低透气性原煤力学及渗透特性的试验研究

利用MTS815岩石力学试验系统和气体渗透试验系统,开展了原场应力状态下原煤煤样在不同瓦斯压力条件下的三轴压缩渗透试验,对比了不同瓦斯压力下煤样的变形、强度和渗流特征,分析了瓦斯对原煤煤样力学性质的影响,以及煤样变形破坏过程中其渗透特性的变化.结果表明:随瓦斯压力增加,弹性模量和峰值强度呈指数型衰减,泊松比、峰值轴向应变和峰值横向应变呈指数型增加,煤样变形能力增强,抵抗破坏的能力减弱.瓦斯渗透率随煤样加载变形破坏呈先减小后增大趋势.瓦斯渗透率变化与体积变形机制密切相关,在体积压缩阶段存在不可恢复性衰减,在峰后阶段随体积膨胀逐渐增加,残余阶段的渗透率一般远大于初始静水压力状态的渗透率.对低透气性煤层瓦斯抽采和煤炭安全开采具有现实指导意义.     

不同围压下松软煤体力学特性与能量演化规律

为揭示滇东矿区松软煤体在加载破坏过程中的力学特性和能量演化规律，基于MTS815.03岩石力学实验系统对原煤试样进行不同围压条件下的三轴压缩实验。结果表明：煤样的峰值应力、弹性模量与围压存在指数函数关系；峰值应变、泊松比随围压呈线性增加；围压效应使煤样的破坏从延塑性向脆性转变，破坏模式由局部剪切形态向整体劈裂形态发展；围压对煤样变形破坏过程中能量演化影响显著。随着围压的增大，极限弹性能与峰值总能量均呈近似线性增加，积聚的极限弹性能对煤样的破坏起重要作用，宏观表现为高围压条件下煤样破坏较低围压剧烈。     

盐岩破坏中能量特征应变率效应颗粒流分析

为研究不同应变速率下盐岩损伤中的能量特征,结合室内单轴压缩试验和颗粒流程序(PFC-2D)进行不同应变率下盐岩模型模拟试验,分析盐岩模型的峰值强度,并运用岩石能量耗散理论分析不同应变速率下盐岩模型峰值强度处能量特征和单轴压缩过程中能量特征变化。结果表明:盐岩模型峰值强度随应变速率增加而增大;盐岩模型峰值强度处对应的总输入能量、可释放弹性应变能和耗散应变能均随应变速率的增加而增加;不同应变率下盐岩模型在相同压缩阶段能量特征变化基本相同,能量随轴向应变整体变化趋势受应变速率的影响较小;同一应变率下不同压缩阶段能量特征变化趋势不同,弹性阶段大部分外力功转化成可释放应变能;塑性阶段耗散应变能快速大幅增加;在破坏阶段耗散应变能持续增加,但弹性应变能出现降低。     

单轴压缩荷载下含黏结面花岗岩能量演化研究

为探究能量演化在含黏结面不完整岩石受载过程中的规律,选取带有矿物质黏结斜面的花岗岩进行单轴循环加卸载压缩试验,同时在试验过程中进行声发射检测.得到以下结论:"有效能比"(累积弹性能/输入岩石的总能)可以作为岩石储能水平的表征,也可间接反映岩石内部结构随应力状态的改变;从整个加载过程来看,黏结面部位破坏的声发射释能短促、强烈,峰值强度时声发射持续时间较长,但声发射释能率相比黏结面破坏时较低;应力水平较低时,卸载过程中一般不会有声发射现象或声发射现象基本可以忽略,但当应力水平达到一定值时,即花岗岩积聚的弹性能超过了黏结面部位破坏的耗散能时,花岗岩在卸载时会发生短促、强烈的脆性破坏;由于声发射能量属于耗散能的一部分,定义"声发射检测效率"(声发射累积能量/累积耗散能),对于本次试验对象而言,"声发射检测效率"在压密阶段降低,弹性阶段升高,黏结面局部破坏时达到峰值,之后直至峰值强度该值呈现持续降低趋势;从能量角度分析,卸载破裂所对应的应力水平低于加载强度,但不应低于与峰值强度时耗散能大小相等的弹性能所对应的应力水平.     

