应力对煤岩瓦斯渗透率影响的数值分析

为探讨外载应力对煤岩瓦斯渗透率和原煤中瓦斯微观流动状态的影响规律,开展了不同应力加载条件下的原煤瓦斯渗流特性的实验研究,利用离散元分析软件UDEC中的可压缩流体模块,对受载含瓦斯煤的渗透特性进行了数值模拟并进行了实验验证。研究结果表明,实验结果和数值模拟结果吻合度较高;快速压实阶段,此阶段煤岩所受应力小于7.5 MPa,小于煤岩强度,煤岩的瓦斯渗透率随应力增大而减小;线弹性阶段,此阶段煤岩所受应力介于7.5~15.1 MPa之间,煤岩中原生裂隙闭合量不显著,瓦斯渗透率随应力增大不明显;塑形变形阶段,此阶段煤岩所受应力大于煤岩强度15.1 MPa,煤岩内部产生次生裂隙,并且裂隙宽度随应力的增加而增大,煤层中出现流量较大的裂隙,瓦斯渗透率随应力增大而迅速增加。     

煤岩单体及原生组合体变形损伤特性对比试验研究

研究煤岩组合体在不同应力条件下的变形损伤规律,对揭示矿山动力灾害机制具有重要 意义。 在单轴加载条件下,分析原生煤岩组合体、人工煤岩组合体及煤岩单体应力-应变规律,通 过采集加载过程中试样声发射行为信息,初步探究原生煤岩组合体损伤破坏规律。 对比分析发 现:① 煤岩组合体界面的差异对煤岩组合体力学性质、声发射特征具有较大影响;② 单轴加载条 件下4种试样抗压强度依次为:岩样>人工煤岩组合体试样>原生煤岩组合体试样>煤样;③ 组 合体受载变形和峰值强度受介质间界面条件、弹性模量及尺寸效应等多重因素影响;④ 原生煤 岩组合体在加载屈服破坏阶段内部裂隙发育贯通现象相对活跃,且早期损伤主要发生在原生煤 岩组合体界面或附近煤岩体。     

中间主应力对煤岩力学与声发射特征的影响

为了研究煤矿因开挖而引起的安全问题,通过自主研发的地声过程模拟试验系统开展不同中间主应力条件下煤岩的真三轴加、卸载试验,并利用声发射探测系统记录煤岩在加、卸载过程中的损伤演化规律。结果表明:在真三轴卸载试验中,随着中间主应力增大,煤岩的破坏状态由剪切破坏转为局部剪切的张拉破坏再到整体屈服破坏;应力-应变曲线中,随着中间主应力的增大,中间主应力方向的应变由压缩逐渐变为扩张,体积应变由收缩转为扩容;Mogi-coulomb强度准则能较好反映煤岩在卸载时的强度破坏特征;应力差-声发射曲线图中,中间主应力增大使煤岩在加载阶段内部裂隙呈非稳定指数型增长且使煤岩在卸载完成阶段不再具备承载能力。     

真三轴路径下含瓦斯复合煤岩体渗流及力学破坏特性

深部开采扰动下“煤体-岩体”复合系统发生整体破坏失稳是导致煤岩瓦斯复合动力灾害发生的主要原因之一。为了研究煤岩瓦斯复合动力灾害发生机理,采用真三轴气固耦合煤岩渗流试验系统,以人工压制具有过渡界面的复合煤岩体试件为研究对象,进行了5种不同真三轴应力路径下含瓦斯复合煤岩体渗流特性及力学破坏特征试验研究。结果表明,真三轴路径下含瓦斯复合煤岩体强度符合Mogi-Coulomb准则,相比于其他试验路径,真三轴加载路径下试件强度最大,复合加卸载路径下试件强度次之,σ₂、σ₃发生转换时,试件强度显著降低;试件破坏时,真三轴复合加卸载路径下试件渗透率增长倍数最多,真三轴卸载路径次之,真三轴加载路径下试件渗透率增加倍数最少,σ₂、σ₃发生转换时试件渗透率显著增大;此外,复合煤岩体试件破坏特征具有规律性,真三轴加载路径下,σ₁-σ₂平面煤体中出现剪切裂纹,并在煤岩交界面处交汇,真三轴卸载和复合加卸载路径下,σ₁-σ₂平面上裂纹从煤体...     

