了初探。研究结果表明:根据能量贮存及释放主体的不同,冲击地压划分为煤体贮存及释放能量型(Ⅰ)、顶板贮存及释放能量型(Ⅱ)、断层带及围岩贮存及释放能量型(Ⅲ)3种类型;Ⅰ型冲击地压由煤体压缩失稳并释放贮存的弹性能产生,发生条件由煤体固有属性单轴抗压强度σ_c和冲击倾向性指数K决定,释放能量与冲击倾向性指数K呈反比关系;Ⅱ型冲击地压由顶板-煤层变形系统中顶板断裂失稳诱发,顶板抗拉强度σ_t越大,冲击的临界采空区跨度L_cr...     

基于FLAC3D的煤岩组合模型冲击倾向性研究

 运用Flac3D对某矿的煤岩组合模型冲击倾向性进行三维数值试验研究,通过改变煤岩组合模型高度比例（1:1、1:2、2:1）、夹角（0°、30°、45°）和岩性分别进行模拟,分析煤岩组合模型不同的组合模式对冲击倾向性的影响。三维数值试验结果表明：煤岩高度比例和夹角的变化,对煤岩组合模型的抗压强度影响不大,冲击能量指数和弹性能量指数随着顶板岩体厚度的增加而增加,随着夹角的增大而降低。岩性对抗压强度影响很显著,随着岩性硬度的增加,煤岩组合模型的冲击能量指数和弹性能量指数都随之增加。     

冲击煤样单轴压缩的声发射特征研究

为了研究冲击煤样破坏的前兆特征,利用煤岩声发射实验系统对冲击煤样进行了单轴压缩声发射实验,研究了煤样的破坏过程及声发射特征规律.结果表明:声发射活动与载荷及煤样变形破坏具有较好的相关性;冲击煤样的声发射通常在载荷达到最大,试样完全失稳破坏时才会密集出现,表现出产生明显的“群震”特征,峰后基本上无信号产生.分析发现,在临...     

矿井冲击地压发生机理及简化力学模型

 以煤矿主要动力灾害之一的冲击地压为研究对象,通过对其特点及易于发生冲击地压区域特点的分析,认为易于发生冲击地压的区域普遍存在应力集中现象,将之划分为三个区域。认为存在的不均衡应力集中和采矿工作产生的扰动是冲击地压启动的条件,而造成煤岩变形局部化的内因主要是应力集中的不均衡性;不均衡的应力集中导致的煤岩体内弹性能的集聚为冲击地压的发生提供了能量;弹性能释放的逐渐衰竭和处于原岩应力状态的应力平衡特性,导致了冲击地压的停止;提出了一种简化的冲击地压力学模型,运用该模型可以解释冲击地压的发生、发展、停止及其造成的煤岩变形局部化等特点。     

不规则煤柱影响下旋采工作面冲击地压防治技术

唐口煤矿3303工作面初采期间存在多个不规则煤柱,对工作面的围岩应力状态和分布规律造成了不利影响,工作面存在冲击地压发生可能性。为了防止工作面初采期间冲击地压的发生,对工作面初采期间的应力状态进行了数值模拟研究,分析了倾斜推进、旋采和水平推进3个阶段的工作面围岩应力状态变化及其冲击危险性,划分了6个冲击地压危险区域。回采过程中对危险区域进行应力监测,若发现危险立即采取放炮卸压措施解除冲击地压危险。实践证明通过冲击地压危险区域的划分和危险性分析．继而采取相应防范措施可有效地防止工作面冲击地压的发生。     

