松软煤体力学特征的含水率效应试验研究

为获得含水率对松软煤体力学特征的影响规律,以淮南矿业集团新庄孜煤矿66207工作面松软煤体为研究对象,开展不同含水率条件下松软煤体的单轴和三轴压缩试验研究。研究结果表明:松软煤体的强度和变形特征呈现明显的含水率效应。随含水率的增大,其强度、弹性模量和内聚力均呈先增后减的变化趋势,且极高点含水率均在3.072%左右,而内摩擦角变化不大;煤体泊松比与含水率正相关;随围压、含水率的增大,煤体偏应力-应变曲线由软化型向硬化型过渡,破坏类型由脆性逐渐转变为延性。与坚硬煤体遇水弱化的水理性不同,松软煤体合理注水后呈现出强化的特性,其力学本质为:松软煤体块度极小,含有大量的细微颗粒,水能促使煤颗粒团聚、胶结,提高煤体强度,强化煤体。研究成果对实施松软煤层的安全高效开采具有重要的理论意义和实用价值。     

松软煤体巴西劈裂试验研究及应用北大核心

为了获得厚径比和含水率对松软煤体劈裂强度的影响规律,以淮南矿业集团新庄孜煤矿66207工作面松软煤体为研究对象,进行不同厚径比和不同含水率条件下型煤的巴西劈裂试验,并将实验结果代入考虑垫条与试样接触角的抗拉公式计算。试验结果表明:含水率相近时,随着试样厚径比的增大,抗拉强度逐渐减小,厚径比-抗拉强度曲线下降趋势不断减缓,厚径比大于0.6后曲线近似水平;厚径比相同时,随着含水率增加,煤样抗拉强度总体呈下降趋势。     

松软煤体巴西劈裂试验研究及应用

为了获得厚径比和含水率对松软煤体劈裂强度的影响规律,以淮南矿业集团新庄孜煤矿66207工作面松软煤体为研究对象,进行不同厚径比和不同含水率条件下型煤的巴西劈裂试验,并将实验结果代入考虑垫条与试样接触角的抗拉公式计算。试验结果表明:含水率相近时,随着试样厚径比的增大,抗拉强度逐渐减小,厚径比-抗拉强度曲线下降趋势不断减缓,厚径比大于0.6后曲线近似水平;厚径比相同时,随着含水率增加,煤样抗拉强度总体呈下降趋势。     

极松软煤层抗剪强度的水敏性试验研究

为分析极松软煤层注水防止片帮的效果,研究了极松软煤层注水后抗剪强度的变化。基于非饱和土理论及直剪试验,采用极松软煤体重塑煤样,进行了一系列不同含水率及法向应力下不固结不排水直剪试验的研究,提出了以含水率为中心,以黏聚力和内摩擦角为主要指标的抗剪强度分析方法,采用试验和理论方法综合分析研究了含水率对极松软煤的抗剪强度的影响。研究结果表明:在低法向应力状态下,试样剪应力易发生软化现象,而在高法向应力状态下,试样易发生硬化现象;重塑煤样的黏聚力随含水率的增加先增大,达到最适含水率后(约17.64%),黏聚力随含水率的增加反而减小;含水率对重塑煤样的内摩擦角影响不明显,证实松软煤层注水防止片帮的工程控制技术是有效的。     

水压、围压、浸泡时间对煤体含水率影响的试验研究

通过注水压力、围压、浸泡时间对煤体含水率的试验研究,得出结论:煤体含水率随水压的增加而增大;但含水率随水压的增加呈非线性关系.围压与水压的影响相反.在水压相同的情况下,含水率随围压的增加呈非线性减少,但是这一规律与煤体在该围压下所处的变形阶段相关.同时,含水率随浸泡时间的延长,其增长趋势逐渐变的缓慢.     

