静动组合三轴加载煤岩强度劣化试验研究

基于煤岩力学伺服三轴压缩试验系统,辅以声发射检测,对彬长矿区某矿煤岩进行高应力下不同频率动载试验,研究煤岩动载诱发后破坏机理与强度劣化规律。结果表明:煤岩动载扰动后强度劣化明显,峰值强度、应变与动载频率呈负相关;动载扰动后煤岩内部裂隙进一步发育,提前进入屈服变形;煤岩破坏首先从内部开始,逐渐延伸至表面,破坏形式由剪切破坏变为横向拉伸破坏。声发射定位点由中心向外部扩展,大量分布在煤岩表面,与煤岩裂隙发育区域及主要破坏方向基本保持一致;声发射能量事件主要发生在动载加载初期阶段及峰值阶段且峰值阶段达到最大,能量与煤岩应力水平呈正相关,破坏后能量迅速回落。煤岩动载结束后继续静载加载到其动载最大应力阶段前无声发射能量事件产生,发生明显凯泽现象;临近峰值破坏阶段声发射能量迅速回落,此特性可作为预测煤岩破坏的前兆。     

岩石冲击破坏室内试验方法研究现状及展望

针对冲击地压发生机理与前兆信息试验研究问题,从应变型冲击试验、动载型冲击试验、岩石变形信息监测技术3个方面归纳模拟研究冲击地压的主要试验方法。综述应变型冲击试验的主要原理与方法,如模拟巷道开挖的真三轴卸荷试验、考虑围岩能量补给的柔性加载试验及围岩结构特征的煤岩组合体试验;总结动载型冲击试验的主流试验方法,如多波形扰动破坏试验、多维静载-霍普金森冲击试验等;阐述岩石变形破坏过程中声发射、表面应变场与温度场、内部裂隙场与应力场的监测技术手段。指出围岩结构体冲击模拟试验方法、岩石破坏后多信息监测技术等方面的发展方向,期望对岩石冲击破坏室内试验方法改进与创新提供指导。     

冲击地压应力波作用机理

针对动载扰动下大型冲击地压的发生及演化过程难题,分析了采场动载应力波的产生机制,研究了动载应力波与静载耦合作用下煤岩体冲击破坏规律,从应力波的产生、传播与致灾过程详细解释了大型冲击地压演化机理。研究结果表明,采场高位坚硬顶板断裂与深部应力集中区煤体破断所产生的动载应力波幅值随着煤岩体强度增大而升高,应力波持续时间随着破断尺度增大而增大,说明在煤矿开采过程中,顶板或煤体强度越高、破断尺度越大,越容易产生大能量的动载应力波;动静载耦合冲击破坏实验结果证实,高静载、高动载应力波、静载与应力波耦合加载条件均能使煤岩体发生冲击破坏,且随着轴向静载的增大,试样发生冲击破坏所需的临界动载应力波强度先增大后减小,其上升段与下降段的分界点约为单轴抗压强度的50%。当静载达到该临界点时,煤体发生冲击破坏所需的动载应力波强度急剧减小,说明高地应力环境煤岩体受到动载应力波的影响更为显著;现场大尺度模拟分析表明,动载应力波作用下,采场煤岩体塑性破坏区范围逐渐增加并主要集中在巷道两侧,且随着应力波幅值和持续时间增加,塑性破坏区范围不断扩大;研究提出了冲击地压应力波作用机理:动载扰动下冲击地压是静载、动载应力波与煤...     

动静组合加载下冲击倾向性煤声发射特性试验研究北大核心

采用DTAW-8000型岩石高压动力学试验系统及声发射技术,通过施加不同动载扰动频率的单轴压缩试验,研究了冲击倾向性煤在动静组合加载下的破裂特征与声发射特性参数的关系、分析了冲击倾向性煤受压损伤全过程并建立了损伤演化模型。研究表明:动载扰动频率增强,冲击倾向性煤岩主破裂角呈现先减小后增大的变化趋势,且应力、应变均呈降幅现象;冲击倾向性煤岩内部裂缝的发育、扩展过程与声发射信号紧密相关,煤岩受压全过程的声发射振铃累计数变化趋势可大致分为稳定阶段、突增阶段和缓慢增长直至破坏阶段;煤岩损伤演化模型趋势与试验数据趋势一致;动载扰动频率是煤岩损伤的缓增-急速增长阶段影响煤岩破裂时程的主要因素。     

