煤体破裂分形特征与声发射规律研究

探究离散性影响下煤体力学行为演化机制及失稳预测方法是有效提高冲击地压预测准确性的关键,开展煤受载破坏声发射监测试验并对破碎块体筛分统计,获得了强度、块体分形特征、声发射信号规律及其相互关系。研究结果表明:受裂隙及夹矸等影响煤体内部形成承载结构缺陷区导致其强度具有显著离散性,含有夹矸或裂隙越多,煤体受载过程弹性区越短承载能力越低,破碎后完整性较高,峰后软化特征明显,煤体单轴压缩破坏块度分形维数为2.08~2.60略高于岩石,碎块分形维数随峰值应力增加而升高,将质量频率分布曲线的斜率定义为碎块密集度(k),碎块密集度越小煤体分形维数越大,破碎块体的数目越多体积越小破碎程度越高;煤体受载过程声发射能量、信号密集度和能量累积量随强度正相关变化,声发射累积量正比于分形维数,结合试验统计结果,深入分析了声发射能量与分形维数间的内在联系,并建立了声发射累积总能量随分形维数变化的经验公式,研究成果为定量的分析声发射信号与煤体力学行为间相互关系提供指导。     

单轴压缩岩石相似材料损伤特性及时空演化规律

为了研究岩石相似材料的损伤特性和损伤时空演化规律,利用自主研发的YYW-Ⅱ应变控制式无侧限压缩仪及PCIE-8型声发射(AE)监测系统,监测了岩石相似材料试样在单轴压缩过程中的应力应变变化和AE事件活动,建立了基于AE事件累计数的单轴压缩岩石相似材料损伤模型,进一步分析了岩石相似材料在单轴压缩过程中的损伤发展阶段,研究了单轴压缩下岩石相似材料的损伤时空演化过程。结果表明：岩石相似材料试样在单轴压缩过程中,AE事件活动大致经历了初始压密少量段、弹性变形稳定增长段、塑性变形和破坏剧烈增长段3个阶段;损伤过程可分为初始损伤阶段、损伤稳定发展阶段和损伤加速发展阶段;损伤时空演化过程较好地反映了损伤特性,以1号试样为例：损伤由试样底部开始发展集中,而后中部和上部出现损伤并向底部和顶部稳定发展,随后中部和上部损伤迅速增多并与底部损伤区连通,最终试样发生破坏。研究成果可为相似材料模型损伤演化规律的研究提供一定的参考。     

基于CT三维重构的深部煤体损伤演化规律

为研究不同应力条件下深部煤体损伤演化规律及破坏机理,以平煤十二矿己15-17220工作面的深部煤体为研究对象,进行了单轴压缩的实时CT扫描实验,结合细观统计损伤力学,提出了一种基于CT图像灰度值定义损伤变量的方法,定量分析了煤样单轴压缩过程中损伤演化规律。通过CT扫描实验、压汞实验和室内基本力学实验,建立了能够反映固体基质分布的深部非均质煤样的三维数值几何模型,进行了合理的网格划分,确定了不同材料组分的本构模型及其物理力学参数,在位移控制加载条件下开展了煤样单轴压缩的数值模拟,定性研究了煤样单轴压缩过程中的损伤演化规律及破坏机理。进一步,在单轴压缩数值模拟基础上,通过对煤样施加不同的环向应力,进行了5种不同围压条件下煤样三轴压缩的数值模拟,从应力-应变曲线形态、煤样破裂形态及破裂角大小等方面定性分析了三轴压缩条件下深部煤体损伤演化规律。结果表明:单轴压缩数值模拟的应力-应变曲线及损伤演化特征与CT实时扫描实验得到的结果具有较好的一致性。随着轴向应力的逐渐增加,煤样损伤依次经历了零损伤阶段、局部损伤产生阶段、损伤线性和非线性稳定增长阶段和损伤加速增长致使完全破坏阶段。试件最终破坏时其最大剪切应变率区域及塑性区都近似平行或垂直于煤基质和煤杂质的交界面,且损伤发生的两个主破坏面相互垂直。单轴压缩的整个过程煤样主要发生拉伸破坏,屈服应力后由于煤样的不均匀变形才发生剪切破坏。基于CT重构的煤样三轴压缩的数值模拟得到的损伤演化特征和经典的岩石损伤演化的6个阶段能够很好的吻合,煤样主要发生剪切破坏;随着围压的增大,峰值强度、扩容点应力和残余强度均逐渐增大,破裂角逐渐减小,破裂角与围压之间近似呈负线性相关。在数值模拟的网格划分、几何模型建立、材料参数和本构模型的选取以及应力应变的计算方法等方面做出了优化,取得了较好的数值模拟效果,能够消除实验样品差异性带来的影响,且能够直观准确地定性描述单轴和三轴压缩过程中的损伤演化规律。     