三轴压缩条件下胶结充填体能量耗散特征分析

开展不同灰砂配比、质量分数的充填体三轴压缩试验,研究了不同围压加载阶段充填体的能量耗散与围压、应变以及应力的内在关系.结果表明,在低围压时,充填体的极限抗压强度低;随着围压的增加,充填体的峰值强度随之增大,峰前能耗占总能耗的比重越来越大,说明充填体屈服阶段吸收的能量占总能量的比重提高,围压的增大能够提高充填体的破坏能耗量;充填体的峰前能耗量、峰后能耗量、单位体积变形能以及总能耗与围压呈二次函数曲线关系.当围压一定时,充填体在弹性变形阶段的能量变化与轴向应力、偏应力均呈线性关系,与轴向应变呈指数函数曲线关系;随着轴向载荷增加,能量随轴向应力、偏应力变化的增长速率加大.     

常规三轴压力下含瓦斯煤蠕变–渗流演化规律

在瓦斯抽采、煤层气开采及煤与瓦斯突出过程中,煤岩蠕变引起岩体变形会对瓦斯渗流产生影响。为研究含瓦斯煤蠕变–渗流的演化规律,得到蠕变–渗流的耦合关系,作者进行了不同瓦斯压力下分级加载轴压时煤体常规三轴蠕变–渗流试验。试验结果发现:轴向应变呈梯度增大,直至煤样破坏;期间,煤体内部瓦斯渗透率呈先减小后增大的趋势。这表明煤样蠕变过程中煤体内部孔隙或微裂隙发生了两次变化:前期蠕变过程中,孔隙或微裂隙压密,瓦斯流通受阻渗透率减小;当应变超过一定阈值时,煤体骨架发生变化,孔隙或微裂隙出现增生或扩展,瓦斯通道贯通渗透率增大。此外,由试验结果可知,煤岩发生失稳破坏时,必须具备应力超过长期强度、应变超过应变阈值两个条件。这一结论为煤岩失稳破坏提供了一条新的思路。进而,为进一步研究蠕变变形和渗透率的关系,基于Kozeny-Carman公式进行合理地假设及推导,得到应变与渗透率的数学关系式。最后,利用蠕变–渗流试验数据验证时,发现应变–渗透率公式能很好地反映蠕变–渗流过程中的耦合规律。结论能为应力场–裂隙场–渗流场耦合研究提供一定的参考价值。     

粗砂岩变形破坏过程中的能量演化机制

对粗砂岩进行单轴试验测得其力学参数,然后采用颗粒流和fish程序获得粗砂岩的细观力学参数进行不同围压下的压缩试验,分析粗砂岩的变形和强度特性以及在变形破坏过程中的能量演化规律。获得主要结论:随着围压增加粗砂岩屈服阶段明显增加,峰值强度提高,峰后由明显软化逐渐向塑性流动过渡,表明随着围压增加粗砂岩脆性降低而延性提高,主应力表示的二次型强度准则比直线型更加贴近试验结果。粗砂岩在变形破坏过程中,弹性阶段吸收的能量主要以弹性应变能的形式存储,屈服阶段弹性应变能增速减缓而耗散能增速加快,围压越高峰值处对应的耗散能越大表明高围压下破坏时岩石内部损伤严重,峰后阶段弹性应变能在低围压下急剧减小而高围压下缓慢减小。弹性储能极限随围压增加呈现线性增大趋势,弹性应变能与岩石吸收总能量之比先减小而后趋于常值。     

大块煤样渗透试验装置研制及应用

介绍了自主研发的大煤样渗透试验系统,该系统由瓦斯源、瓦斯压力测试、瓦斯流量测试、伺服加栽、声发射检测和渗透试验装置等单元组成,可进行大块煤样（150mm×150mm×150mm）的渗透性试验．该试验装置具有以下特点：能够进行含有原生节理、裂隙和层理的大块煤样的渗透性试验;检测到的煤样应力、声发射（AE）、瓦斯压力与瓦斯流量具有良好相关性,瓦斯流量最低处于煤样弹性阶段后期,瓦斯流量增加始于煤样屈服点,瓦斯流量最大滞后于煤样的峰值强度;试验系统具有伺服控制重复加载、操作简单、系统气密封性好等特点;能够反映煤体应力对煤体渗透性的影响,能逼真再现工作面前方煤体受力状态下的渗透性特征．研究结果可为工作面前方煤体瓦斯抽放方案的制订和安全生产管理提供依据．     

