高温对胶结充填体强度及变形特性的影响

为了研究高温对充填体强度及变形特性的影响,在实时高温和高温冷却后2种情况下分别对胶结充填体进行单轴压缩实验。实验发现:高温作用下,充填体的温度应变、热膨胀系数与温度存在增长函数关系,高温作用冷却后,充填体温度应变随温度升高而增加,在200℃达到峰值,随后又降低;实时高温作用下,充填体的抗压强度从25℃时的4.2MPa降低至300℃时的2.3 MPa,弹性模量从25℃的0.25 GPa降到300℃的0.15 GPa;高温作用冷却后岩样的抗压强度从25℃时的4.2 MPa降低至300℃时的2.1 MPa,弹性模量从25℃的0.25 GPa降到300℃的0.10 GPa。     

松散层下覆岩裂隙采后闭合效应及重复开采覆岩破坏预测

为研究开采覆岩裂隙发育的时间效应和为残煤复采评价提供依据。采用彩色钻孔电视、冲洗液漏失量观测、岩芯RQD指标等对厚松散含水层下煤层开采15 a后的覆岩裂隙闭合效应进行了研究。结果表明：距煤层顶板较远的岩体裂隙张开度、裂隙率均较小且易闭合,距煤层顶板较近的岩体裂隙张开度大、裂隙率大且未能闭合,开采15 a后覆岩导水裂隙高度比煤层开采结束时的最大导水裂隙带高度降低了近40%,垮落带高度稍有降低。对比分析发现,开采后的覆岩岩块平均强度比开采前降低了约20%,采用Hoek-Brown经验公式换算得到破碎岩体单轴抗压强度仅为0.237 MPa,破碎岩体抗压强度已小于自重应力值,处于“潜塑”状态。因此,残留煤层的重复开采覆岩破坏高度计算时,覆岩应按软弱岩类型考虑。计算表明,杨庄煤矿3号煤层复采厚度2和3 m时,分别留设15.7和18.2 m的防砂安全煤柱即可起到防溃砂作用。     

裂隙充填对岩体单轴压缩力学性能及锚固效应的影响

用相似材料试件研究了裂隙不同充填物对节理岩体单轴压缩力学性能及锚固效应的影响。对裂隙含不同充填物节理岩体相似材料无锚及有锚试件进行了单轴压缩试验及数值研究,分析了不同充填物对节理岩体单轴压缩力学性能及锚固效应的影响。研究得到：充填物弹性模量在一定范围内,含充填节理岩体抗压强度峰值随着充填物弹性模量的提高而提高;充填物与基体材料弹性模量越接近,无锚含充填节理岩体试件的峰后塑性越好,但充填物对加锚试件的峰后塑性影响很小;充填物与基体材料弹性模量差值越大,试件峰后应力-应变曲线应力下降速率越快;当裂隙充填物弹性模量低于基体材料时,试件内沿受力方向出现拉应力,拉应力的峰值及分布区域随充填物弹性模量的降低而增大。     

煤矸石胶结充填体强度与细观结构的高温损伤效应

为了探究深部高温环境下胶结充填体的损伤规律，对煤矸石胶结充填体进行不同温度的高温加热处理，然后开展单轴压缩试验、计算机层析(CT)扫描试验和扫描电镜图像分析。试验结果表明，试件的抗压强度和弹性模量随温度升高而逐渐降低，且衰减速度在0～300℃范围内较快，随后逐渐变缓；二维CT图像表明，高温冲击作用使试件内部的裂隙数量和尺寸快速增加；由CT图像计算的试件孔隙率与环境温度呈正相关的指数型关系；在高温作用下，胶结充填体的内部孔隙、裂隙扩张与煤矸石颗粒接触关系均发生显著改变，这是导致试件强度衰减的根本机理。     

