煤岩高度比对组合体力学特性影响的数值分析

通过颗粒离散元程序建立了3种不同煤岩高度比的煤岩组合模型,分析和比较了单轴压缩作用下的强度和破坏形态,并以此为基础建立煤岩力学结构模型,分析了煤岩组合体在压缩作用下的变形破坏过程。研究结果表明:煤岩组合体的强度介于煤体和岩体之间,其破坏形态主要受到煤体部分的影响;煤岩组合体的变形破坏过程比煤、岩单体更加复杂,尤其在塑性屈服和峰值破坏阶段;组合体的应力-应变曲线在峰值附近表现出明显的波动性,即组合体的变形破坏过程为典型的渐进式破坏。     

基于颗粒离散元模型的煤岩组合体损伤演化规律研究

基于颗粒离散元程序建立了"岩体-煤体-岩体"平行黏结数值模型,通过改变中间煤体部分的厚度,探讨了不同煤体厚度对组合体力学特性和破坏特征的影响,并从损伤裂纹扩展演化的过程和不同介质相互作用的力学角度2方面进一步分析了组合体变形破坏过程的一般规律。研究结果表明:煤岩组合体的破坏主要集中于中间煤体部分,尤其煤岩交界面处的破坏最为剧烈;煤岩组合体的破坏以45°~60°角的剪切破坏为主,并且随着中间煤体厚度的减小,组合体的单轴抗压强度和弹性模量呈逐渐增大的趋势;煤岩组合体的变形破坏过程可分为整体线性变形、煤体非线性变形、煤体峰值破坏及煤岩整体失稳破坏4个阶段。     

岩-煤-岩组合体力学特性及裂隙演化规律

基于薄煤层开采及煤岩体巷道变形特点,探究煤岩体变形规律,根据不同岩层组合的力学性质,系统分析了岩和煤组合体的不均匀变形特征。通过不同高度比“岩-煤-岩”组合体的单轴加载试验,分析不同高度比煤岩组合体加载破坏规律,结果表明：组合体强度受中间煤体高度影响,试件单轴抗压强度随煤体高度的增加而减小,且试件的破坏形态随着煤体高度的增加由拉伸破坏转变成斜面剪切破坏,最终表现为煤体被挤出破坏。组合体试件破坏受煤体部分主导,两端砂岩对中间煤体起约束作用从而提高煤体强度,煤体中部受到其约束最小,且随着煤体高度的增加,所受影响迅速衰减。通过室内单轴加载与颗粒流等方式分析组合体裂隙发育全过程,结果表明,组合体裂隙发育的过程可分为4个阶段：裂隙孔隙压密阶段、裂隙产生并稳定发育阶段、裂隙加速发育并贯通阶段和破坏后阶段。煤体内部缺陷的存在与其自身较低的强度,导致组合体微裂隙最初于煤体内部生成(在煤体高度非常小时,裂隙自砂岩内部产生);随着试件荷载增大,随机分布在煤体的裂隙相互贯通并向砂岩部分延伸最终造成破坏;且最初的裂隙主要是轴压与端面效应产生的剪切裂纹,在加载至试件单轴抗压强度的80%左右时,试件内部张拉裂隙开...     

煤岩组合体峰后渐进破坏特征与非线性模型

利用煤岩组合体的单轴和三轴压缩试验结果,基于轴向裂纹应变,分析了其峰后渐进破坏特征。在此基础上,通过将峰后阶段的煤岩组合体概念化为裂纹体和基体两部分,建立了考虑自然应变的裂纹体在峰后裂纹贯通阶段的本构模型,然后考虑基体的弹性变形,最终得到煤岩组合体峰后阶段的非线性应力-应变关系。实例验证表明,该模型能较好地反映煤岩组合体峰后应变软化行为和残余强度。对模型的2个参数进行分析,结果表明:轴向裂纹扩展应变极值在单轴压缩时取得最大值,围压存在时远小于最大值;等效非弹性柔度与轴向裂纹扩展应变极值存在负相关关系,与能量跌落系数大致存在线性相关关系,表明等效非弹性柔度可间接评价煤岩组合体峰后破坏的脆性程度;等效非弹性柔度比轴向裂纹扩展应变极值对煤岩组合体峰后破坏行为的影响更明显。     