循环加卸载下花岗岩破裂过程及能量演化研究

使用MTS815实验机对北山花岗岩进行了循环加卸载实验.基于实验结果,探讨了循环加卸载条件下北山花岗岩声发射特征,研究了北山花岗岩破裂过程中能量演化特征.结果表明:1)峰值应力前循环,卸载阶段弹性模量略大于加载阶段弹性模量.2)根据声发射变化特征可以很好地判定岩石所处的应力状态和损伤程度,并在一定程度上证明了岩石材料的Kaiser效应.3)峰值应力前,能量演化主要表现为以弹性能为主的聚集和释放;在峰值应力时耗散能迅速增多导致岩石内部结构发生根本性的变化,耗散能在峰后阶段所占比重持续增加导致岩石进入加速破坏阶段.4)峰值应力前,围压对弹性能和耗散能的影响很小;但弹性储能极限和岩石破坏所需的耗散能随围压的升高线性增大.     

高围压卸荷条件下大理岩变形破坏及能量特征研究

能量的耗散与释放是岩石变形破坏的本质。基于MTS815 Flex Test GT岩石力学试验平台,通过室内三轴卸荷试验和数学物理分析方法,揭示了大理岩在高围压三轴卸荷条件下的应力应变关系及能量变化特征。结果表明,初始围压的增大将显著提升岩样峰值强度时的可释放应变能以及最终总能量;随着围压的增大,岩样所吸收的能量变化的快慢程度随着偏应力变化而有所减缓;峰值强度时岩样可释放应变能占总能量的比例随着围压的增大而急剧增大,而残余强度时所吸收的总能量几乎全部转化为耗散能;大理岩能量指标存在明显的围压效应,即峰值总能量和残余总能量随着围压增大而显著提高,且具有良好的线性关系。     

加卸载后含铜矽卡岩在轴压及频繁扰动共同作用下的动力学特征

为了研究加卸载后含铜矽卡岩在轴压及频繁扰动共同作用下的动力学特征,以冬瓜山铜矿井下900 m深处出矿进路附近的含铜矽卡岩为研究对象,利用改进的SHPB加载试验装置开展加卸载后含铜矽卡岩在轴压及频繁扰动共同作用下的动态力学试验,研究含铜矽卡岩的动态变形特征、能量耗散特征和破坏模式等。结果表明：不同冲击气压产生的动荷载对含铜矽卡岩的变形特征无明显影响,表现为试样的动态应力-应变曲线呈近似抛物线形状;随频繁扰动次数增加,含铜矽卡岩的峰值应力减小,峰值应变增大;随冲击气压增大,入射能、反射能、透射能和吸收能均增大,单位体积吸收能随入射能增大而增大,表现为吸收能量的过程;频繁扰动次数不断增加导致试样内部损伤程度加剧,微裂纹增多且扩展速度加快,最终导致试样发生宏观破坏,影响岩石破坏块度大小,同时也增大了“岩爆”的发生概率。     

原煤和型煤吸附-解吸瓦斯变形特性对比研究

基于不同瓦斯压力条件下的原煤和型煤吸附-解吸瓦斯变形全过程试验,研究了2种煤样在吸附-解吸瓦斯过程中的变形规律.结果表明:原煤在不同瓦斯压力下的吸附-解吸瓦斯全过程应变曲线可划分为6个阶段,而型煤为3个阶段;以时间为参照变量,2种煤样吸附膨胀和解吸收缩应变曲线均具有朗格缪尔方程形式;原煤吸附膨胀和解吸收缩变形均呈各向异性,而型煤均近似各向同性;2种煤样平衡吸附应变与吸附瓦斯压力关系对朗格缪尔方程均具有拟合效果,平衡解吸应变与原始瓦斯压力呈幂函数关系;2种煤样解吸瓦斯后均存在一定的残余应变;原煤吸附-解吸瓦斯全过程应变曲线的卸压膨胀变形阶段能较好的表征煤与瓦斯突出特性.     

