沁水盆地郑庄区块煤储层抗拉强度控制因素及其对水力裂缝的影响

基于对沁水盆地南部郑庄区块9口煤层气井的力学性质测试和对煤层抗拉强度等力学参数的相关性分析,获得煤岩密度、显微裂隙密度、镜质组含量、镜质组反射率、水分含量和矿物含量等6个影响煤层抗拉强度的参数值,并利用灰色关联数学方法计算和分析这些参数值与抗拉强度的关联度。研究结果表明:(1)煤层抗拉强度与抗压强度、弹性模量及泊松比均具有良好的线性相关性,其中与抗压强度的拟合度最高;(2)煤层抗拉强度与镜质组反射率、煤岩密度和矿物含量呈现良好的正相关性,而与水分含量、显微裂隙密度及镜质组含量呈现负相关性;(3)煤岩密度、矿物含量对抗拉强度影响较大;(4)煤层压裂形成的裂缝形态取决于三个参数,即垂向地应力、水平最小地应力及煤层抗拉强度的数值大小,煤层和顶底板之间抗拉强度差值与压裂缝缝长和缝高也具有良好的线性关系。     

基于测井的煤及煤层顶底板力学性质分异预测研究

为评价煤层顶底板岩石对煤层水力压裂裂缝的影响,取煤及煤层顶底板岩芯开展岩石力学参数测试,获取煤和岩石抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比等力学参数。将测试的岩芯深度归位至常规测井深度,测井响应标准化处理后,标定岩芯纵波时差、电阻率、自然伽玛值。分析煤、岩石力学参数与声波时差、电阻率、自然伽玛值的拟合关系,构建了基于多测井响应的岩石力学参数预测模型。采用预测模型计算煤、岩石力学参数及比值,评价煤层与顶底板岩石力学性质差异。结果表明：研究区顶板岩石弹性模量一般是煤层的6倍以上,抗压强度一般是煤层的5倍以上|底板局部岩石弹性模量和抗压强度是煤层的5倍以上。煤层水力压裂裂缝容易控制在顶板之内,不易控制在底板之内,在研究区东南部,水力压裂裂缝容易窜至顶底板。     

饱水煤岩基本力学性能的试验研究

利用MTS电液伺服岩石试验系统对煤岩试件进行了饱水与自然两种状态下的单轴压缩与拉伸试验,结果发现,与自然状态煤样相比,饱水煤样单轴抗压强度降低了26.71%,弹性模量降低26.85%,轴向应变增大,普氏系数与泊松比均有所降低;饱水煤样抗拉强度平均降低43.86%,且破坏时间大为缩短。此外,煤岩单轴压缩与拉伸试验曲线均呈锯齿状,其中煤岩单轴压缩过程依次经历裂隙压密、表观线弹性变形、弹塑性变形以及断裂破坏4个阶段,拉伸试验中煤岩受力呈线性增加直至弹脆性拉断,失稳破坏瞬间发生。     

加卸载速率对含瓦斯煤损伤-渗透时效特性影响试验研究

为探索轴压加载速率和围压卸载速率对采动含瓦斯煤损伤-渗透时效特性的影响规律,利用煤岩吸附-渗流-力学耦合特性测定仪开展了不同加卸载速率条件下煤体损伤-渗透试验。研究结果表明,轴压加载速率或围压卸载速率越高,试样损伤破坏的时间响应越快,峰值强度呈小幅度降低,即加卸载速率显著影响着试样损伤破坏的时效特性,但对试样抵抗破坏的能力影响较小;加卸载速率较低时试样呈相对稳态损伤,加卸载速率较高时试样损伤程度较高且呈非稳态损伤特征,易发生突崩式破坏;加卸载速率越高,则试样渗透率的时间响应越快,增幅越大,恒轴压卸围压试样的峰后渗透率可达到原始渗透率的163.0%~206.3%;围压卸载对采动煤体损伤-渗透的影响作用远大于轴压加载,因此在工程实践中需适当控制煤层开采速度,以有效避免煤岩瓦斯动力灾害。     

基于颗粒流理论的加载速率对煤岩损伤演化特性的影响分析

基于颗粒离散元程序PFC,利用黏结颗粒模型BPM设计了不同位移加载速率的单轴压缩试验,对加载过程中煤岩裂纹扩展情况及破坏形态进行了记录,研究分析了加载速率对煤岩损伤演化规律及声发射特性的影响。结果表明,随着加载速率的增大,煤岩单轴抗压强度及破坏程度增大;加载速率越大,煤岩破坏时的端面效应越大,破坏形态由单一的剪切破坏向多面剪切破坏转变;加载速率对煤岩声发射活动的影响主要集中在应力峰值附近,加载速率越大,煤岩峰值破坏时的声发射活动越剧烈。试验结果可为煤矿及岩体工程的损伤劣化监测提供一定的参考,并且对煤矿安全开采具有重要的指导意义。     