单轴压缩下煤岩损伤演化及声发射特性研究

声发射是研究煤岩损伤演化的重要手段,通过开展煤岩单轴压缩声发射试验,分析了其微观裂纹演化规律,结果表明：(1)煤岩损伤演化前期为压剪破坏,后期为竖向和剪切组合破坏;当声发射参数RA（上升时间/振幅）与AF（平均频率）比例为1:70时,煤岩剪切裂纹占比大于拉伸裂纹,两者相差6.4%。(2)通过RFPA数值模拟,煤岩破坏前期主要为压剪破坏,后期拉伸破坏线性增长,压剪破坏线性减小,最终压剪破坏累计声发射事件数大于拉伸破坏,两者相差6.1%。(3)对比室内试验与数值模拟,验证了模拟结果的可靠性,为煤岩稳定性监测预警提供一定参考。     

突出煤样声发射特性及发射源试验研究

运用MTS 815岩石力学试验系统和PCI-2全数字声发射监测系统对具有突出倾向煤体制备的型煤试件单轴压缩和循环加载过程中的AE特征进行了试验研究,利用扫描电镜和数值模拟软件分析了声发射事件的来源.结果表明:单轴压缩过程中,随着煤样变形的增加,AE各参数呈上升趋势,在屈服阶段的后期出现最大振幅和最密集AE事件区,预示试件将发生破坏;AE事件累计曲线和振幅变化曲线与单轴压缩应力应变曲线相似,可在现场用以判定煤体失稳与破坏;随循环载荷作用次数的增加,AE事件及其能量呈现递减趋势;在卸载阶段无AE事件出现.四种微结构变化是煤样产生声发射事件的源.     

低温处理煤岩结构演化及单轴力学特性研究

为了研究不同低温对煤岩力学及声发射特性的影响,以阳泉新景煤矿15#煤层无烟煤所制备的原煤为研究对象,利用自主研发的WYS-800微机控制电液伺服单轴试验装置、低温冷冻环境箱及美国物理声学公司的声发射试验装置,深入分析了在20、0、-20、-40、-196℃(液氮)处理过程中煤样的力学及声发射特性。结果表明:原煤煤样峰值强度与损伤强度随冷处理温度降低呈先升高后减小趋势;损伤强度/峰值强度的比值随着温度地降低不断增大,说明随着冷冲击温度的降低煤样更易破裂;在0～-20℃,煤样破坏形式复杂,脆性特性明显;温度降低煤样破坏主要以剪切破坏为主,且形式单一;低温处理对煤样的致裂作用会破坏煤内部结构,在降低煤样整体强度的同时使其内部形成结构弱面;声发射信号幅值随着处理温度的不断降低,其信号的密集程度及整体数值大小均不断降低。     