单轴加卸载条件下岩盐变形过程能量和声发射特征研究 （研究生论坛）

利用 MTS815 Flex Test GT 岩石力学试验系统及声发射(AE)实时监测系统,对取自平顶山和淮安两处矿井的纯盐岩进行了单抽加卸载试验,得到了岩盐的应力-应变加卸载曲线、声发射振铃计数率和能量率曲线,并且从能量与声发射的角度研究了纯岩盐变形破坏过程的基本特征。通过研究表明,岩盐单轴加卸载条件下,弹性变形阶段很短,屈服过程产生很大的塑形变形,且峰后的变形过程没有应力的急剧下降,整个实验过程中加卸、载之间滞回环面积很微小。在整个实验过程中,弹性应变能占的比例非常的小;盐岩单轴加卸载变形破坏过程中,其耗散能随应变一直增加,且增长率递增,而当应力接近峰值时,增长率趋于恒定,耗散能曲线开始呈线性增长;弹性应变能在峰前一直增加,且增长率递减,在峰值处达到最大值,峰后开始下降。岩盐在试验初始阶段振铃计数率与能量率便大量产生,而后在屈服阶段呈现下降进入稳定发展期,直到峰值处,出现一个累计振铃计数和累计能量曲线的拐点,峰后以一个更高的速率稳定地且呈现阶梯状发展。本文对于盐岩储气库的水溶开挖和采气过程中逐渐卸载的应力环境施工过程有一定的实际指导意义。     

单轴加卸载条件下岩盐变形过程能量和声发射特征研究

利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统及声发射(AE)实时监测系统,对取自平顶山和淮安两处矿井的纯盐岩进行单抽加卸载试验,得到岩盐的应力-应变加卸载曲线、声发射振铃计数率和能量率曲线,并从能量与声发射的角度研究纯岩盐变形破坏过程的基本特征。研究表明:岩盐单轴加卸载条件下,弹性变形阶段很短,屈服过程产生很大的塑形变形,且峰后的变形过程没有应力的急剧下降,整个试验过程中加卸、载之间滞回环面积很微小。在整个试验过程中,弹性应变能所占比例非常小;盐岩单轴加卸载变形破坏过程中,其耗散能随应变一直增加,且增长率递增,而当应力接近峰值时,增长率趋于恒定,耗散能曲线开始呈线性增长;弹性应变能在峰前一直增加,且增长率递减,在峰值处达到最大值,峰后开始下降。岩盐在试验初始阶段振铃计数率与能量率大量产生,后在屈服阶段呈现下降进入稳定发展期,直到峰值处,出现一个累计振铃计数和累计能量曲线的拐点,峰后以一个更高的速率稳定且呈现阶梯状发展。本文对于盐岩储气库的水溶开挖和采气过程中逐渐卸载的应力环境施工过程有一定的实际指导意义。     

孔隙压力对岩样全部变形特征的影响

目的 研究了孔隙压力对剪切带图案及岩样全部变形特征的影响．方法 利用FLAC内嵌语言编制的FISH函数计算平面应变压缩岩样轴向、侧向、体积应变及泊松比．在峰前及峰后，岩石的本构模型分别取为线弹性模型及莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型．结果 随着孔隙压力的增加，岩样的破坏区域越来越广泛；剪切带倾角都接近于Arthur倾角；峰值强度及所对应的轴向、体积应变及侧向应变的大小均降低．当孔隙压力较低时，峰后应力-轴向应变曲线及应力-侧向应变曲线软化段斜率基本保持不变，根据单轴压缩条件下的解析解，这是由于岩样的破坏模式不随孔隙压力的增加而改变．结论当孔隙压力较高时，大量的单元发生破坏将消耗较多的能量，这使应力-轴向应变及侧向应变曲线软化段变平缓；岩样在轴向应变较低时就可获得较高的侧向变形量及泊松比，甚至负的体积应变．岩样失稳破坏的前兆的明显程度不随孔隙压力的改变而改变．     

含瓦斯型煤破坏临界慢化前兆特征研究

针对煤岩破坏前兆信号的有效性,开展了等效围压下的含瓦斯型煤加载试验,采集了加载破坏过程中的声发射信号,基于临界慢化原理计算了声发射计数-时间序列的方差和自相关系数,分析了煤样破坏的前兆信号.结果表明:等效围压下,含瓦斯煤在压缩破裂过程中,声发射累计计数随时间的响应经历了初始活跃期、稳定增长期、加速增长期和峰后衰减期;不同围压-孔隙压力下煤样压缩破裂声发射特征均存在临界慢化现象,声发射计数序列的方差和自相关系数在煤样破坏前均出现了增大并持续增加的趋势,可以作为煤样破坏的前兆信号.相比声发射累计计数所表征的前兆信号,缩短了前兆信号与破坏点之间的时间差,前兆信号对应的载荷也更接近试样所能承受的最大载荷,更加表明试样确实进入危险破裂阶段.     