不同含水率砂岩单轴压缩力学特性及波速法损伤

为了研究温度—含水率耦合作用下重塑性煤体抗剪强度的变化规律,保障松软煤层安全高效稳定开采,采用直剪试验分析了重塑性煤体在较低温度(20、0、-10、-20、-30、-40 ℃)、一定含水率(0、0.8%、4%、8%、12%、16%)耦合作用下的抗剪强度特性,并通过数学统计分析了温度与含水率对抗剪强度的影响。研究结果表明：含水率为0时重塑性煤体的黏聚力随着温度的降低呈幂指数增加;温度—含水率耦合作用下重塑性煤体的抗剪强度均与垂向应力成正比,均符合莫尔-库仑准则;在温度为10~20 ℃、含水率为12%~16%时,黏聚力达到最大值322.9 kPa,最小值138.0 kPa出现在温度-40 ℃、含水率4%附近;在-20~-40 ℃温度下,重塑性煤体内摩擦角随含水率的增加逐渐降低至最小值18.25°;当含水率为6%~13%、温度为-20~10 ℃时,内摩擦角达到最大值31.45°,对应抗剪强度达到最大值。温度—含水率耦合作用下,重塑性煤体抗剪强度、内摩擦角与黏聚力均受温度的影响较大。

     

高压气体射流破煤应力波效应分析

针对松软低透煤层中水力化增透措施存在的塌孔、抑制瓦斯解析及运移等缺点,提出采用高压气体射流破煤卸压增透的技术方法。根据热力学相关理论,计算分析了气体射流破煤应力波产生的临界当地声速及压力;并进行了高压气体射流破煤实验,高压气体射流冲击煤体时,以准静态载荷和动态载荷作用于煤体,在煤体表面形成冲蚀坑,并以应力波加载的方式在煤体内形成贯穿裂纹导致煤体破裂。通过建立应力波在煤体内传播的弥散方程,分析了孔隙率和渗透率对应力波在煤体内传播的影响。结果表明孔隙率对波速有明显的影响,应力波的衰减随孔隙率增大呈增大趋势,且在高频时应力波衰减变化更为明显;低频时渗透率对波速的影响不大,高频时,在渗透率较低时波速随着渗透率的增大逐渐增大,且波速衰减呈现先增大后减小的趋势;当渗透率大于10-11时,波速不受渗透率的影响,同时应力波也未出现衰减。     

含水率对红砂岩瞬时和蠕变力学性质影响的试验研究

水是影响岩体工程稳定性的重要因素。为了全面分析水对岩石瞬时及蠕变力学特性的影响,设计了两类试验：单轴压缩强度试验和蠕变试验。通过吸水试验分析红砂岩的吸水特征,并以此为依据制备不同含水率的标准试件。首先对9组不同含水率的试件进行单轴压缩强度试验。利用体积应变法和LSR法(Lateral Strain Response)确定红砂岩在单轴压缩条件下的4个特征应力：闭合应力、启裂应力、损伤应力和破坏应力, 从而得到了含水率与红砂岩力学参数的定量关系。结果表明,应力应变曲线上各阶段特征应力随含水率增大而服从负指数规律衰减,并且当试件达到饱和后,各特征应力趋于稳定。由于高孔隙率的特性,导致红砂岩的特征应力在短时间内显著降低。启裂应力σi与闭合应力σc之差随着含水率的增加而减小。这说明水的增加导致红砂岩非线性特征增强。强度和弹性模量损失系数随含水率呈指数函数增长的趋势,饱和红砂岩的强度和弹模总损失系数分别是0.484和0.334。此外,将5组不同初始含水率的试件持续浸在充满水的环境试验箱中,开展荷载与水共同作用下的蠕变试验,从而得到长期水环境对红砂岩蠕变力学特征的影响。结果表明,试件的瞬时应变和稳态应变率随含水率增加呈指数形式增大,蠕变应变和破坏时间随含水率增加而减小。当含水率趋于稳定时,红砂岩的蠕变特性仍然有显著的变化,其原因在于环境中的水沿蠕变新生成的裂缝进一步运移到裂缝尖端,初始裂纹进一步扩展。实验结果不仅强调了短时间内水对高孔隙率岩石瞬时力学性质的急剧弱化作用,而且强调了环境中的水对饱和岩石蠕变力学性质的持续影响作用。此外,实验数据和拟合方程将为岩体工程长期稳定性的评估提供一定的参考价值。     