液氮冷加载对围压煤体结构损伤的影响规律研究

采用损伤孔隙裂隙结构的方法可以提高煤体的渗透性。利用液氮冷加载实验,研究煤样孔隙裂隙结构损伤后的物理力学性质变化规律。通过卸载后煤样表面裂隙宽度、整体孔隙量的变化值,研究煤样结构损伤的物理性质,运用单轴抗压强度研究煤样结构损伤的力学性质,进而揭示液氮冷加载对煤样结构损伤的作用机理。结果表明:1)随着煤样围压的增加,煤样结构损伤程度逐渐加剧,12～13 MPa围压使煤样发生破碎;2)在注液氮条件下,冷加载加速了围压煤样结构的损伤,10～11 MPa围压下煤样发生破碎;3)煤样裂隙结构开裂方向与层理方向垂直,随着围压的增加,煤样单轴抗压强度逐渐降低,力学性能劣化。注液氮引起的温度应力可以加速煤体结构损伤,对煤体改性增透和预防冲击地压灾害提供了新的方法。     

孔隙水压对高强混凝土抗压性能影响的试验研究

为模拟深部井筒不同工作环境下高强混凝土力学性能,将高强混凝土试件浸没入不同高压(1、2、3、4 MPa)水体中48 h,以形成孔隙水压,并在TAW-3000试验机上进行单轴抗压试验,对孔隙水压作用后高强混凝土的抗压强度、弹性模量、峰值应变、体应变等指标的变化及其破坏形态进行了研究分析,并与未经水压作用的高强混凝土进行对比。研究结果表明,经孔隙水压作用后的高强混凝土应力-应变曲线和应力-体应变曲线的弹性极限提高了约10%。孔隙水压每提高1 MPa,高强混凝土的抗压强度损失率平均为2.93%、弹性模量损失率平均为2.96%。高强混凝土的开裂速度加快,脆性破坏特征更明显,且随着孔隙水压的增加,混凝土的抗压强度和弹性模量都表现出降低的趋势。     

泥岩相似材料力学性能影响因素的试验研究

为了分析成型压力、压实速率、重复搅拌次数对泥岩相似材料力学性能的影响,选取相似模型试验中常用的石膏作为胶结材料,黄沙、石英砂及重晶石粉作为骨料制成相似材料试件,进行单轴压缩试验、巴西劈裂试验,得到试件的单轴抗压强度、抗拉强度及弹性模量。结果表明:成型压力由2.0MPa增加至4.0MPa,材料的单轴抗压强度、抗拉强度及弹性模量分别增加49.9%、54.4%、88.6%;压实速率由0.5mm/min增加至4.0mm/min,材料的单轴抗压强度、抗拉强度及弹性模量分别增加22.9%、89.6%、32.5%;重复搅拌次数由1次增加至9次,材料的单轴抗压强度、抗拉强度及弹性模量分别减小31.6%、22.2%、43.2%。这些研究成果对提高模型试验精度、指导模型试验的操作具有一定意义。     

含水压倾斜裂隙砂岩力学与渗流特性研究

为研究带压开采过程中煤层底板断层突水问题,利用三轴应力-渗流耦合试验系统对45°倾斜裂隙砂岩进行0、0.5、1、1.5、2 MPa裂隙水压条件下的三轴压缩渗流试验,研究不同水压条件下裂隙岩体力学特性与渗流特性的变化规律。结果表明：不同水压作用下,裂隙砂岩在三轴压缩下发生的破坏均为剪切滑移破坏,试件经历了裂隙压密、弹性变形、塑性破坏、剪切错动、残余强度等阶段;水压作用更容易造成试样发生剪切滑移,并且水压对岩体强度具有弱化作用,当水压从0增加到2 MPa,试件的三轴抗压强度从32.82 MPa降低为13.54 MPa,降幅58.74%。拟合分析表明,试件的弹性模量、峰值强度以及残余强度均随着水压的增大近似线性减小。裂隙渗流方面,渗透率随着水压的增大而增大;在峰前变形阶段,渗透率随着应变的增加呈指数函数关系递减;应力达到峰值强度后试件逐渐发生剪切错动,渗透率急剧增加;到残余强度阶段,渗透率发生微小波动但基本保持稳定。     