煤岩组合体界面效应与渐进失稳特征试验

煤岩体组合特征决定着煤和岩石组合形成整体结构的变形失稳,为分析煤岩高比对煤岩组合体受载时力学特性、能量转化规律与失稳破坏特征的影响,制作了3种高比的"岩-煤-岩"(RCR)组合试件,开展了煤岩组合试件的单轴压缩试验和PFC^2D数值模拟试验,并基于RCR组合体声发射信号和宏观破坏特征分析,获得了组合体界面效应影响下的渐近失稳特征和声发射能量演化规律。研究结果表明:煤岩组合体的损伤破坏表现出渐近非连续特征,损伤破坏首先在煤岩组合体的煤体中发生、发展,煤体裂纹发育至煤岩交界面时被阻隔,受煤岩组合体界面效应的影响和裂纹尖端强应力链的持续集聚,裂纹最终从煤体扩展至岩石中煤岩组合体发生整体性瞬时破坏;随煤岩高比增大,组合体单轴抗压强度、弹性模量、宏观起裂破坏时间和瞬时失稳破坏时间均呈降低趋势且瞬时破坏时动力显现也逐渐被弱化。由于RCR组合体结构和弹性储能的差异性,导致裂纹在煤岩组合体中的扩展能力、速度和角度不同,进而组合体呈现出不同的破坏形态,但组合体破坏形式具有相似性,其中煤体以剪切破坏为主,顶底板砂岩以劈裂破坏为主。在煤岩组合体渐进破坏过程中煤体的破坏诱导了顶底板砂岩的破...     

煤岩组合体力学模型及细观损伤过程的颗粒流分析

为了研究煤岩组合体变形破坏的问题,在工程体与地质体两体力学模型的基础上,总结分析了煤岩两体接触面的力学特性及煤岩两体力学模型的变形破坏过程;利用颗粒离散元程序PFC建立了煤岩组合体平行黏结数值模型,对单轴压缩过程中,组合体内部细观裂纹的生成和扩展过程进行了分析探讨。结果表明:由于煤岩交界面对煤体变形破坏的抑制作用,煤岩体的变形破坏过程是煤体先损伤破坏,岩体再损伤破裂,直至整体失稳破坏的渐进式破坏过程。     

煤-岩-煤组合体冲击荷载作用下力学特性研究

为了研究煤-岩-煤组合体在冲击荷载作用下的力学特性和破坏模式,利用分离式霍普金森压杆和高速摄像仪在不同的冲击荷载下对组合体试件进行动态冲击压缩试验。试验结果表明:煤-岩-煤组合体的应变率、应变、应力、动态弹性模量和破碎程度都与冲击荷载有较强的相关性,都随冲击荷载的增强而变大;组合体在动态冲击作用下应力-应变曲线变化规律大致可划分为弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段;高速摄像结果表明,组合体在冲击荷载作用下,裂纹先在两端产生,并沿轴向发展产生贯穿裂纹,且两端煤体破裂明显并有较大破碎变形,组合体中间岩体部分具有较高的强度,其裂纹的产生及扩展要比两端煤体缓慢;组合体随冲击荷载的加大,破碎程度显著增强。     