不含瓦斯重塑煤体的渗吸特性

采用底水自发渗吸实验装置,对不同压制负荷(孔隙率)下不含瓦斯重塑煤体的渗吸高度进行测试,同时通过毛细吸水上升高度理论对不含瓦斯重塑煤体的渗吸高度计算分析,得到不含瓦斯重塑煤体的极限渗吸高度变化规律。研究结果表明:同一颗粒配比,不含瓦斯重塑煤体压制负荷越大,孔隙率越小,且随着压制负荷的增大,孔隙率呈负指数减小;不含瓦斯重塑煤体的渗吸高度随时间增长先是迅速增大,而后缓慢增大;在同一颗粒配比下,相同时刻,孔隙率(压制负荷越大)越小,渗吸高度越大;同一压制负荷,不同颗粒配比也满足孔隙率越小,渗吸高度越大的规律。不含瓦斯重塑煤体渗吸高度上升速率在初始阶段急剧减小,而后逐渐减小趋于0,即渗吸高度存在极限值。同一颗粒配比下不含瓦斯重塑煤体的极限渗吸高度随孔隙率减小(压制负荷增大)先是迅速增大,而后逐渐增大,不含瓦斯重塑煤体的极限渗吸高度与孔隙率负相关。     

浸水作用对煤岩抗拉强度及其破坏特征影响研究

煤体开采前后可能会受到不同程度水作用的影响,其力学性质将产生变化,进而影响煤体承载能力,关系到采矿安全。通过不同浸水时长煤样的巴西劈裂实验,研究了水对煤岩抗拉强度及其破坏特征的影响。试验结果表明:煤样含水率随浸水时长增加而不断增大,20d后含水率稳定在0.77%左右;浸水时长为5d的煤样抗拉强度较未浸水煤样增大了0.57MPa,浸水时长大于5d的煤样抗拉强度逐渐降低,最终趋于平稳;煤岩类孔隙比与抗拉强度呈负相关关系,相同类孔隙比的煤样抗拉强度随浸水时长增加而减小;煤样破坏后破裂线宽度及面积随浸水时长增加而减小。     

三轴应力作用下破碎煤体渗透特性演化规律

深部破碎煤岩体受地应力和开采扰动常处于三向应力状态,其渗透特性是影响矿井突水灾害预防和瓦斯抽放的重要因素之一。为研究深部破碎煤体的渗透性能,采用自主研发的破碎岩石三轴渗流试验系统,并设计一套破碎煤体三轴渗流试验方案,进行三轴应力作用下破碎煤体渗流试验,得到破碎煤体渗透特性随围压及孔隙率的演化规律。试验结果表明:①三轴应力作用下破碎煤样渗流雷诺数最大值为47. 58,渗流速度与孔压梯度两者之间符合Forchheimer关系;②三轴应力作用下破碎煤样的孔隙率与围压的变化规律呈负相关,各级轴向位移下,两者服从对数函数关系;③随着有效应力的增大,各粒径下的破碎煤样孔隙率逐渐减小,破碎煤样孔隙率的理论计算值与试验结果较为吻合,表明文中给出的孔隙率计算方法可行;④各级轴向位移下,破碎煤样的渗透率随围压增大而减小,不同粒径的破碎煤样渗透率随围压的演化规律可用k=me~(nσ3)公式表示,颗粒粒径越大,破碎煤样的渗透率随围压的变化越敏感;⑤颗粒粒径及孔隙排列方式影响破碎煤样渗透性能,不同粒径破碎煤样随孔隙率的减小,渗透率整体减小,非Darcy流β因子呈增大趋势,其中渗透率的量级为10~(-14)～10~(-10) m~2,非Darcy流β因子的量级为10~7～10~(11)m~(-1)。所得研究结论有助于增强深部破碎煤岩体渗透特性演化规律的认识。     