含初始损伤大理岩的时效变形与破坏试验研究

为研究大型地下洞室在持续的多次开挖卸荷和复杂应力重分布过程中损伤围岩的时效变形和破坏特性,针对现有岩石流变或时效破坏试验研究未充分考虑试样初始损伤的不足,通过预加载的方式对大理岩构造初始损伤,结合声发射对含初始损伤大理岩进行单轴压缩时效变形和破坏试验及裂纹扩展观测分析,同时对比开展含初始损伤大理岩和完整大理岩的蠕变试验研究。结果表明:1)含初始损伤大理岩单轴压缩时效破坏没有明显的应力峰值点;当临近破坏停止加载保持应力恒定后,其环向应变的增长幅度远大于轴向应变的增长幅度。同步声发射监测揭示体应变的拐点是含初始损伤样发生破坏的先兆。2)三轴蠕变试验中含初始损伤大理岩的轴向和径向应变均大于完整大理岩的轴向和径向应变,体应变结果分析显示含初始损伤大理岩在加载初期即出现体积扩容。3)随着围压的升高无损伤大理岩仍发生剪切型脆性破坏,含初始损伤大理岩从脆性破坏向延性破坏转化,最终呈现"X"型共轭剪切鼓胀破坏。试验研究结果有力地表明含初始损伤大理岩的时效变形与破坏特性不同于完整大理岩,其对更加合理地分析地下洞室长期稳定性具有重要的借鉴意义。     

高温后岩石变形破坏过程的能量分析

从非平衡热力学角度出发,结合岩石在不同高温作用后的单轴压缩和声发射试验,详细阐述了岩石变形破坏过程中的声发射特点,分析了经历不同高温后岩石强度与能量耗散和能量释放之间的关系。研究结果表明高温作用后花岗岩声发射曲线大致经历了以下6个阶段:初始沉寂段、上升段、前峰值段、高幅持续段、后峰值段、后期沉寂段。声发射曲线较好地反映了岩石在整个破坏过程中由稳定态向亚稳定态、临界态、失稳破坏直至新的稳定态的发展过程。岩石峰值强度与耗散能呈反比关系,与弹性能呈正比关系,能量耗散使材料发生劣化,强度降低。声发射能率与弹性能呈正比关系,与耗散能呈反比关系,弹性能突然释放引起岩石的失稳破坏。岩石的破坏是能量耗散与能量释放共同作用的结果。研究结果有助于研究高温后受外载岩石微缺陷的演化并最终破裂的过程,对高温后岩体工程起到一定的参考作用。     

煤的孔隙结构与煤岩动力失稳特征的相关性

以冲击倾向性煤层和煤与瓦斯突出煤层作为研究对象,基于压汞法和液氮吸附的实验结果,综合分析了煤样的孔隙结构特征;依据包括煤岩孔隙结构特征在内的物理力学参数,建立了数值模型,从煤层应力分布和应变能的角度讨论了煤的孔隙结构与煤岩动力失稳特征之间的相关性.液氮吸附和压汞实验表明:忻州窑煤样的孔隙主要是开放型孔,赵各庄煤样的孔隙含半开放型孔隙较多,且含有一定量的墨水瓶孔;忻州窑煤样的孔隙含量,尤其是渗流孔隙的含量远大于赵各庄煤样,因此忻州窑煤层中瓦斯更容易释放.数值模型的计算结果表明:在上覆岩层应力和水平应力相同条件下,忻州窑煤层中煤壁附近区域的水平应力比赵各庄煤层低,垂直应力高于赵各庄煤层,煤壁附近的煤体易发生压剪破坏;上覆岩层应力和水平应力相同(6 MPa)时,赵各庄煤层受扰动后应变能密度变化量接近忻州窑煤层应变能密度变化量的2倍,可见赵各庄煤层更易积聚应变能.     

煤体破坏过程中裂纹演化规律试验

利用自行研制的煤岩固-气耦合细观力学试验装置,获得了含瓦斯煤体三轴压缩条件下煤样破坏过程中裂纹变化的实时图像,并利用matlab软件编程提取出细观试验图像中相关的裂纹参数;基于分形理论,研究了煤体裂纹的损伤演化特征.试验结果表明,随着应力、应变的增加,煤体裂纹数呈现出先增多后减少的变化规律,裂纹总长度和裂纹总面积均呈增大趋势;基于"小岛法"的相关原理对煤体表面裂纹演化的研究表明,煤体裂纹周长和裂纹面积的双对数具有良好的线性关系,煤体表面图像具有明显的分形特征,分形维数变化范围为1.25~1.48,且煤样表面分形维数与应变之间呈显著二次多项式函数关系.