循环加卸载路径下不同含瓦斯煤渗流及损伤演化特征

循环载荷广泛存在于采矿活动中并对煤岩的强度、损伤及渗透性质产生较大影响,例如煤层群开采多重保护工程中,被保护层煤岩就受到循环加卸载作用,并显著改变了煤岩的力学及渗流特性;瓦斯对煤的力学性质及能量耗散特征也具有显著的影响,不同加卸载路径下煤岩力学及渗流特性与常规加载下的性质存在显著差异,因而有必要研究循环加卸载条件下不同含瓦斯煤的渗流及损伤演化特征。根据煤层群开采条件下被保护层应力状态实时监测的相似模拟实验结果,设计了3种简化的循环加卸载应力路径,即阶梯循环加卸载、逐级增大循环加卸载和交叉循环加卸载,采用重庆大学自主研发的含瓦斯煤流固耦合三轴渗流实验装置对取自平顶山十矿和袁庄煤矿的煤样进行了瓦斯渗流试验。结果表明:在3种循环加卸路径中,2种煤样的渗透率变化与轴向应力应变曲线具有显著的一致性,循环加卸载作用下,煤样渗透率随着应力的增大和循环次数的增加呈减小趋势;应力卸载和加载对渗透率的影响不同;渗透率受到应力和损伤累积的双重影响。相同应力水平下,煤样经过卸载-加载过程后的渗透率有降低趋势,相对恢复率随着循环次数的增加而先降低后增大,只有应力超过煤样的屈服阶段后才能使渗透率增大。主要结论为:①3种循环加卸载路径下煤样在加载阶段的增透率随应力增大和循环次数的增加都可以分为3个阶段且呈增长趋势,单位体积变化引起的渗透率增加在变大,循环荷载的增透效果随着循环次数的增加而增强。②随着峰值应力的增大和煤样中损伤的累积,渗透率对应力的敏感性逐渐降低。随着荷载的施加,应力卸载对渗透率的影响先增强后减弱。③通过计算各循环阶段的加卸载响应比得到了煤样损伤变量的演化规律,通过回归分析可知损伤变量与轴向应力之间的关系可以用Boltzmann函数表征,该函数可以作为损伤的经验公式对实验中煤样的损伤进行预测计算。④循环加卸载对煤样渗透率及损伤的作用受煤种不同的影响不明显。研究结果为深入揭示多重保护下煤层增透机制和基于循环荷载致裂(重复水力压裂等)的煤层强化增透机制及瓦斯抽采工程设计提供理论支撑。     

加卸载条件下煤岩变形特性与渗透特征的试验研究

以原煤为研究对象,利用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验系统,采用加轴压、卸围压的应力控制方式开展煤岩加卸载试验,分析加卸载条件下煤岩变形特性和渗透特征的演化规律。研究结果表明：① 加卸载试验峰值强度明显低于常规三轴压缩试验峰值强度,在加卸载过程中,主应力差有一个明显增加趋势,卸载第2阶段速率越大,其曲线斜率也越大,但峰值强度越小,对应的径向应变ε3 、体积应变εV增加速率也越快,而到峰值后破坏阶段,均呈下降趋势。② 加卸载过程中,煤岩渗透率、应力差与应变关系可以分为3个阶段,初始压密和屈服阶段、屈服后阶段、破坏失稳阶段。试件达到峰值后瓦斯渗透率出现突然小幅度上升,持续一段时间后,渗透率出现急剧陡增趋势。③ 煤岩渗透率的变化与煤岩的变形损伤演化过程密切相关,渗透率随变形的增大均呈二次多项式函数递增。     