不同冲击倾向煤体失稳破坏声发射先兆信息分析

掌握煤体冲击破坏前兆信息是科学预测预报煤岩介质冲击地压的科学瓶颈问题,应力加载下不同冲击倾向性煤体失稳破坏声发射前兆信息研究是解决这一问题的重要手段。采用声发射探测手段对不同冲击倾向性煤体失稳破坏进行实验研究,通过分析发现不同冲击倾向煤体失稳破坏过程中振铃计数、AE能量、频谱及b值变化存在差异。伴随煤体冲击倾向性增强,加载过程煤体振铃计数、AE能量趋向于高应力区域集中,煤体弹性阶段所占比例增加,塑性破坏阶段所占比例减少;主频带宽变动较小,有集中的趋势,主频强度在弹性阶段、塑性破坏阶段、临破断阶段均不同程度增加,煤体冲击倾向性越强,主频强度增幅越大;b值降低时应力值增加,更靠近煤样破坏强度。     

不同加载模式下煤岩破坏特性试验研究

利用煤岩力学伺服三轴压缩试验系统,辅以声发射监测手段,对彬长矿区胡家河矿煤岩进行不同加载模式的试验,对比煤岩在单轴、常规三轴及动静载组合试验条件下的宏观力学表现与损伤特征探究诱发冲击地压的机制问题。结果表明：在常规三轴条件下,随着围压的增大,煤岩强度逐渐提高,煤岩内部的储能能力逐渐增大|施加动载后,随着动载频率的增加,煤岩强度劣化越明显,煤岩经动载扰动后由塑性变形转变为脆性破坏|动载损伤较静载损伤更加剧烈、迅速,使得煤岩在破坏形式存在明显差异。单轴压缩条件下煤岩破坏为劈裂破坏,存有围压破坏时为剪切破坏,而在施加动载后煤岩纵横裂缝交错,为压剪组合破坏形式。     

裂隙分布对煤岩体冲击倾向性影响机制试验研究

对含预制裂隙试件开展单轴压缩试验,采用声发射和数字散斑监测技术探究了不同裂隙分布试件的力学响应特征,分析了不同裂隙对试件变形破坏、冲击倾向性及能量积聚与释放的影响规律。试验结果表明：同种类型预制裂隙试件的破坏形式,随倾角的增加,破坏类型呈拉破坏—拉剪破坏—拉破坏—劈裂拉破坏的变化趋势,破坏剧烈程度呈现强—弱—强的变化趋势。从不同裂隙类型来看,平行双裂隙的试件产生的次生裂隙与预制裂隙形成块体结构,削弱了试件整体的完整性。单轴抗压强度、冲击能量指数等4个指标反映冲击倾向性变化规律为：随倾角增加,呈现先减小、后升高的变化趋势,其中β=30°时冲击倾向性最小。倾角相同情况下,不同类型的裂隙试件其冲击倾向性大小关系为：共面双裂隙试件>单裂隙试件>平行双裂隙试件。应力峰前阶段累计声发射能量和总累计能量之比W_E、峰前累计声发射事件与累计总事件之比W_N和声发射事件特征参数b值3个指标的变化规律与冲击倾向性的变化规律相一致。声发射信号能量-频次特征揭示了冲击倾向性变化规律的内在原因。研究成果对揭示裂隙煤岩体冲击地压发生机制具有重要理论意义。     

煤矿冲击矿压动静载叠加诱发原理及其防治

煤矿冲击矿压动力灾害日趋严重,且浅部也出现了该现象。理论研究了动载与静载叠加诱发冲击矿压的能量和应力条件,系统地提出了动静载叠加诱发冲击矿压的原理,并分析了煤矿动静载特征,根据应变率对煤矿载荷状态进行了界定,试验研究了煤岩力学特性与应变率的关系以及动静叠加作用下煤的破坏形态。结果表明：随着应变率增大,煤岩强度、弹性模量呈指数关系增大,当静载占比较大时,煤岩呈剪切破坏;当动载占比较大时,煤岩呈现劈裂甚至爆裂破坏。当动静叠加接近煤岩强度时,单轮或多轮动载作用可诱发煤岩冲击破坏;当动静叠加远小于煤岩强度时,多轮动载虽然能使煤岩产生损伤但难以诱发冲击破坏。动静叠加诱发冲击矿压表现为2种类型：① 高静载型,深部开采时,围岩静载较高,矿震产生的微小动载增量可使叠加载荷超过煤岩冲击破坏临界而诱发煤岩冲击破坏;② 强动载型,浅部开采时,围岩静载较小,强矿震的冲击动载较大,叠加载荷超过煤岩冲击破坏临界导致煤岩冲击破坏。基于冲击矿压的动静载叠加诱发原理,讨论了冲击矿压监测及防治思路和方法。     