含层理岩石单轴损伤破坏声发射参数及能量耗散规律

层理构造普遍存在于煤矿地下矿柱岩体中,对其稳定性造成一定的威胁。通过含层理及均质岩石试件单轴压缩实验和CT层析扫描测试,分析了含层理岩石破坏特征,损伤演化过程中的声发射参数特征、能量耗散与传递规律,根据改进后的Duncan模型建立基于声发射、能量耗散参数的单轴损伤破坏模型。结果表明:均质岩石试件整体失稳的主要原因为纵向拉伸破坏,含层理试件宏观主裂纹为单一剪切破坏形式,具有明显的剪切破碎带,层理的软弱结构面会在一定程度上削弱矿柱的承载能力;含层理构造岩石试件失稳破坏主要发生在塑性变形阶段(cd),对应于AE剧烈期,耗散应变能出现明显的起伏波动,轴向荷载60%σ_c~σ_c区间内,63%t_c~t_c时间阶段内;而均质岩石试件的失稳性破坏预测的重点在屈服点前后时间区间内,该区间内耗散应变能的趋势为缓慢下降(屈服点c前)→上升(屈服点c后)→骤增(破坏点d)。建立基于声发射和能量耗散参数的单轴损伤破坏模型,对于含层理试件理论计算结果与试验结果平均偏差率分别为8.2%和9.5%;均质试件的理论计算结果与试验结果平均偏差率分别为18.4%和19.3%。     

突出煤体单轴压缩和蠕变状态下的声发射对比试验

采用MTS815液压伺服岩石试验系统和DISP-2声发射监测系统,对突出煤体和砂岩进行单轴压缩全应力-应变和分级加载蠕变状态下的声发射试验.研究结果表明,由于试样初始损伤程度的差异,单轴压缩作用下煤样的声发射现象贯穿整个试验过程,而砂岩在弹性阶段声发射信号较少.分级加载蠕变试验过程中,前3级应力水平处于典型的第1,2蠕变阶段,期间声发射振铃事件比快速递减,其均值和递减时间随应力水平升高而增加.声发射累计振铃数变化曲线能较好地体现原煤试样蠕变特性的变化趋势.第4级荷载水平时,前期声发射曲线基本保持稳定,但数值明显高于前3个应力水平.在破坏前的极短时间内,声发射曲线急剧上升,预示试样即将完全破坏.     

预制裂隙砂岩相似材料损伤破坏特性试验研究

为了揭示煤岩动力灾害物理模拟的细观损伤机制,利用YYW-Ⅱ单轴压缩试验仪及PCIE-8声发射(AE)监测系统,探究了含不同长度预制单裂隙的砂岩相似材料试样在单轴压缩条件下的力学特性、破坏特征和损伤演化特性.结果表明:随着预制单裂隙长度的增加,试样的峰值强度和残余强度近似线性减小,分别由746.84 kPa和199.11...     

不同冲击倾向性煤体声发射能量特征与时空演化规律研究

为了弄清声发射与冲击倾向性的关联性,对具有强、弱和无冲击倾向性的煤体开展单轴压缩下的声发射试验,分析了煤体的声发射能量特征与定位事件的时空演化规律。结果表明:强冲击倾向性煤体在受载前期和中期,声发射能率与总能量数均很低,临近峰值强度时开始急剧增长;弱、无冲击倾向性煤体声发射能量在整个阶段表现较活跃,尤其在受载的中后期,呈阶梯式逐步增长趋势;不同冲击倾向性煤体均在临近破坏时出现大量高能量声发射信号。声发射能率和总能量数趋于活跃可作为煤体破坏的前兆信息,随着冲击倾向性的增强,声发射能量趋于活跃越滞后。声发射空间定位演化结果直观反映了煤体内部声发射源位置与破裂发展状况,其空间分布与聚集位置可对应于煤体内部应力集中与宏观破坏区域;随着煤体冲击倾向性的增强、受载应力水平的增大,声发射定位事件数量逐步增加,临近峰值强度时,声发射定位事件急剧增长。声发射总能量数、定位事件数与冲击倾向性呈正相关关系,从一定程度上揭示了煤体积聚和释放弹性能的能力。     