单向应力下类岩石试件预制浅裂隙发育规律及破坏特征分析

我国西南煤矿在开采过程中覆岩裂隙发育显著,开采扰动较强,围岩控制难度较大。为研究含裂隙岩石破坏机理,改善西南矿区围岩控制效果,采用单轴压缩试验结合DIC技术研究了裂隙倾角、裂隙数量等对类岩石试件力学特性、表面变形场、裂隙扩展路径的影响。结果表明：裂隙倾角由0°和90°变化至45°的过程中,岩石单轴抗压强度降低程度分别由12.47%和16.66%增至28.83%,单裂隙试件、双裂隙试件、三裂隙试件的平均峰值强度分别为完整试件的80.24%、69.07%、56.94%,单裂隙类岩石试件在单向应力下,常沿裂隙端翼出现裂纹扩展,多裂隙类岩石试件则出现与加载方向平行的裂隙。当单裂隙试件裂隙倾角为45°和60°时,试件最大主应变超过完整试件;在多裂隙试件中,仅双横向裂隙试件有此现象。此研究结果可为控制我国西南煤矿围岩稳定性提供理论依据。     

煤炭地下气化过程中温度-应力耦合作用下燃空区覆岩裂隙演化规律

进行了高温下泥岩和砂岩的热物理性质实验和单轴压缩实验，获得了不同温度下岩石比热容、导热系数、弹性模量和单轴抗压强度等基本物理力学参数。基于热力学与弹性力学理论，建立了考虑岩石损伤演化的温度-应力耦合作用控制方程，并以某煤炭地下气化现场的工程地质条件为背景，对温度-应力耦合条件下燃空区覆岩温度场和裂隙场的演化规律进行了数值模拟研究。最后，采用现场钻孔观测试验法对燃空区覆岩断裂带发育高度进行了探测。现场探测结果与数值模拟结果基本吻合，证明了数值计算模型及预测结果的合理性。     

不同压力CO2作用对煤体冲击倾向性的影响研究

煤体冲击倾向性研究对于探明地下深部煤炭开采过程中冲击地压的形成机理具有重要意义。为了探究不同压力CO₂作用对煤体冲击倾向性的影响，对不同压力CO₂浸泡作用后的煤试件进行单轴压缩及变上限循环加卸载试验。试验结果表明：经过2, 4, 6, 8 MPa与10 MPa压力的CO₂作用后，煤试件单轴抗压强度分别下降了9.97%、16.14%、25.02%、45.97%与52.77%,弹性模量分别降低了11.01%、18.35%、27.52%、44.95%。随着CO₂浸泡压力的增加，煤样力学特性劣化程度逐渐加剧，声发射累积事件总数降低。从微观层面解释了CO₂作用对煤体的损伤机理。不同压力CO₂浸泡后煤试件变上限循环加卸载过程中的输入能Uⁿ_in与弹性能U■均符合线性关系。经过2, 4, 6, 8 MPa与10 MPa压力的CO₂作用后，较原始煤试件剩余弹性能指数C_EF分别降低了9.3...     

洛河组砂岩含水层下大采高工作面导水断裂带演化规律

针对旬耀矿区厚煤层大采高工作面上覆洛河组砂岩含水层下的安全采煤问题,采用理论分析、相似材料试验和数值模拟研究了某矿1109大采高工作面覆岩破断及裂隙演化规律。研究表明:上覆岩层经历了直接顶破断、基本顶初次破断与周期破断、亚关键层初次破断与周期破断5个阶段,破断发生引起工作面煤壁上方裂隙密度和开度发生跃变,采空区覆岩裂隙经历孕育、产生、张开、闭合、压实5个动态阶段;从开切眼到充分采动过程中,在裂隙带的上部、工作面煤壁上方及开切眼上方裂隙较为发育,裂隙区近似"抛物线"状,采空区中部覆岩裂隙闭合而边界处裂隙不易闭合;工作面充分采动后,导水断裂带发育高度82~85 m,未导通上覆洛河组砂岩。     