动静载作用下冲击地压启动条件及防治技术

基于冲击地压的能量机理,提出了冲击地压启动的2种形式,一种是发生冲击地压所需能量在静载的缓慢作用下达到,在外界扰动下发生;另一种是处于准静态平衡的煤岩体,在强烈动载的帮助下瞬间达到,同时释放大量能量。根据冲击地压应力来源及加载方式,提出了有针对性的防治技术,即:对于静载起主导作用的冲击地压,应以煤层卸压为主,而对动载起主导作用的冲击地压,则更应侧重于顶板弱化等降低煤岩冲击动载的防治技术。     

煤矿冲击矿压动静载叠加原理及其防治

煤矿冲击矿压动力灾害日趋严重,且浅部也出现了该现象。理论研究了动载与静载叠加诱发冲击矿压的能量和应力条件,系统地提出了动静载叠加诱发冲击矿压的原理,并分析了煤矿动静载特征,根据应变率对煤矿载荷状态进行了界定,试验研究了煤岩力学特性与应变率的关系以及动静叠加作用下煤的破坏形态。结果表明:随着应变率增大,煤岩强度、弹性模量呈指数关系增大,当静载占比较大时,煤岩呈剪切破坏;当动载占比较大时,煤岩呈现劈裂甚至爆裂破坏。当动静叠加接近煤岩强度时,单轮或多轮动载作用可诱发煤岩冲击破坏;当动静叠加远小于煤岩强度时,多轮动载虽然能使煤岩产生损伤但难以诱发冲击破坏。动静叠加诱发冲击矿压表现为2种类型:1高静载型,深部开采时,围岩静载较高,矿震产生的微小动载增量可使叠加载荷超过煤岩冲击破坏临界而诱发煤岩冲击破坏;2强动载型,浅部开采时,围岩静载较小,强矿震的冲击动载较大,叠加载荷超过煤岩冲击破坏临界导致煤岩冲击破坏。基于冲击矿压的动静载叠加诱发原理,讨论了冲击矿压监测及防治思路和方法。     

动载诱发冲击地压的实验研究

运用自主研发的冲击岩爆实验系统,进行了动载诱发冲击地压实验研究,提出了一种判别动载是否诱发冲击地压的实验方法。实验采用对加载至500 m深度应力状态下的带圆柱形贯穿孔洞的立方体砂岩试样,在σv方向逐级施加扰动波,σh保持在恒定应力水平的加载方式,模拟了500 m深度砂岩巷道,由于顶板垮落产生垂直向冲击扰动,由此诱发冲击地压破坏的过程。通过数据采集系统实时采集力和位移数据,获得应力应变曲线;通过图像采集系统实时拍摄动载诱发冲击地压过程,获得颗粒弹射、碎屑剥落等特征现象。实验发现,动载诱发冲击地压过程经历了平静期、颗粒弹射、碎屑剥落和冲击地压剧烈破坏4个阶段。对巷道围岩应力状态进行计算,得出动载诱发冲击地压时巷道围岩最大切向应力大于其单轴抗压强度。对碎屑特征及微观结构分析发现,动载诱发冲击地压产生的碎屑呈现出明显的片状特征,以中、细粒碎屑为主,通过电镜扫描可见穿晶裂纹。计算碎屑块度分形维数表明,动载诱发冲击地压破碎程度较单轴压缩破坏高。     

动静加载下组合煤岩的应力波传播机制与能量耗散

运用改进的霍普金森压杆,在波动力学理论的基础上,研究动静载下煤岩结构的应力波传播机制与能量耗散,分析应力波幅值和静载对煤岩组合体中应力波的波形、透射系数、反射系数和能量耗散的影响规律。研究结果表明:应力波幅值和静载明显的影响组合煤岩中应力波的传播性质;并且煤岩组合结构初始处于弹性与塑性状态的透射、反射系数随动载的变化规律是不同的。动载能量耗散随应力波幅值的增大而增大,随着静载的增大呈现先增大后减小的趋势。同时注意到组合煤岩在静载在0.50~0.75动载耗散能量迅速降低,并且组合加载下煤岩结构的破坏失稳可分为两种形式,包括动载主导和动载诱发,分别以动载和静载为主要能量源。由静载对应力波传播机制和能量耗散的影响可知,埋深不同或距离采掘空间的远近不同,应力波传播机制和能量耗散是不同的。     