不同加载速率下含瓦斯突出煤体受载破坏损伤特征研究

为研究加载速率对含瓦斯突出煤体受载损伤特征的影响规律,开展了0.001、0.005、0.01、0.05、0.1 mm/s等5种加载速率下含瓦斯突出煤单轴压缩实验,从声发射累计损伤和煤体表面裂隙分形数2个方面分析了煤体的损伤特征。结果表明:随着加载速率增大,含瓦斯突出煤体的单轴抗压强度均逐渐减小,并呈现出对数函数关系;随着应力不断增大,煤体损伤曲线呈现出平静期、提速运动期和加速运动期,煤体最大损伤值均出现在峰后破坏阶段;随着加载速率增大,煤体的最大损伤值呈现出先增加后降低的规律,加载速率0.05 mm/s为曲线的拐点;煤体破坏后表面裂隙的分维数也随着加载速率增加呈现出先增加后降低的规律,拐点出现在加载速率为0.05 mm/s时,2种方法所得结论一致。     

三轴循环加卸载下煤岩损伤的能量机制分析

由于煤岩的变形破坏是一个十分复杂的损伤演化过程,因此有必要深入研究各种加载模式下煤岩损伤演化过程的能量转化机制。通过岩石三轴循环加卸载试验,分析了不同围压作用下煤岩的损伤演化行为。实验研究表明,在循环加卸载情况下,煤岩表现出明显的循环滞后环,且随应力的增大煤岩的损伤耗散能增大。在低围压下及单轴压缩下,煤岩的弹性模量随循环应力增大而下降,但在高围压下煤岩的弹性模量没有随循环应力增大而下降。这表明围压的作用引起了煤岩损伤机制的变化。为此给出了基于能量分析的损伤变量定义及其演化规律,克服了传统的基于弹性模量定义的损伤变量的不足,可以较好地描述不同围压作用下的煤岩损伤演化程度。     

考虑残余应力的砂岩损伤理论模型

采用自行研制的重力恒载蠕变渗流实验系统开展了砂岩恒定围压下的循环加载试验,得到不同围压下砂岩的应力应变过程。考虑岩样加载过程中的非线性变形特性,假定了轴向应力是轴向应变和球形应力函数;利用热力学基本原理,分析岩样损伤演化过程中能量耗散及转化关系;将受载岩样应力分为有效弹性部分和损伤部分,弹性部分受载损伤演化,损伤部分最终演化为残余应力;基于损伤力学基本原理,理论推导建立了三轴压缩情况下考虑残余应力的砂岩损伤本构关系,并对理论模型进行实验验证。研究结果表明所建立的损伤本构模型能很好地反映岩石受载损伤全应力应变过程,也能反映出围压对岩石损伤能量耗散的影响规律,随着围压的增大,砂岩需要损伤演化消耗的机械能也越大。     