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。     

煤岩组合体循环加卸载变形及裂纹演化规律研究

利用MTS 815试验机对煤岩组合体进行循环加卸载试验,分析了煤岩组合体循环加卸载中弹性应变和残余应变,而后得出加载时裂纹闭合应力和闭合应变,最后利用加载试验数据验证了轴向裂纹闭合模型和峰前应力-应变关系模型。结果表明:随着循环次数的增加,煤岩体内部的原生裂纹逐渐被压密,进而轴向弹性应变比重增大,而轴向残余应变比重减小;环向弹性应变所占比例先增大后减小,主要是由于荷载的增加加剧了煤体的环向扩容,并产生环向裂纹。计算得出每次加载下的轴向裂纹应变,发现随着应力增大,轴向裂纹应变先增大后基本保持不变,其拐点为裂纹闭合点,所对应的应力为轴向裂纹闭合应力,应变为轴向裂纹闭合应变。由于新裂纹和孔隙较难闭合,二者随加载次数增加有增大趋势。最后利用轴向裂纹闭合模型和峰前应力-应变关系模型对循环加卸载煤岩组合体的试验数据进行评价,理论值与试验值吻合度较高,能够很好地反映岩石峰前非线性行为。     

钻孔密封段异质结构变形破坏特征试验研究

瓦斯抽采钻孔密封段是由煤-水泥-抽采管组成的异质结构体,为了研究钻孔密封段煤-水泥异质结构的变形破坏特征,采用Vallen AMSY-6声发射信号采集系统和TAW-2000高温岩石三轴伺服试验机相结合的方法,对煤单体、水泥单体及煤-水泥组合试件进行了单轴载荷作用下的变形破坏全过程声发射试验。试验结果表明:煤-水泥组合试件的峰值应力介于煤单体试件和水泥单体试件之间,煤单体试件的强度是水泥单体试件强度的2.1倍;煤-水泥组合试件及煤单体试件的体应变突降点后伴随着声发射振铃计数的激增,而水泥单体试件的声发射指标增长较为平缓,且不同试件都在应力峰值处声发射指标达到最大值,煤-水泥组合试件的振铃计数峰值约为水泥单体试件振铃计数峰值的112倍;煤-水泥组合试件及煤单体试件的应力应变曲线表现出峰后的脆性变形特征,而水泥单体试件的应力应变曲线则表现出峰后的塑性变形特征,煤-水泥组合试件的破坏形态为剪切破坏,煤单体试件的破坏形态为"X"状共轭剪切破坏和拉伸破坏,水泥单体试件的破坏形态为拉伸破坏。现阶段我国煤矿瓦斯抽采钻孔封孔材料大多选取水泥基封孔材料,钻孔密封段煤-水泥异质结构的强度同时受到煤体和水泥材...     

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。     

煤岩组合体峰后卸加载力学特性及支护作用机理

为深入研究煤岩组合体的峰后卸加载力学特性,采用PFC(Particle Flow Code)数值模拟软件对其进行了模拟试验,分析了不同卸载应力水平、卸载速率和支护方案对其强度、弹性模量、峰值轴向应变、冲击能量指数及声发射等特征的影响。结果表明：煤岩组合体在峰后阶段已经产生损伤,其峰后卸加载强度、弹性模量、冲击能量指数和最大声发射撞击计数均低于峰前常规单轴压缩的结果。在相同的卸载速率下,峰后卸载应力水平越高,煤岩组合体峰后卸加载强度越高。卸载速率对煤岩组合体峰后卸加载有整体强化和局部弱化两方面的作用。在相同峰后卸载应力水平条件下,随卸载速率的增加,煤岩组合体峰后卸加载强度呈“先增大、后减小”的演化特征。支护能够显著提高破碎煤岩组合体的强度和弹性模量,但只有稳定的支护方式才能够有效降低其冲击能量指数。为提高破碎煤岩体的稳定性和降低冲击风险,应当选择具有高强度、高可靠性和大变形能力的支护系统并增加护表面积。工程示例证明研究成果对现场工程实践具有指导意义。     