饱和煤样力学及损伤特征的加载速率微观作用机制研究

为探究煤层注水防冲解危后,工作面推进速率是否会对煤矿井下安全、高效生产造成二次影响,开展了不同加载速率下干燥及饱和煤样的单轴压缩试验,探究了饱和煤样的峰值强度、声发射能量及声发射的RA值与AF值、断口形貌、分形维数以及冲击倾向性特征的加载速率效应,揭示了饱和煤样损伤破坏特征的加载速率微观作用机制。研究表明：随加载速率增大,干燥及饱和煤样峰值强度先减小后增大,加载速率0.01 mm/s为导致强度转折的临界加载速率。不同加载速率下饱和煤样宏观破坏模式均为以剪切破坏为主的拉-剪复合破坏,最大声发射能量值先减小后增大,在临界加载速率时达到最小值。饱和煤样微观剪切裂隙占比先减小后增大,在临界加载速率达到极小值。饱和煤样破裂断口形貌由长槽状裂隙向完全不规则裂隙过渡,临界加载速率是大量不规则裂隙开始出现的转折点。随加载速率增大,饱和煤样破碎的小粒径煤屑质量占比减小,大粒径煤屑质量占比增大;干燥及饱和煤样分形维数均逐渐减小,拟合曲线满足幂函数规律,且饱和煤样较干燥煤样分形维数增大。随加载速率增大,干燥及饱和煤样的KE均存在先减小后增大的规律,在临界加载速率达到极小值。煤层注水对工作面冲击地压的抑制作用...     

深部巷道群高静载低扰动冲击矿压发生机制及防治技术

针对深部巷道群高静载低扰动下突发性冲击矿压的难题,以某煤矿一盘区大巷为工程背景,通过力学分析和数值模拟研究了深部巷道群高静载低扰动诱发冲击矿压的发生机制。结果表明：大巷之间相互影响,导致巷道间煤柱区域应力叠加,高能量积聚在巷道顶底板内;巷道围岩蠕变使得围岩的长期强度降低,引起诱发冲击矿压的临界应力值降低,进而高静载水平下较小的动载扰动即可使叠加应力达到岩体承载极限,在能量达到岩体破坏的最小所需能量时,岩石产生自发性破坏,破坏后巷道围岩系统中的弹性余能转化为动能,造成巷道群冲击矿压发生。根据一盘区巷道群应力和能量分布区域和集中程度,采用大直径钻孔卸压和爆破卸压措施后,降低了应力和能量集中水平,卸压效果明显。     

高地应力区域动载扰动诱发深埋巷道冲击致灾机理研究

为了探讨高地应力控制区动载作用下诱发巷道冲击地压机理,基于弹性力学理论,建立了不同侧压系数影响下深埋动载巷道围岩力学模型,推导出了诱发巷道冲击的力学判据,并运用FLAC软件模拟分析动载巷道围岩应力及弹性能演化规律。研究结果表明:深埋巷道冲击受多重因素的共同作用,巷道埋深越大,地应力越大且震源距巷道自由面较近,围岩极易发生冲击;动载巷道围岩应力随着侧压系数的增加发生了明显的变化,巷帮垂直应力较顶板显著增大,且其弹性能量值均在距巷道水平4 m位置处达到最大;由于最大剩余弹性应变能距巷道自由面较近,围岩处于极限平衡状态,动载作用下巷道围岩裂隙进一步扩展贯通,蓄积高弹性能得到释放,易诱发巷道冲击。     

不同加载速率下煤岩声发射与红外辐射特征研究

为了研究煤岩受载破坏过程中不同加载速率下的声发射和红外辐射特征以及破坏前兆信息,进行煤岩在不同加载速率下的单轴压缩试验。试验结果表明:在煤岩试样变形破坏的4个典型阶段,每个阶段的煤岩具有不同的声发射和红外辐射特征,不同加载速率下的声发射和红外辐射规律各基本一致。线弹性阶段红外辐射温度的下降趋势较初始压密阶段略有减缓,在塑性阶段煤岩试样持续升温,温度最低点在线弹性阶段。随着加载速率的增加,平均AE计数和平均AE能量均增大,峰值点附近的声发射活动更为剧烈,峰值处释放的能量的最大值呈递增趋势;红外辐射温度呈现典型的降转升型,温度由降转升点提前;煤岩发生破坏时,温度发生突变,最高红外辐射温度的最大值随加载速率的增大而增大。红外辐射温度与声发射计数呈较高的正相关关系,相关系数达0.79～0.99。不同加载速率下声发射测试结果反映出的试样损伤临界前兆点的波动率为71.3%～95.6%,红外临界前兆点的标准差为0.75～0.92。     