循环外载激发下孔隙流体对煤岩动力灾害孕育的力学作用机制

为研究回采工作面前方不同支承压力区煤体在循环外载的扰动下孔隙流体对煤岩动力灾害孕育的力学作用机制,开展了不同孔隙压力(1,3和5 MPa)与轴向循环应力水平(饱和煤岩三轴强度的50%与80%)煤岩的循环加卸载排水实验研究。研究发现,当最大循环加载应力水平为三轴强度的50%时,煤岩的轴向与径向应力应变曲线在孔隙压力1 MPa和3 MPa下变化不显著,表明煤岩内部都没有产生大量的损伤裂纹。但随着孔隙压力上升为5 MPa,煤岩轴向和径向应变在循环加载过程中变化相对显著,说明孔隙流体参与了其中的力学变形机制。同时发现,试件的残余径向应变在循环加载过程中逐渐减小,这是由于煤岩内部部分孔隙裂隙在循环荷载作用下被压实,孔隙流体排出所致,且孔隙压力越大,径向收缩效应越明显。当最大循环加载应力为煤岩三轴强度的80%时,煤岩在加载过程中发生失稳破坏,且破坏速度与孔隙压力正相关。随着孔隙压力上升到5 MPa,煤岩试件遭到严重破坏,试件被大裂隙完全贯通。而且,高孔隙压力促使宏观裂隙之间产生大量的煤岩碎屑和煤粉。细观结构分析显示该应力状态下的煤岩在循环加载后孔隙度显著增加,且煤岩加载后孔隙度的增量随孔隙压力的升高而增大。以上结果显示,距离工作面较远的煤体首先经受低幅值循环外载作用,孔隙流体的排出导致煤体在水平方向发生收缩变形,一方面会减小煤层局部的渗透性;另一方面会降低煤层水平应力,从而降低煤岩的三轴抗压强度。而排出的孔隙流体在煤体中发生局部迁移和富集,当流体富集区域经受后期高幅值循环外载作用时容易形成局部高孔隙压力,进而改变煤层受力状态,加速煤岩动力灾害的孕育,加剧煤体在动态失稳中粉末化。     

冲击倾向性煤岩动静载下破坏机理及声发射特性研究

煤矿巷道发生冲击地压破坏后果严重,具有冲击倾向性的煤岩具备发生冲击地压的潜质,在高应力状态下经动载诱发后极易发生破坏,其破坏与变形规律与常规静载不同。为了探究冲击倾向性煤岩在动静载下破坏及变形规律,以深埋煤层巷道高应力下具有冲击倾向性的煤岩作为研究对象,采用动载三轴及声发射检测设备,模拟煤岩所处高应力环境及动载条件,通过对比不同围压下的静载破坏试验,一定应力水平下动载诱发试验,不同应力阶段动载加载试验,分析其变形破坏机理及声发射能量演化规律。结果表明:与静载加载破坏相比动载导致煤岩提前进入屈服变形阶段且强度劣化明显,其破坏程度更加严重,并由剪切破坏转变为横向拉伸破坏;声发射点能有效定位煤岩破坏阶段内部裂隙发育区域及主破坏方向。煤岩达到动载破坏条件存在一个临界静载,未达到临界静载时煤岩在动载作用下裂隙发育及应变增长会逐渐稳定,超过临界静载后煤岩在动载作用下会迅速发生破坏。与静载相比动载后煤岩储存弹性能增加,破坏后释放更多能量;煤岩声发射能量事件主要发生在动载加载初期及峰后破坏阶段,动载加载后有明显凯泽效应。研究结论认为声发射能量演化规律可作为判断煤岩所处应力状态及先期动载加载应力水平的参考依据。     

浸水煤岩的强度弱化及刚度损伤试验研究

为研究不同浸水条件下煤岩受载破坏过程中的强度及刚度演化规律,制备了不同浸水条件的煤样并开展单轴压缩试验,分析煤样强度弱化、刚度损伤与含水效应的内在机理。研究结果表明：随着含水率增高,煤样单轴抗压强度呈线性减小,峰值应变呈线性增大,弹性模量呈指数减小,煤样表现为塑性增强、脆性减弱的特征;水作用下煤样刚度损伤明显,抵抗变形的能力大大减弱;运用刚度-应变-应力曲线,能够较为准确地描述煤样裂隙发育规律。     

单轴压缩状态下含瓦斯煤岩力学特性试验研究

在设计的含瓦斯煤岩单轴压缩试验方案的基础上,利用MTS 815岩石力学试验系统实现了含瓦斯煤岩的单轴压缩力学试验研究.结果表明:设计的试验方案可以满足含瓦斯煤单轴压缩状态下的力学特性试验要求;其全应力应变曲线分段明显,仅压密阶段的出现不明显;瓦斯的存在增加了煤岩试件破坏的脆性;单轴压缩下,含瓦斯煤样的体积应变与应力关系曲线较为复杂,可分为3个阶段;根据试验研究结果,回归得出了含瓦斯煤样的损伤方程.     