卸荷速度对围岩变形影响的试验研究

巷道/隧道围岩的开挖卸荷效应,直接关系到围岩稳定、支护设计和施工工艺的选择。利用自主研发的开挖卸荷试验系统,对水泥砂浆制作的厚壁圆筒小型围岩试件进行了快、慢速卸荷试验研究,获得小型围岩试件在开挖卸荷过程中的变形规律与破坏形态。试验结果表明:①快、慢速卸荷的径向应变及切向应变与时间的关系曲线表现出明显的3个特征阶段:试件压密阶段、快速变形阶段、卸荷后缓慢变形阶段。②同一横断面处,内侧的切向应变对卸荷作用反应更快、更显著,变形量更大。径向内侧产生的变形总量均大于外侧,而轴向内侧产生的变形总量小于外侧。③无论快速或慢速卸荷,同一测点处,切向应变最大,占据重要地位。径向变形集中在卸荷阶段产生,轴向变形集中在卸荷后维持阶段产生。④卸荷阶段,随着压差增大,慢速卸荷的切向、轴向应变呈加速发展趋势,内、外侧径向应变差值约为200×10~(-6)。快速卸荷的切向、轴向应变呈收敛发展趋势,内、外侧径向应变基本相同。维持阶段,快、慢速卸荷切向、轴向内外侧偏差持续增大。快速卸荷时内、外侧径向应变在维持阶段才开始区别开来,且差值越来越大。⑤试件压缩高度变低,且外侧出现环状贯通面并伴随劈裂破坏,在内壁出现片状剪切破坏区;横断面出现两个类似于圆环破坏带的破坏区。     

不同倾角煤岩组合岩石力学试验及破坏特征

薄煤层开采条件下多为煤层与岩层复合结构,为提供可靠的开采环境与支护稳定,深入研究煤岩体的岩石力学特征具有重要的意义.通过RMT-150C岩石力学试验机分别对煤岩接触面倾角0°,15°,30°,45°,60°进行一次单轴压缩试验,分析倾角不同的煤岩组合体强度和变形破坏特征.研究结果表明:煤岩组合体的破坏强度接近煤单体的抗...     

组合方式对煤岩组合体力学特性和破坏特征影响的试验研究

为探讨组合方式对煤岩组合体力学特性和破坏特征的影响,利用MTS815岩石力学试验系统,分别对岩-煤-岩(YMY)、岩-煤(YM)及煤-岩(MY)3种组合方式试件进行了单轴压缩和三轴压缩试验研究。试验结果表明,组合体试件破坏主要集中在其煤体部分,而与组合和加载接触方式无关;煤体部分损伤发展和破坏程度的加剧,在一定程度上会诱导岩体出现损伤和发生破坏。单轴加载条件下,3种组合方式均表现为以煤体部分拉张破坏为主的破坏特征,YMY组合的平均抗压强度为40.03 MPa,分别是YM和MY组合方式对应平均值的1.80和1.53倍;三轴加载条件下,均表现为以煤体部分剪切破坏为主的破坏特征;随围压压力增加,各组合方式三轴抗压强度平均值逐渐趋近。     

煤与软弱夹层组合体裂纹扩展及变形破坏规律数值模拟研究

针对含软弱夹层煤体承压力学性状复杂、现场容易引发片帮的问题,采用实验室试验和数值模拟方法,对不同位置和厚度夹层组合体进行了研究,揭示煤与夹层组合体裂纹扩展及变形破坏规律。研究结果表明,随着夹层厚度的增加,组合体试样的强度降低,组合体达到峰值前的应变滞后,表明软弱夹层有助于提升组合体的变形程度,降低组合体的整体刚度和弹性模量;随着夹层位置由组合体上部向下部移动,组合体整体抵抗变形和破坏的能力逐渐减弱,强度大小为：无夹层>1/4上部>中部>3/4下部;随着压缩程度的增加,破坏现象逐渐向夹层上部以及下部层位转移,加载初期上部层位裂纹占比逐渐增加,裂纹发育扩展具有优先性,当组合体承载达到峰值后,下部层位裂纹占比增大,破坏才会发生并逐渐增强。研究成果可为控制巷道及工作面片帮、破坏失稳等提供理论参考。     

不同煤岩比例及组合方式的组合体力学特性及破坏机制

为研究不同煤岩比例及组合方式的组合体力学特性和破坏机制,对19种不同煤岩比例和组合方式的二元、三元组合体开展轴向压缩试验,从抗压强度、弹性模量、峰前能量、冲击能量指数等参数入手,分析组合体的力学特性;对构建的煤岩组合体相互作用模型进行理论分析,探究煤岩组合体的失稳破坏机理;从煤岩组合体的不同破坏形态入手,研究组合体破坏...     

