煤样三轴卸荷破坏的能量演化特征试验分析

煤样变形破坏方式与其能量转化密不可分,为探求煤样破坏过程中能量的演化规律,对其进行了不同试验路径的加、卸荷试验。试验结果表明:不同试验路径下,煤样在峰值应力前以能量的存储及耗散为主,在峰值应力后以能量的释放及耗散为主;能量耗散使得其内部裂隙扩展,造成煤样损伤劣化,承载能力下降,能量释放使其发生破裂失稳;三轴卸围压试验中,卸荷初始围压越高,煤样存储的弹性能越多,破裂时释放的能量也越多,使得高围压下煤样破坏更为剧烈。因此,高应力煤岩体在开挖卸荷时,极易引起大量的弹性能急剧释放,导致冲击地压、岩爆等灾害发生。此外,在三轴卸围压试验中,由于围压的卸荷效应,煤样临近破裂时损伤曲线的突变程度与常规三轴压缩相比更加明显,也可以看出卸荷破坏相比加荷破坏更具突发性。     

含瓦斯煤锤击破坏HJC本构模型及数值模拟

确定含瓦斯煤动态本构关系是认识煤岩动力灾害机理的基础。结合煤吸附瓦斯的"变形效应"特征和Mohr-Coulomb强度理论,理论分析并量化了吸附态和游离态瓦斯对煤体强度的弱化作用,提出的"静态损伤变量法"确定了含瓦斯煤HJC本构模型的主要参数并开展含瓦斯煤落锤冲击破环的数值模拟研究。研究表明:(1)相同的冲击速度下,含瓦斯煤样与普通煤样的破坏形式明显不同,前者破坏程度更严重。(2)相同瓦斯压力下,冲击速度越大,含瓦斯煤样整体破坏越严重,随着冲击速度的增加,破坏由拉压破坏向以压缩应力主导的破坏过渡,并呈现出中心膨胀性破坏的特征。(3)含瓦斯煤在冲击速度相同时,含的瓦斯压力越大,破坏程度亦越大。获得的含瓦斯煤的HJC主要参数能够较好模拟含瓦斯煤冲击破坏的动态过程。     

不同静水压下煤体动态压缩力学特性及破坏特征研究

随煤矿开采深度的不断延深,深部煤体所处的应力环境将逐渐倾向于静水压状态,同时冲击地压、煤与瓦斯突出等典型煤矿动力灾害危害程度不断加大。为研究煤体在不同静水压环境下的动态压缩力学特性,采用主动三轴围压霍普金森压杆试验系统,开展加载率700～1400 GPa/s和3种静水压状态(4 MPa、6 MPa、8 MPa)下煤样动态压缩力学试验研究。研究结果表明：煤样应力应变曲线出现短暂线性弹性阶段,动态弹性模量、动态抗压强度与加载率、静水压限制成正比,动态抗压强度的加载率敏感性与静水压限制成反比;相同加载率下,煤样的破坏应变与静水压大小成正比;冲击加载后煤样宏微观破碎特征表明,随着静水压约束的增强,煤样破碎程度逐渐降低。本研究可为深部煤矿典型动力灾害防灾减灾研究提供参考,对深部煤矿工程布设具有一定的指导意义。     

煤样分级加载蠕变破坏试验研究

为深入研究煤样分级加载蠕变的能量演化及损伤破坏特征,采用岛津AX-G250试验机对煤样进行了分级加载蠕变试验。试验结果表明:应力水平对煤样蠕变过程有显著影响,在煤样破坏前的蠕变应力水平,随蠕变应力的提高,初始减速蠕变阶段持续的时间逐渐增大;煤样分级加载蠕变能量演化过程分为能量停滞、能量稳定增加、能量显著增加和能量释放4个阶段;随蠕变应力水平的提高,弹性能耗比呈"U"型演化规律。基于耗散能量法的损伤公式表明:煤样分级加载蠕变损伤过程可分为损伤线性增加和损伤非线性显著增加2个阶段,后一阶段的出现可作为煤样分级加载蠕变破坏的前兆。     