煤系岩石单轴压缩损伤破坏演化规律与表征北大核心

为了研究煤系岩石单轴压缩损伤破坏演化规律及其表征方法,以煤系岩层中普遍存在的3种不同岩性岩石为研究对象,重点讨论不同矿物组成以及不同微观结构等对其自身岩石力学性质的贡献关系,对比分析了声发射多维度特征参数的特殊表征意义,借助于计数与能量参数表征破坏尺度大小的关系,以及借助于声发射高灵敏定位效果来表征破坏位置的演化,通过两者的结合可进一步表征出承载体损伤演化全过程的可行性,基于理论分析,推导了响应的本构方程。结果表明:不同岩性煤系岩石微观形貌特征及矿物组成成分的差异直接影响其物理力学性质与受载损伤破坏特征;声发射特征振铃计数及声发射能量能有效表示岩石受载过程中损伤演化过程,声发射空间定位点分形维数D能在一定程度上反映岩石的损伤破坏过程,但受岩石孔隙率及致密程度的影响较大。基于岩石孔隙率特征及受载过程中的声发射累计振铃计数,建立了考虑初始损伤和累计损伤的本构模型,并分析了孔隙率对损伤张量Dn的影响规律。     

双向压缩下岩石声发射特性损伤力学分析

用阜平大理岩进行了双轴压缩试验,研究了其破坏过程中的声发射特性,根据连续损伤力学理论建立了双向压缩直声发射与损伤变量之间线性关系式;分析了声发射的发生机制。     

超声波功率对煤体孔隙结构损伤及渗流特性影响实验研究

为探究超声波功率对煤体孔隙结构损伤及渗流特性的影响,利用超声波NM-4B波速检测仪、蔡司Stemi508显微镜和煤岩芯渗透率测试仪,测试超声波不同功率激励前后煤样的表面裂隙宽度、微细观损伤和渗透特性的变化.实验结果表明:随着超声波激励功率增大,表面裂隙宽度增大,煤体表面裂隙宽度扩展率随功率呈正指数相关;超声波激励功率越...     

加载速度对煤岩损伤演化声发射特征的影响分析

借助细观颗粒流PFC2D软件平台建立煤岩单轴压缩模型,模拟了不同加载速度对煤岩损伤演化声发射特征的影响。分析结果表明:加载速度对煤岩损伤破裂声发射特征规律的影响不大,但伴随加载速度的增大,产生明显声发射的时间将提前;加载速率的提高对煤岩初始发射起裂应变没有影响,但使产生强烈声发射的应变范围增加;加载速度越大,煤岩破坏前积聚的变形能越多,煤岩破坏损伤程度越高,产生的声发射总数越多。     

白云岩的单轴压缩力学特性及声发射特性研究

对从青川县东河口滑坡区采集的白云岩进行了单轴压缩试验,测得了白云岩的单轴抗压强度、弹性模量等力学参数,并在单轴压缩试验的全过程运用了声发射测试技术,研究了岩石损伤破坏过程中的声发射参数(振铃计数、能量)演化规律及其与岩石的应力响应之间的相关性,并尝试对岩石损伤破坏前兆的声发射特征点进行了分析。研究结果体现了白云岩的初始缺陷对其力学特性及声发射特性会产生较大的影响。分析表明:1)白云岩的变形破坏过程大致可分为五个阶段,且不同阶段出现了与之相对应的声发射信号特征;2)白云岩的声发射振铃计数和能量在反映岩石损伤演化过程方面有较高的一致性。明显的声发射活动主要出现在岩石加载的中后期,在岩石进入裂纹非稳定扩展阶段后出现振铃计数和能量激增的现象,在临近破坏阶段,个别岩样进入声发射活动的相对平静期;3)对比声发射特征点和应力屈服点出现的时刻,两者的差值与岩样的初始缺陷密切相关。但无论是累计振铃计数还是累计能量,基于两者识别出的特征点时间都是超前于或接近应力屈服点出现的时刻。基于本次研究结果,如果作为岩石破坏前兆信息识别,选用累计能量参数会使得安全储备更充足。     

加载速率和初始损伤对砂岩能量演化影响的试验研究

为研究加载速率和初始损伤对砂岩能量演化特性的影响,通过预压使部分岩样产生初始损伤,并进行原始岩样和含初始损伤岩样不同加载速率下的单轴压缩试验,分析了砂岩试件加载速率和初始损伤影响下的能量演化特征。试验结果表明,预压产生的初始损伤较为真实地反应岩石内部随机分布的微裂隙损伤,声发射技术能较为准确地表征损伤量及其位置信息;加载速率的不同对弹性能演化过程基本无影响,但造成岩样破坏前积聚的最大弹性能增加;初始损伤的存在使弹性能增长较无损伤岩样变缓,破坏前积聚的最大弹性能减少;从能量耗散的角度建立了岩石损伤演化方程,验算结果表明基于能量耗散分析建立的岩石损伤演化方程可以很好地描述岩石的损伤演化过程。     