不同加载速率下煤体强度与破碎特征实验研究

通过AG-Ⅰ250 kN万能实验机对滇东矿区煤体试件进行单轴压缩实验,探讨了突出危险煤体在不同荷载速率环境下的强度特性与破碎特征。结果表明：煤体应力—应变曲线经历线弹性、塑性、峰后破坏3个阶段,弹性特征随加载速率的增加愈发明显;随着加载速率的增加,煤体峰值应变增大,弹性模量与加载速率呈线性关系;煤体在单轴压缩条件下的破坏形式多表现为脆性破坏,随着加载速率的增加,破碎煤样的折算直径减小,新增表面积增大,整体破碎程度随加载速率的增加而增大,与宏观煤体破坏剧烈程度吻合;不同加载速率下煤体强度特征符合Coulomb准则,峰值强度与达到破坏时间与加载速率呈线性关系。     

液氮冻结含水煤体能量耗散动态变化规律的试验研究

为研究液氮冻结含水煤体过程能量动态变化规律，利用自主研发的液氮冻结煤体全过程声发射试验系统，分析了不同含水率煤体液氮冻结全过程的声发射能量耗散特征及变化规律。结果表明：液氮冻结煤体过程中声发射能量在时间域上，分为陡增期、波动期、平静期，能量一次、二次峰值均与含水率呈正线性关系，含水率5.96%煤体能量一次、二次峰值是干燥煤体的1.66、2.26倍；液氮冻结煤体累计能量与时间关系分为陡增、缓慢增长及稳定等3个阶段，累计能量与含水率呈正线性关系，含水率5.96%煤体是干燥煤体的2.88倍；不同含水率煤体幅值绝大部分集中在40～50 dB之间，占比为94.39%～99.11%，且随着煤体含水率的增加呈线性减小；液氮冻结煤体声发射振铃计数时间序列存在混沌分形特征，陡增阶段、缓慢增长阶段、稳定阶段的关联维数分别与含水率呈正指数、正线性、正线性相关，含水率5.96%煤体陡增阶段关联维数分别是缓慢增长阶段、稳定阶段的2.00、5.78倍；液氮冻结煤体产生裂隙类型以拉伸裂隙为主，其占比随含水率增加呈负指数减小，剪切裂隙占比随含水率增加呈正线性增大。煤体水分增加，增大了液氮冻结过程中水-冰相变产生的冻胀...     

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。     

含水率和压实度对矿区回填土力学性质的影响

以某矿区填土为研究对象,采用直剪试验和压缩试验,对不同含水率及不同压实度条件下的土样进行抗剪强度和压缩指标的测定,并分析了因含水率和压实度的不同引起抗剪强度和压缩特性的变化规律。结果表明:当所选取的含水率均不大于最优含水率时,黏聚力随含水率变化不明显,但在高压实度下,存在1个含水率值,令填土的黏聚力达到峰值,而内摩擦角受含水率变化影响较小;黏聚力随压实度的增大而增大,且呈指数形式增长,内摩擦角随着压实度增大呈近似线性增长,且增长幅度不大;压缩系数随含水率的增大而增大,压实度对压缩系数的影响与含水率影响相反,呈递减趋势。     

真三轴条件下等效围压对煤岩力学特性影响试验研究

为研究水平应力加载下煤岩的强度及变形特征,在试验室开展了不同应力条件下真三轴压缩破坏试验。试验结果表明:试件的三轴压缩峰值强度随最小水平应力和垂直应力的增大而增大,为比较复杂应力水平下煤岩力学特性,定义"等效围压"表述应力状态,得到试件峰值强度及峰值应变均随等效围压的增大呈线性增大;煤岩破坏产生的裂隙数量随着等效围压增大而增多;试件破坏程度随着等效围压的增大而增强且破断角随等效围压增大成二次函数递增。煤体所处应力水平影响其力学特性,试验结果对于煤岩深部高效开采及安全生产有重要的理论支持和实践意义。     