综采工作面垮落带注浆充填开采覆岩采动裂隙定量表征试验研究

为定量表征冒落区注浆充填对覆岩采动损伤程度的影响,以任家庄煤矿110903工作面为研究背景,开展垮落法开采和垮落带充填法开采物理相似模拟实验,运用分形理论研究两者覆岩裂隙演化特征,并对其覆岩运移规律进行对比分析。研究结果表明,垮落法开采后采动裂隙分形维数变化规律为迅速上升-缓慢下降-缓慢上升-急剧上升,注浆充填开采后变化规律呈迅速上升-迅速下降-缓慢下降-缓慢上升;将采动裂隙发育网络划分为离层裂隙区、离层压实区、垮落裂隙区、竖向破断裂隙区四个区域,对比垮落法开采和垮落带充填法开采,充填后采场覆岩裂隙不发育,离层压实区范围较小,发育高度仅为21.96 m;注浆充填开采后各关键层下沉量显著减小,关键层2最大下沉量出现在顶板初次破断处,垮落法开采后关键层2最大下沉量出现在采空区中部。垮落带注浆充填开采能有效改善覆岩裂隙损伤、控制覆岩裂隙发育、减缓覆岩下沉,该成果可以为任家庄煤矿充填开采控制地表沉降提供一定的理论依据。     

预制裂隙类岩石试件表面变形场演化与裂隙扩展机理研究

我国东部矿区相继进入深部开采阶段,裂隙发育程度升高,开采扰动效应增强,围岩控制难度增大。为研究含裂隙岩石破坏机理,提高深部围岩控制效果,采用单轴抗压试验结合DIC技术研究了裂隙倾角对类岩石试件力学特性、表面变形场、裂隙扩展路径的影响。结果表明：预制裂隙与翼裂纹产生剪切互锁效应,含裂隙岩石应力-应变曲线呈双峰形态;裂隙倾角增大,岩石弹性模量和损伤程度升高,单轴抗压强度先降低后升高;确定了单轴抗压强度与裂隙倾角的定量关系,定义了含裂隙岩石破坏优势倾角,张开型裂隙优势倾角为45°;含裂隙岩石变形局部化现象始现于裂隙尖端,拉应力主导型启动应力为初始屈服强度的80%,剪应力主导型降至60%;变形集中带扩展路径与表面裂隙一致,应变值达到5.0%时,岩石变形由局部集中向裂隙发育阶段过渡;预制裂隙倾角为60°和75°时,岩石发生拉剪混合破坏,其他角度发生拉伸破坏;拉伸裂隙孕育时间长,两侧特征点水平位移曲线相互分离,剪切裂隙孕育时间短,两侧特征点纵向位移曲线相互分离;构建了预制裂隙类岩石试件GBM模型,岩石内部微裂纹以拉伸型为主,剪切型微裂纹随预制裂隙倾角增大呈先增多后减少趋势;DIC技术可预判岩石起裂...     

采动覆岩裂隙体系统耗散结构特征 与突变失稳阈值效应

将覆岩裂隙体作为系统来考虑,分析了采动覆岩裂隙体系统动态演化过程中的耗散结构特征,采用分形维数描述了采动裂隙发育过程及系统演化、涨落与跃迁;引入"孔隙压力熵"研究了采动覆岩裂隙体系统耗散结构演化中的熵变过程,并在近平衡态广义力与广义流的基础上明确了远离平衡态非线性区的超广义力及其驱动的广义流,依据超熵临界判据分析了以开采尺度为指标的动力失稳阈值。结果表明:可以通过耗散结构理论描述覆岩裂隙化程度与采空空间之间关系;孔隙压力熵可以描述采动覆岩裂隙体系统在由自然状态向采动状态逐步演化的"熵减"现象;孔隙压力熵的二次变分随开采尺度演化曲线的斜率为系统在远离平衡态非线性区的超熵产生,并以此为指标可判断系统在外界约束条件变化下的3种演化趋势,揭示了系统隔水性能在临界开采尺度下的失稳阈值效应。     