真三轴动静组合加载饱水煤样能量耗散特征

煤矿冲击地压发生与煤岩的物理力学性质、所受静载荷与动载荷的结构失稳等因素有关。煤岩体失稳过程伴随着能量的吸收、储存、转换和释放,现场煤岩体破坏是受多种环境影响下的复杂过程,较难完成定量描述煤岩体释放吸收能量的大小,真三轴动静组合加载条件煤岩变形破坏的机理和能量耗散特征值得深入研究。采用真三轴动静载霍普金森冲击加载系统对自然与饱水2种状态煤样进行不同动静组合加载试验,通过试验分析2种状态煤样真三轴动静组合加载变形破坏过程中各能量变化规律及占比特征。试验结果表明：通过饱水处理能够降低煤样对弹性能量的储存能力,饱水煤样的能量反射率比自然煤样高17.25%～37.04%,在相同Y轴静载作用下自然煤样的能量吸收率比饱水煤样高17.13%～55.95%;揭示了自由水在煤样裂隙中抑制能量的透射率,使入射能以反射能的方式进行无用耗散,减小煤样的能量吸收率;自然煤样的能耗密度大于饱水煤样,在冲击加载X方向煤样能耗密度与峰值动态应力呈正相关,在Y,Z轴方向呈负相关。证实了水在三维动静组合加载作用下对煤样吸能破坏的诱导作用,冲击能量在煤样中被煤样和水吸收,煤样吸收能量用于诱导形成新的裂隙,形成煤样宏观破坏,...     

不同应变率下煤的动力学特征研究

为探究煤在冲击破坏中表现出来的动力学特征,使用直径50 mm分离式霍普金森压杆装置试验系统对煤样进行不同应变率下的冲击破坏实验。结果表明：碎裂过程可以分为4个阶段,分别是压实阶段、线弹性阶段、裂纹扩展阶段、破坏阶段。在不同应变率下,煤样的应变随时间的增加而增加,应变率越大,煤样的应变-时程曲线斜率越大;煤岩的动态变形模量和动态抗压强度随应变率的增大而增大,并在一定范围内波动;煤样冲击破碎块度分布和应变率有明显的相关性。     

王庄煤矿不同破坏类型煤体结构差异性及其对瓦斯吸附性能的研究

为研究不同破坏类型煤体结构差异性及其对瓦斯吸附的影响,以山西沁水煤田王庄煤矿3号煤层为工程背景,测试了4种不同破坏类型煤样的瓦斯吸附性能;采用低温液氮吸附法分析了不同破坏类型煤样的孔隙结构特征,通过FHH公式计算了煤体孔隙分形维数,并针对不同变形破坏程度煤的结构差异性进行了对比分析。结果表明:不同破坏类型煤样的瓦斯吸附能力差异显著,煤样的Langmuir体积VL从24.34cm~3/g增加到36.16cm~3/g,煤体破坏程度的增加有利于瓦斯吸附;不同破坏类型煤样的孔隙结构差异显著,煤样中值孔径变化范围为13.54~28.37nm,总比表面积在0.389~0.965m~2/g之间变化,分形维数值在2.389~2.682之间变化;总体来看,随煤体破坏程度的增加,煤孔径减小,孔比表面积增加,孔隙结构趋于复杂化,煤体拥有更强的吸附能力。     

含瓦斯煤岩体破坏接近度分析及三维重构研究北大核心

为更好地揭示和表征含瓦斯煤岩体在施工中的损伤程度和破损空间形态,在围岩破坏接近度理论的基础上,推导了含瓦斯煤岩破坏接近度表达式,并开展了含瓦斯煤岩体单轴压缩数值试验;同时对单轴式样的破坏接近度进行三维重构研究,获得了破损空间形态三维图。研究结果表明:含瓦斯煤岩体破坏接近度定量揭示了弹性区的三维应力集中程度和破坏区的破损程度及其演化规律,三维重构技术直观展示了含瓦斯煤岩体的破损空间形态,可为含瓦斯煤岩体工程的设计与施工方案的动态优化提供依据。     

不同破坏类型煤的吸附热力学特性分析

采用不同破坏类型煤作为研究对象,对不同温度下煤对甲烷吸的附量进行测试,并采用吸附焓及吸附自由能进行分析,结果表明:同一破坏类型煤随着温度的升高,煤对甲烷的吸附量逐渐减小,同一温度下,随着破坏类型的升高,煤对甲烷的吸附量逐渐增大;在一定吸附量的条件下,煤样的破坏程度越小,发生吸附所需要的吸附热越大。随着温度的降低,吸附自由能呈现减小的趋势。吸附自由能值越小,吸附越容易发生。为衡量不同破坏类型煤的吸附性能奠定了理论基础。     