应力约束下煤体吸附解吸瓦斯变形特性的试验研究

利用YKDPump70精密驱替泵,对原煤尺寸(ф50 mm×100 mm)试件,进行了恒温恒压(20℃,18 MPa)条件下,CH_4在无烟煤中的吸附解吸试验,对CH_4在吸附解吸过程中煤体的变形特征进行了测量分析。主要结果为:在整个吸附解吸过程中,煤体的径向变形与轴向变形随时间的变化规律是相似的,并在同一吸附压力下,煤体的吸附膨胀变形量大于解吸收缩变形量,煤体存在一定的残余变形。在不同的吸附压力下,解吸量与煤体轴向应变、径向应变随时间的增大而增大,最终趋于稳定状态,并且二者的变化规律基本一致,呈对数形式增长。在18 MPa体积应力约束条件下,持续12 h的CH_4解吸过程中,煤体轴向应变、径向应变ε与CH_4解吸量q成线性关系,即ε=aq+b,式中:a、b为拟合常数。     

循环载荷作用下含水煤岩组合体损伤特性及裂纹扩展规律

同忻煤矿8105工作面煤岩体和隔水煤柱长期受水化作用影响,受矿震、采动应力等循环载荷扰动明显,现以该工作面为研究背景,在实验室开展了不同含水率下3种不同顶底板岩性(泥岩、砂岩、石灰岩)的煤岩组合体单轴压缩及循环加卸载试验。通过力学试验分析获得了其损伤劣化机制和能量演化规律,并基于电镜扫描、数字散斑和RFPA数值模拟,揭示了其裂纹从微观到宏观的破坏规律。结果表明：(1)随着含水率增大,煤岩组合体试件的峰值强度劣化幅度逐渐降低,4个阶段饱水百分比的试件峰值轴向应变逐渐减小,循环加卸载条件下要比单轴压缩条件下阶段劣化幅度更大,阶段劣化度由大到小依次为：N20、S20、SH20;(2)水化作用下,煤岩体结构面胶结程度降低,由致密变得软弱,循环加卸载情况下,随岩煤强度比增大组合体破坏模式由张拉-劈裂破坏逐渐向拉伸-剪切混合破坏转变;(3)基于RFPA模拟分析得出,循环加卸载下,随着顶底板岩性强度增大,组合体破裂形成的主裂隙逐渐明显,衍生的次生裂隙逐渐变少,水化作用下强度更高的煤岩组合体破坏时仍能保持更强的脆性破坏。该研究成果可为富水工作面的安全生产提供一定的参考借鉴。     

高强度开采工作面煤岩灾变的推进速度效应分析

高强度开采工作面煤岩灾变存在冲击特征,采场围岩控制困难。采用室内试验、理论分析及数值模拟等综合研究方法,分析高强度开采条件下煤岩变形破坏和围岩应变能分布特征,并揭示采场煤岩动力灾变发生机制。研究表明：煤岩属于率相关材料,随着加载速率的提高,受压煤岩破坏形式由静态变为动力破坏,在后破坏阶段,存储于煤岩中的应变能降低形式以塑性功耗散转变为整体破坏后的快速释放,破坏用时减小;随着工作面推进速度提高,煤壁前方煤体中最大主应力加载速率和最小主应力卸载速率均增大,浅部煤体应变能密度升高,致使围岩发生动力灾变概率和危害程度升高;基本顶突然断裂和滑落,将贮存于顶板中的应变能快速释放并向下位煤岩传递,使煤层中应变能密度迅速升高,促使煤岩发生动压冲击性煤壁破坏;基本顶断裂前、后,煤体中应变能密度峰值点之间距离为超前段回采巷道动力灾变危险区,是采场围岩控制的重点区域。