温度冲击后煤岩的力学损伤特性研究

温度冲击是提高煤岩透气性的重要手段。为研究温度冲击后煤岩力学损伤特性,采用高温-液氮热冷处理对试样进行单轴力学变形损伤破坏实验,探究不同温度冲击后煤岩损伤的声发射特征。结果表明：煤岩抗压强度和弹性模量随冲击温度的升高呈现非线性下降趋势,损伤强度降幅为34%～66%;弹性模量宏观上表征煤岩的损伤变量,拟合曲线呈现“下凹”特点;用声发射振铃计数从细观角度表征热冷作用后煤岩的损伤特性,冲击温差越大,煤岩损伤越明显,200℃-液氮冲击煤岩损伤达94%,此时煤岩致裂损伤效果最为显著。     

基于注浆试验的深井软岩CT分析

深井注浆围岩内部结构复杂而隐蔽,目前尚缺乏对其强度等特性定量测试分析的有效方法,通过三轴压力相似模型试验,制作了高应力深井破坏软岩等效试件,采用优化的浆液配比和自主研发的MYZJ-2型实验室液压注浆系统对破坏软岩进行了实验室注浆试验,测试注浆后试件单轴抗压强度,利用CT扫描技术对注浆试件裂隙变化情况进行了观测研究,并分析了试件内部裂隙分形维数变化规律。研究结果表明,采用水灰比1∶0.6,膨润土比例为水泥重量4%的超细水泥浆液对等效破坏泥岩试件注浆加固后,试件承载能力得到一定程度恢复,且峰后残余强度较注浆前提高约40%,韧性能力提高,试件内部裂隙基本被浆液填充,裂隙分形维数由注浆前1.385减小到注浆后1.074,注浆效果较好。     

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。     

冻融作用对边坡泥质粉砂岩岩体质量与强度的影响

为探究冻融作用对边坡泥质粉砂岩岩体质量与强度的影响规律,对白砺滩露天煤矿南帮边坡泥质粉砂岩开展冻结温度为-20℃、融解温度为20℃、冻融循环为40次的试验研究,并对岩体强度参数进行计算,评价经历不同冻融次数后岩体的质量。结果表明:冻融作用对岩体强度参数、质量均产生重要影响,经历10,20,30,40次冻融循环后,饱水泥质粉砂岩岩体的单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量、黏聚力和内摩擦角分别由未冻融时的29.62 MPa、1.92 MPa、2.26 GPa、0.30 MPa和45.64°下降到20.33 MPa、1.31 MPa、1.87 GPa、0.21 MPa和32.41。,降低幅度分别为31.36%、31.77%、17.26%、30%和28.99%,BQ值由未冻融时的453.8分别下降到401.4,360.7,340.2和302.7;经历30次冻融循环后对应的岩体基本质量级别由未冻融时的Ⅲ级下降为Ⅳ级。     

尺寸效应对煤体冲击倾向性的影响研究

不同尺度煤体冲击倾向性研究对于厘清煤炭地下开采过程中冲击地压尺寸效应形成机制起着关键作用。为探明煤体冲击倾向性尺寸效应,对不同尺寸煤试件进行单轴压缩及变上限循环加卸载试验。试验结果表明：与标准(φ50 mm×100 mm)煤试件相比,小尺寸(φ25 mm×50 mm)煤试件的平均单轴抗压强度增加了8.02%,弹性模量增加了23.16%;大尺寸(φ75 mm×150 mm)煤试件的平均单轴抗压强度降低了11.03%,弹性模量降低了7.37%。随着煤试件尺寸的增加,声发射累积事件总数不断降低,临近破坏时煤试件表面位移场趋于无序变化。经CT扫描煤体试件内部微裂隙分形维数随其尺寸扩大不断增加,表明较大尺寸煤试件内部裂纹数量增多且空间分布更加复杂,这直接导致煤体呈现出尺寸效应特征。煤体试件尺寸从φ25 mm×50 mm增加至φ75 mm×150 mm,其剩余弹性能指数CEF由26.53 kJ/m3降低为21.36 kJ/m3,这表明尺寸效应将直接影响煤体的冲击倾向性,同种煤体的尺寸越大,其冲击倾向性越小。