煤体爆破损伤规律模拟试验研究

为进一步研究煤体爆破作用机理,提高瓦斯抽放效果,从理论上将煤体爆破损伤断裂分为爆炸波作用的初始阶段和爆生气体与瓦斯气体作用的后期阶段,并确定了两个阶段的断裂损伤准则.根据相似理论设计了煤体爆破损伤规律模拟试验,测试了试块超声波波速(计算损伤参量)和爆炸应变波,试验结果表明,模拟煤体爆破损伤是爆炸冲击波、爆炸应力波、爆生...     

不同埋深煤体孔隙结构特征及瓦斯吸附特性研究

为研究同一煤层煤体孔隙结构及其瓦斯吸附性能与埋深的关系，通过等温吸附试验、低温N₂吸附试验，测定了4个不同埋深煤样的瓦斯吸附量和孔容、孔比表面积等孔隙结构参数，应用孔隙分形理论研究了不同埋深煤样的分形特征，并确定了孔隙结构参数与吸附常数的关系。结果表明：随着埋深的增加，煤样的孔比表面积增加，瓦斯吸附量增加；4个煤样中埋藏最深的煤样较最浅煤样比表面积增加了1.2603 m²/g,总孔容减小了0.0026 mL/g,瓦斯吸附量增加了67%,吸附饱和度降低了7.4%;吸附常数a与孔比表面积和分形维数的幂函数呈正相关关系，吸附常数b与吸附常数a呈幂函数关系。因此，可根据不同埋深煤样孔隙结构参数量化瓦斯吸附性能，为细化同一煤层瓦斯灾害防治方案提供了理论依据。     

动静组合加载下煤体损伤及力学特性研究

为了揭示动力扰动下煤体的冲击失稳机理,对动静组合加载下煤体损伤机制及力学响应特征进行定性研究。首先进行冲击矿井煤体力学性质测定试验,继而运用RFPA2D-DynamicStatic软件模拟分析了静力水平和动力扰动波形对煤体裂隙发育、损伤单元分布及声发射特征的影响,研究了动力扰动对煤体力学性能和能量演化特征的影响。研究结果表明:(1)动静组合加载下,煤体抗压强度与损伤度呈线性负相关性,弹性能储能极限与损伤度呈负指数关系。(2)在动力扰动作用下,煤体内部损伤不断加剧,煤体弹性能储能极限以[]13.71ln 36.33eU (28)-D (10)的趋势不断降低,冲击破坏损耗能不断减少,原本积聚在煤体内的弹性能会瞬间释放,导致煤体冲击破坏。(3)提出了增加煤柱的抗扰动能力和减少煤体中积聚的弹性能2种防治震动型冲击地压措施。     

煤岩组合体变形破裂声发射特征及损伤演化规律研究

为研究煤岩组合体变形破裂过程中煤厚对其声发射特征和峰前损伤特性的影响,对煤厚分别为20mm、33.33mm和60mm的三种煤岩组合体进行室内单轴压缩声发射试验。研究表明：随着煤厚的增加,煤岩组合体的单轴抗压强度和声发射峰值计数均下降,且煤厚与声发射峰值计数满足指数函数关系;组合体的破坏持续时间随煤厚的增加而变长;声发射累计数的变化情况可分为缓慢增长阶段、快速增长阶段和声发射峰值及破坏后阶段,前两个阶段,累计数增长的速度与煤厚呈正相关,最后一个阶段,呈负相关。组合体峰前损伤演化可分为初始损伤、损伤稳定发展和损伤突增不稳定发展三个阶段;损伤变量与应变满足幂指数函数关系,且随着煤厚的增加,组合体D=1时对应的峰值应变也增加。