含水率影响下煤体巴西劈裂特性与弱化机制

利用废弃矿井采空区作为储水空间对矿区生态环境和经济发展具有重要作用,但在不同含水率影响下,煤岩体强度会出现一定的弱化,进而影响地下储库的稳定性。以关闭的大台矿井-710 m开采水平3^#煤层煤样为研究对象,研究不同含水率煤样巴西劈裂强度弱化程度、劈裂破坏特征和声发射演化规律;借助CT扫描浸水前后煤样孔隙特征,探究其内在影响机制。研究结果表明：干燥煤样圆盘表面的主要裂纹沿劈裂面存在,而饱和煤样的裂纹偏离劈裂面,形成许多不规则的剪切裂纹。随着含水率的增加,圆盘表面劈裂裂隙平整度降低,从干燥到饱和,裂隙分形维数由1.066升高至1.298;煤样抗拉强度随含水率增加呈线性减小,但峰值应变则呈先增大后减小的抛物线变化;煤样声发射累计计数随含水率增加而逐渐减小,破坏阶段低含水率煤样产生张拉为主的拉剪复合裂隙且尺度较大,高含水率煤样产生小尺度张拉裂隙。煤样浸水后原生裂隙扩张,孔隙率提高2.55%,煤样孔隙率升高使煤样损伤发育加速,进而导致在劈裂过程中更易形成贯通裂隙;水的存在弱化了原生裂隙胶结强度,使劈裂裂隙沿强度较小的节理裂隙面扩张,初始劈裂面粗糙度增加。新增裂隙的减小也同样使...     

含瓦斯煤体破裂过程围压效应研究

为了研究围压对淮北矿区含瓦斯煤体力学性质的影响,对含瓦斯煤体进行了三轴试验分析,并利用岩石破裂过程分析(RFPA2D-Flow)系统,模拟3种不同围压下含瓦斯煤体强度、变形和破坏的情况。研究表明:煤体极限抗压强度、残余强度和弹性模量随围压的增大而增大;煤体的残余变形和试验的围压及自身的强度有关,围压越大,残余变形就越小;加载过程中,含瓦斯煤体从弹性变形阶段逐渐软化,而后软化减弱表现出一定塑性特征;随着围压的不断变化,含瓦斯煤体的破裂形式也随之变化,含瓦斯煤体的宏观破裂面与最大主应力方向的夹角随围压增加而逐渐增大。     

不同因素对煤岩导热系数影响的实验研究北大核心

利用闪射法对不同孔隙率、密度、含水率及煤质的煤岩样导热系数进行测量,研究分析了这些因素对煤岩导热系数的影响及机理,并应用灰色系统理论对导热系数与影响因素进行灰色关联分析。结果表明:导热系数随孔隙率增大而总体呈变小的趋势,但并非单调递减;导热系数随密度增加呈近似线性规律升高;随煤岩样含水率上升,导热系数开始上升很快,后趋于平稳;孔隙率、密度、水分是影响煤岩导热系数的主要原因。     

不同因素对煤岩导热系数影响的实验研究

利用闪射法对不同孔隙率、密度、含水率及煤质的煤岩样导热系数进行测量,研究分析了这些因素对煤岩导热系数的影响及机理,并应用灰色系统理论对导热系数与影响因素进行灰色关联分析。结果表明:导热系数随孔隙率增大而总体呈变小的趋势,但并非单调递减;导热系数随密度增加呈近似线性规律升高;随煤岩样含水率上升,导热系数开始上升很快,后趋于平稳;孔隙率、密度、水分是影响煤岩导热系数的主要原因。