水分对煤力学性能及冲击能量指数的影响研究北大核心

煤的破坏是能量驱动下的一种失稳现象,为探究水分对煤破坏过程中能量积聚与耗散的影响,开展了不同含水状态煤样的单轴压缩试验,并基于此对煤的力学性能及冲击能量指数进行分析。结果表明:随含水率的增加,煤样单轴抗压强度和弹性模量显著降低;煤样的初始压密阶段、塑性变形破坏阶段及峰后破坏阶段在全应力-应变过程中的占比均增大,线弹性阶段占比减小;煤样峰前积聚变形能减小,峰后损耗变形能升高,冲击能量指数降低;含水率增加使煤样由劈裂破坏转变为剪切破坏,在破坏时崩落的碎块粒径变大,碎块数量减少,破坏声响减弱;饱水状态下煤样较干燥状态煤样单轴抗压强度、冲击能量指数及冲击能量速度指数分别下降35.32%、86.07%、99.63%;采用煤层注水工艺能有效降低煤层冲击倾向性。     

瓦斯对煤冲击倾向性影响的试验研究

为研究瓦斯对煤冲击倾向性的影响,在不同瓦斯压力下测定了煤的冲击倾向性指标,分析了含瓦斯煤样在多级循环加载和单轴应变加载时能量积聚与耗散情况。研究结果表明:在孔隙瓦斯压力和吸附瓦斯共同作用下,煤样冲击倾向性指标由强向弱或由弱向无转变;瓦斯降低了煤样的强度,在多级循环过程中由损伤和塑性变形引起的耗散能增加,煤样储存弹性应变能的能力下降,完全破坏时煤样盈余能量减少,瓦斯弱化了煤的冲击特性;伴随瓦斯压力的增加,能量跌落系数逐渐变大,表明瓦斯致使煤样的破坏形式由脆性向脆塑性转变;基于瓦斯对煤的冲击倾向性和破坏形式的影响,在含瓦斯煤层冲击倾向性测定和冲击危险性评价过程中,应充分考虑瓦斯对煤层冲击特性的影响。     

动静载下相似材料煤样破坏特征试验

为探究煤体在动静荷载下的破坏特征,本文以水泥、石膏为胶凝材料、全粒径煤粉灰为骨料,配比出相似材料煤样,利用万能试验机与霍普金森压杆试验装置开展动静态对比试验。结果表明:相似材料煤样的静、动态应力-应变曲线符合软煤的曲线特征,且具有动力增强特性;相似材料煤样的峰值应力主要受胶凝材料含量占比影响,其中水泥含量占比大的试样峰值应力最高,且在动载作用下,应力提升明显;相似材料煤样在动载作用下的破坏程度高于静载作用下的破坏,且主要受煤粉含量占比影响,其煤粉含量占比大的试样在动载作用下更加符合原煤粉碎的破坏特性。本文研究结果可为类似试验提供借鉴与参考。     

冲击载荷作用下煤的破坏特性试验研究

为研究煤的动态破坏特征,利用霍普金森压杆(SHPB)实验系统开展了不同应变率下的煤样冲击实验,分析了煤动态力学特性及其力学参数随应变率的变化规律,研究了煤样破坏形式,并利用分形理论定量描述了煤破坏后的自相似性。研究结果表明:煤的动态应力-应变曲线基本不存在下凹段,可划分为线弹性阶段、弹塑性阶段和塑性软化3个阶段;煤的平均应变率和最大应变率随冲击气压的增加符合指数增长规律,动态弹性模量和动态抗压强度随应变率遵循线性变化规律;冲击载荷作用下,煤的破坏主要以劈裂破坏和碎裂破坏2种形式出现,且破碎后的形态具有明显的自相似性,其分形维数随应变率线性增加;动态抗压强度、弹性模量与分形维数近似正相关关系。研究结果对于解决当前深部矿山采掘等工程实际问题具有一定的理论意义和实用价值。     

红阳矿区7~#煤层及顶板冲击倾向性试验研究

红阳矿区主采的7#煤层最大采深近1 000 m,冲击动力灾害越来越严重。为了解其发生机理,利用RMT-100型岩石力学试验机对7#煤层及顶板进行冲击倾向性试验研究。结果表明:煤样的冲击能量指数1.553,弹性能指数2.586,动态破坏时间221.25 ms,具有弱冲击倾向性,煤层顶板总弯曲能量达到532.08 k J,具有强冲击倾向性,得出煤样单轴抗压强度分别与冲击能量指数和弹性能指数呈现正相关性,而与动态破坏时间呈现负相关性。     