砂岩真三轴分级加载声发射特性与损伤演化研究

深部矿井、隧道等深地工程岩体处于三向高应力状态,受采掘影响围岩在竖向常受到明显的分级加载作用。针对岩石真三轴分级加载声发射特性的研究,对于深地工程围岩变形破坏灾变监测预警具有重要意义。为此,开展了砂岩真三轴分级加载声发射监测试验,分析了砂岩在真三轴分级加载过程中的声发射信号特征,揭示了基于声发射窗口波形数的岩石损伤演化规律。结果表明:砂岩在真三轴条件下,随着最大主应力不断提高,破坏形式逐渐由拉伸破坏向剪切破坏转化。声发射窗口波形数对于砂岩内部应力变化具有良好响应,能够直观反映岩石内部损伤演化,因此提出了基于累计窗口波形数的损伤变量和损伤演化模型。砂岩损伤—应变关系可以分为4个阶段:初始损伤阶段,三向同时加载导致岩石内部缺陷压密闭合引起轻微损伤;损伤平稳发展阶段,损伤缓慢增加,损伤—应变关系接近线性;损伤快速发展阶段,岩石应变不随应力升高而增加,损伤迅速增长;破坏失稳阶段,岩石应变不断增加,内部裂隙扩展、贯通形成宏观破裂面直至岩石失稳破坏。     

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。     

含瓦斯煤破裂过程中声发射行为特性的研究

为探求含瓦斯煤失稳破坏过程中的声发射行为演化规律,笔者以含瓦斯原煤为研究对象,利用配备有声发射同步监测功能的含瓦斯煤三轴力学伺服实验装置,完成了不同瓦斯压力条件下含瓦斯煤破裂过程中全应力应变和声发射行为同步监测实验,进而探求含瓦斯煤破裂过程中的声发射行为演化特性,以及声发射行为对瓦斯压力变化的响应特性。研究发现:含瓦斯煤弹性模量、峰值强度及峰值应变均随吸附瓦斯压力增加而线性降低,且在瓦斯压力的影响下应力应变曲线总体上向"低应力诱发大应变"方向迁移;受载煤体在破裂过程中随时间变化,声发射行为演化过程可以划分为4个时期,分别为Ⅰ平静期、Ⅱ提速期、Ⅲ加速期以及Ⅳ稳定期,其中提速期和加速期累计计数较平静期分别最高提高了6.39和37.5倍,能量参数分别最高提高了8.39和43.7倍;受载不含瓦斯煤样声发射演化过程中提速期和加速期的声发射参数累积量均明显高于同样加载条件下的含瓦斯样品,且在提速期和加速期,瓦斯压力与声发射参数累积量呈指数函数衰减关系。     

三轴加载煤体瓦斯渗流速度-温度联合响应特征

瓦斯渗流速度及温度响应能反映出受载煤体内部结构和能量的变化,可以作为煤与瓦斯突出预警信号。以型煤为研究对象,利用自主研发的含瓦斯煤受载破坏试验系统测定了三轴加载条件下煤体的瓦斯渗流速度及温度联合响应规律,分析了加载速率对瓦斯渗流速度和温度影响效应,建立了瓦斯渗流速度及温度与突出煤失稳破坏之间的关系。实验结果表明:(1)在整个加载过程中,瓦斯渗流速度表现出先减小后增大的趋势,在应力峰值处渗流速度出现突变点;随着加载速率的增加,瓦斯最小渗流速度V_(min)呈现出先减小后增大趋势,而瓦斯渗流速度变化量(V_(max)-V_(min))则先增加后减小;(2)随着加载应力的升高,瓦斯渗流温度呈线性增大趋势;瓦斯渗流温度变化差值(T_(max)-T_(min))随着加载速率的增大而逐渐减小;(3)加载速率较低时,约在煤样宏观破裂80%处渗流速度出现"平静期",而加载速度较高时,渗流温度在破裂前出现多次波动且有较长的"平静期",可作为突出煤失稳破坏的有效预警信息。     