低频机械振动含瓦斯煤孔隙率方程及其试验

为研究低频机械振动作用对含瓦斯煤孔隙率的影响,建立煤体孔隙瓦斯压力、吸附膨胀力、振动衰减挤压应力作用下振动动态孔隙率方程。采用前人得出的煤体孔隙率与单轴抗压强度变化规律,以及不同频率、不同时间振动型煤试件后的煤体单轴抗压强度变化试验对方程进行检验,结果显示:低频振动作用下,振动频率相同,振动时间越长,煤体单轴抗压强度越小,孔隙率越大;振动时间相同,振动频率越小,煤体单轴抗压强度越大,孔隙率越小,且30 Hz与20 Hz单轴抗压强度、孔隙率差值要小于20 Hz与10 Hz之差。表明振动使煤体孔隙率增大,从而减小了煤体单轴抗压强度,且振动频率从10,20,30 Hz逐渐增加,孔隙率逐渐变大,单轴抗压强度相应变小,计算孔隙率能正确反映振动后煤体单轴抗压强度变化规律。对比计算孔隙率和试验单轴抗压强度关系进一步得到前人得出的单轴抗压强度随孔隙率变化曲线呈现类指数变化规律,因此方程计算值能正确反映低频机械振动作用下不同振动频率、振动时间影响煤体孔隙率变化规律。     

冲击矿压工作面单体支柱防护技术

对古城矿大采深放顶煤工作面冲击矿压发生的情况进行了统计,分析了其特点,认为冲击矿压与采深、顶板岩性、厚度及基本顶的周期来压有密切关系.在冲击矿压预测预报与治理的基础上,提出了工作面超前支护段单体支柱的防护措施,根据冲击矿压特点设计了单体支柱保护装置,取得了国家实用新型专利,在现场试验中取得了明显的效果.     

煤体吸附瓦斯与煤体强度的关系研究

采用自主研制的由放置试样的装置、压力加载装置和强度测定装置组成MDS-200型煤岩三轴应力渗透试验台,针对取自象山井田、燎原井田和桑树坪井田的3号、5号和11号煤层的试验样品进行煤体吸附瓦斯与强度关系的试验。结果表明:①煤体的杨氏模量和单轴抗压强度均随着吸附瓦斯压力的增加而逐渐呈线性衰减;②不同的煤种在同等吸附瓦斯压力下,杨氏模量和单轴抗压强度也是不相同的;③试验结果表明,含较高压力瓦斯的煤体更容易破坏。     

不同长径比煤样动力学特征及本构模型

为研究冲击荷载下不同长径比煤样的动力学性能,借助改进的霍普金森压杆实验装置(?75 mm),开展6个冲击等级(4.18～8.03 m/s)、4种长径比(0.33～1.33)下的冲击压缩实验,并结合灰色关联理论分析动力学参数与长径比之间的关联性,建立基于力学机制、Weibull分布、D-P准则的4参数单轴煤岩强度型统计损伤模型。研究表明：(1)煤样长径比与应变率、动抗压强度、耗散能均呈二次函数关系,且耗散能随长径比增加而降低;与电磁能呈一次函数关系,且保持正相关。(2)煤样长径比对动力学参数的影响排序为：电磁能(0.88)>动抗压强度(0.84)>耗散能(0.81)>应变率(0.78)。(3)基于Weibull分布、D-P准则构建初始本构模型,并借助动抗压强度σ_max与应变率、长径比n的关系修正,进而对比实验应力-应变曲线,验证模型可靠性(R²>0.91)。     

南屯煤矿冲击地压防治技术研究与应用

通过对兖州煤业公司南屯煤矿发生冲击地压现象的现状、特点及影响因数分析,结合矿生产实际,提出并制定了适合本矿条件的冲击地压危险预测方法,如煤岩体冲击倾向鉴定、煤层压力一变形观测、数值计算、综合指数计算、煤粉钻孔、电测辐射监测等;解危措施是煤层注水、卸压爆破、钻孔卸压等;解危措施效果检验方法是电磁辐射法和钻屑法,从而建立了适合南屯煤矿冲击地压防治的安全开采体系.     

杨庄煤矿煤岩波速特征及与其强度的关系研究

系统地测试了淮北煤田杨庄煤矿5,6煤层煤样的纵波速度、抗压强度、抗拉强度和变形参数,得出了煤波速的差异性及各向异性特征,分析了煤体结构是煤波速差异性的重要原因;对煤样波速与其力学指标进行了对比研究,得出了拟合公式,表明两者之间有很好的相关关系,为煤岩强度的确定提供了一种新的方法。