动静加载下组合煤岩破坏失稳的突变模型和混沌机制

为进一步加深对动载诱发冲击地压机理的认识,采用时效损伤本构模型与尖点突变理论相结合,得到了一维动静加载下煤岩组合系统的破坏判据、突跳位移以及释放总能量的数学表达式。并建立一维动静载下煤岩组合系统的非线性动力学模型,发现外载能量与系统自身固有能量之间的相互作用导致模型的演化过程呈阶段性并出现混沌现象;当组合系统本身的非线性作用与外部载荷的作用能力相当时,系统的演化进入混沌阶段。由此得出,井下煤岩体结构与动静载荷之间的相互作用是影响动载诱发冲击地压演化过程的关键。最后,对理论结果进行一维动静加载试验验证,表明理论和试验值吻合较好。     

不同节理夹角煤单轴压缩力学和声发射响应及影响机制

煤岩的力学特性和声发射响应规律对冲击地压监测预警至关重要,为研究加载方向与节理面夹角(α)对煤样力学特性、裂纹扩展方式及声发射响应的影响,对不同加载方向与节理面夹角的煤样进行单轴压缩试验,并分析了力学和声发射信号响应规律。结果表明:加载方向与节理面夹角对煤样力学特性和声发射响应规律有显著影响。随α增大,峰值载荷和破坏时间均呈先微降后增大的趋势,峰后破坏时间从0°到30°出现陡降趋势。α≤45°煤样的应力-应变在峰值或峰值后出现震荡起伏现象,单轴抗压强度和应变量均小于α>45°的煤样。α>45°煤样的应力-应变曲线在峰值或峰值后无震荡起伏现象;α≤45°的煤样受力以平行节理面应力分量为主,更容易产生沿节理面的滑移破坏,振铃累计值陡增和大能量声发射信号主要集中在峰后阶段,声发射信号与应力降具有很高的相关性。α>45°的煤样受力以垂直节理面应力分量为主,更容易产生挤压摩擦破坏,在应力稳定上升阶段就伴随着大量的声发射信号,大能量声发射信号主要集中在峰前阶段;随α增大,煤样表现出的冲击倾向性越强,声发射信号以45°为界表现出不同的峰前峰后特征。因此,鉴定煤冲击倾向性和利用声发射...     

煤岩单体及原生组合体变形损伤特性对比试验研究

研究煤岩组合体在不同应力条件下的变形损伤规律,对揭示矿山动力灾害机制具有重要 意义。 在单轴加载条件下,分析原生煤岩组合体、人工煤岩组合体及煤岩单体应力-应变规律,通 过采集加载过程中试样声发射行为信息,初步探究原生煤岩组合体损伤破坏规律。 对比分析发 现:① 煤岩组合体界面的差异对煤岩组合体力学性质、声发射特征具有较大影响;② 单轴加载条 件下4种试样抗压强度依次为:岩样>人工煤岩组合体试样>原生煤岩组合体试样>煤样;③ 组 合体受载变形和峰值强度受介质间界面条件、弹性模量及尺寸效应等多重因素影响;④ 原生煤 岩组合体在加载屈服破坏阶段内部裂隙发育贯通现象相对活跃,且早期损伤主要发生在原生煤 岩组合体界面或附近煤岩体。     

动载荷诱发卸荷煤体冲击失稳动态响应机制探讨

为探讨动载荷诱发卸荷煤体冲击失稳的动态响应机制,采用MTS-1500大型动态材料试验机,对大尺寸强冲击倾向性煤样进行动态试验,从宏观力学表现和损伤特征对试样的动态力学特性进行分析,深化弹性能量指数和滞回环面积的表征意义,用以描述动载作用下能量积聚与耗散特性。试验结果表明:动载冲击地压的发生需要一定的静载基础,静载水平越高,动载的扰动作用越明显,发生冲击地压的概率越大;动载损伤不同于静载损伤,损伤量的最大值取决于动静载的耦合值;动载弹性能量指数与动载滞回面积能够表征煤体动态加载过程中能量的积聚与耗散特征,2个参量在动载加载过程中均呈现规律性变化。综合来看动载作用下的扰动效应、不充分损伤、能量积聚与耗散特性是卸荷煤体发生冲击失稳的动态响应机制。