采掘工作面孕突过程地应力诱使煤体初始破坏动态响应机制

工作面采动应力场诱发煤体初始破坏，作为突出发生的必要条件，揭示其细宏观动态力学过程依然存在巨大挑战。基于采掘工作面典型突出事故，构建了采动煤体损伤失稳过程多变应力载荷路径。采用PFC3D离散元软件开展了多工况多尺度下煤体损伤失稳可视化模拟，揭示了采动煤体损伤失稳动态响应规律，阐明了采动煤体裂纹动态演变行为，并基于采动下地应力诱使煤体初始破坏规律提出了突出防治技术展望。结果表明：采动煤体随主应力加卸载速率的变化，其破坏类型和破坏强度差异明显。应力渐进卸载过程，煤体宏观破断面呈现单斜面或共轭剪切面形式，且随卸载速率增加，煤体破坏强度降低。随应力双向同等速率渐进加载，单向突然卸载或保持一定残余应力状态下呈现宏观破断面与中间主应力方向平行，且卸载程度增加或残余应力降低引发煤体破坏强度降低。不同应力载荷下，煤体破坏过程随剪切和张拉裂纹先后出现，呈现张剪破坏。在采动煤体损伤引发失稳过程中裂纹动态演变过程呈现间歇性、渐进性和阵发性复合特征。裂纹整体发育过程可表征为初期新裂纹出现（间歇性-突增阶段）、裂纹扩展（渐进性-慢增阶段）以及贯通并扩展（阵发性-慢增阶段）、整体撕裂煤体过程（骤增阶段）。煤体力学...     

考虑瓦斯压力的煤体三轴抗压强度研究

从煤体强度的角度来分析含瓦斯煤岩的破坏行为,通过实验分析了考虑瓦斯压力的含瓦斯煤岩的抗压强度。研究表明:在三向应力状态下,煤样的破坏形态受侧压的影响;煤样的残余变形与试验的侧压及本身的强度有关,煤样的强度越大,残余变形就越小;在试验侧压的范围内,煤样的弹性模量随侧压的增大而增大。与单轴压缩相比,含瓦斯煤的抗压强度和弹性模量都有所降低。原因在于:煤样制备的时候较为松散及瓦斯压力的影响。煤的强度受其中瓦斯气体的影响较大,煤体吸附瓦斯后体积膨胀强度降低,而煤体释放瓦斯后强度增加。     

不同瓦斯压力下煤岩力学性质及声发射特性研究

为研究煤岩瓦斯复合动力灾害发生的机理,从细观角度对三交河煤矿、屯留煤矿、平煤十矿煤样原生孔隙和裂隙等参量进行分析,选取平煤十矿煤样作为力学试验研究对象,采用自主研发的含瓦斯煤岩受载变形破坏试验装置,利用DS-5型全信息声发射信号分析仪,分析其在不同瓦斯压力条件下力学性质和声发射特征,并对声发射的计数、累计计数、能量、累计能量等在不同瓦斯压力下的演化规律进行了对比分析。结果表明:随着瓦斯压力的增大(0~2 MPa),煤样的峰值强度和弹性模量呈降低趋势,泊松比呈升高趋势,其抗压强度下降22.61%,弹性模量下降23.97%,泊松比增加33.67%;不同瓦斯压力下煤样受载破坏过程中的声发射都经历了平静期、活跃期、提速运动期、残余运动期4个阶段,且煤样的声发射累计计数和累计能量随着瓦斯压力的增加而降低,其声发射累计计数减小了32%,累计能量降低了25.32%。研究成果有利于发现煤岩体破坏的细观机理,为找到煤岩体破坏失稳预测预报方法和指标提供了依据。