不同煤试样冲击倾向性试验结果分析

基于5组不同产地煤样在RMT-150B岩石力学试验系统进行单轴加载、卸载压缩试验.分析结果表明：煤样的弹性变形指标K_E与弹性能量指标W_E之间线性相关;采用冲击能量指标W_N作为煤层冲击倾向性的判别是一种过高的估计,而有效冲击能W_Y能够较好地反映出煤样在压缩变形破坏过程吸收和释放能量的关系,作为煤层冲击倾向性的判别比较合理;动态破坏时间t_D相差悬殊,与其他冲击倾向性判定指标相关性不明显,以t_D作为煤的冲击性判定指标需要谨慎.     

煤样变形破坏过程中全应变场分布规律

为了研究煤样变形破坏过程中全应变场的分布规律,利用TYJ-500KN微机控制电液伺服剪切流变试验系统和XTDIC三维光学数字散斑系统对煤岩样进行单轴压缩试验。根据数字散斑的计算结果对煤样全程的加载过程的位移演化进行研究。得到结论,在煤样剪切破坏时,数字散斑图像中位移集中带出现较早,且位移集中区域辨别明显。通过对煤加载破坏全过程监测,数字散斑系统可以准确预测破坏形式和试样的破坏位置。因此,对于煤样的破坏,数字散斑监测数据分析判别为较准确预测试样破坏位置起到重要作用,对探究煤样破坏位置及变化集中带分布规律也具有重要意义。     

平顶山矿区煤层冲击倾向性指标及关联性分析

利用RMT-150B伺服试验机对平顶山矿区4组煤进行冲击倾向性试验。试验结果表明:煤的抗压强度、弹性模量越高,峰值前积蓄弹性应变能量越大,冲击能能量指数也明显偏大,动态破坏时间越短,发生冲击危险性越大;煤样的抗压强度与弹性模量呈良好的线性关系,抗压强度与冲击能量指数、弹性能量指数呈正相关,抗压强度与动态破坏时间呈负相关,两者采用幂函数表征;平顶山矿区丁8组煤层属中等偏强冲击类(Ⅱ类),己16-17组煤层属强冲击类(Ⅰ类),己15组和戊9-10组煤层属中等冲击类(Ⅱ类)。     

瓦斯对冲击倾向性能量指标影响的数值模拟

为探究瓦斯对煤冲击倾向性能量指标的影响,基于含瓦斯煤的受力特点,建立含瓦斯煤样气-固耦合控制方程,并植入COMSOL数值模拟软件,开展瓦斯对弹性能量指数和冲击能量指数的影响研究。结果表明:伴随瓦斯压力的增加,煤样中塑性应变区域扩大,且塑性应变程度有所增加,煤样储存弹性应变能的能力下降;煤样变形破坏过程中消耗能量增加,煤样完全破坏后盈余能量减少,导致冲击能量指数和弹性能量指数降低;瓦斯弱化了煤的冲击倾向性,在含瓦斯煤层冲击倾向性鉴定和冲击危险性评价过程中应充分考虑瓦斯对煤冲击特性的影响。     

破坏煤形成的微观机理及其与瓦斯突出及煤层气开采的关系

本文在对南桐矿区不同煤岩组成和不同破坏程度的大量煤样进行光学显微镜和扫描电镜观测的基础上,运用岩石损伤力学和流变学理论,结合构造演化对破坏煤形成的微观机理进行了探讨,并指出了不同类型的破坏煤与煤和瓦斯突出及煤层气开采的关系。     

不同破坏程度煤的孔隙特征差异对比研究

为了查明中煤阶不同破坏程度煤的孔隙特征差异,运用低温液氮法对平顶山四矿不同破坏程度的煤样进行测试,对比分析得出了其孔隙结构及分布、分形特征和吸附性能的差异。结果表明:碎裂煤和碎粒煤的吸附平衡等温线为III型,内部大孔发育;糜棱煤为IV型,介孔含量较多;煤的破坏程度越强,总孔体积和比表面积越大,煤内部孔隙结构越复杂,氮气吸附量越大;2～4 nm孔隙的氮气吸附量主要受控于该尺度孔隙的比表面积;孔径4 nm的则主要受控于该尺度孔隙的孔体积。