加载速率对煤岩抗拉强度参数影响程度研究

加载速率效应是岩石材料力学特征的一个重要性质。采用室内实验方法,对煤岩进行不同加载速率下抗拉强度的影响程度研究。结果表明,加载速率的变化影响煤岩的抗拉强度及破坏模式,煤岩抗拉强度较低,具有低强度高脆性的特征,且受加载速率影响很大。加载速率较低会造成煤岩破坏过程沿着内部缺陷、天然裂隙破碎,有明显的延性特征。而加载速率较高时,拉伸破坏过程伴随煤粉的产生,呈明显的脆性破坏特征。该结论对分析煤岩受拉破坏条件及煤层气开发工程具有参考意义。     

干热岩储层高温条件下岩石力学特性研究

为了更准确掌握高温条件下干热岩储层的岩石力学性质,进一步指导干热岩钻井施工,通过室内试验进行了实时高温条件下的巴西劈裂试验、剪切试验、单轴压缩试验。单一试验采用同一钻孔同一深度采取的岩样,通过高低温箱控制器设置温度和恒温时间,以恒位移速率0.1 mm/min对试样进行加载,减少岩石宏观力学性质的离散性和试验过程偏差对试验结果的不利影响。试验样品为山东省文登—荣成—威海地区LGZK1井采取的二长花岗岩,通过获得试样破坏时的最大荷载值和变形数据,计算其抗拉强度、抗剪强度、抗压强度、弹性模量等力学性质参数,分析实时高温条件下岩石内部破坏机理和岩石强度差异。研究结果表明,在200 ℃以内,花岗岩的抗剪强度和单轴抗压强度升高、抗拉强度降低;随着温度的进一步升高,花岗岩的抗剪强度和单轴抗压强度降低,而抗拉强度持续降低;储层岩体温度和应力的升高,将使岩石的硬度增加、塑性增强。这些认识可为高热流花岗岩岩石力学性质的进一步研究提供基本参数,为高热流花岗岩型干热岩资源勘探开发过程中碎岩机具的选型、钻井工艺的选择、井壁稳定的控制等提供参考依据。     

煤层瓦斯压力及压力梯度影响因素的分析

由于煤层瓦斯压力的影响因素多且复杂,通过建立理论模型,得出了煤层瓦斯压力与煤层埋深、煤岩弹性模量、泊松比、温度梯度和地应力梯度等影响因素的关系式,并结合数值分析,对煤层瓦斯压力与其相关影响因素的关系进行了分析。通过分析得出,煤层瓦斯压力随着煤层埋深的增加而变大,在同一煤层埋藏深度,煤层瓦斯压力随弹性模量、泊松比、温度梯度的增加而降低,随地应力梯度的增加而增大。同时,煤层瓦斯压力梯度随煤岩弹性模量和泊松比的增大而增大,当煤岩弹性模量和泊松比较小时,煤层瓦斯压力梯度的变化率较小,当煤岩弹性模量和泊松比较大时,煤层瓦斯压力梯度的变化速率迅速增加。煤层瓦斯压力梯度随温度梯度和地应力梯度的增大而增大,基本呈线性变化。     

深部煤层底板岩体能量演化特征及卸荷劣化破坏机制研究

为研究深部煤炭回采过程中底板岩体能量变化特征及卸荷劣化机制,开展了不同围压卸载速率下岩石力学试验,综合理论分析和实验室试验分析了不同卸载阶段的岩石损伤断裂能量、弹性模量的变化特征。研究表明：卸围压过程中的岩石变形破坏可划分为围压卸载起始点至失稳破坏、失稳破坏到加速破坏、进入加速破坏3个阶段。在围压卸载起始点至失稳破坏阶段和失稳破坏到加速破坏阶段,相同轴压下,不同围压卸载速率对岩石弹性模量劣化程度产生的影响较小;在围压卸载起始点至失稳破坏阶段,损伤断裂能量消耗较少,但岩石弹性模量劣化程度较为明显;在失稳破坏到加速破坏阶段,弹性模量的劣化程度相比于围压卸载起始点至失稳破坏阶段趋缓,但损伤断裂能量消耗呈现增长变化趋势。在岩石进入加速破坏阶段,卸载速率越快,岩石卸围压过程中释放的损伤断裂能量越大,越易形成宏观贯穿式裂纹,煤层底板突水危险性随之增大。     

高温对煤层瓦斯抽采钻孔围岩稳定性的影响分析#br#

为了研究高温对煤层钻孔稳定性的影响,利用电热鼓风恒温试件箱和万能材料试验机对不同温度影响后标准煤样的力学参数进行测定,分析了煤的平均抗压强度和弹性模量随温度的变化规律;利用FLAC3D数值模拟软件,建立了煤层钻孔及围岩模型,研究了不考虑温度影响和考虑煤层高温劣化2种工况下钻孔围岩破坏特征。研究结果表明,高温对煤岩的力学特性产生不利影响,随温度的增加,煤样的抗压强度和弹性模量总体呈下降趋势;钻孔内煤炭自燃产生的高温对钻孔围岩稳定性产生显著的劣化影响,使其变形情况加剧,卸压范围增加,导致钻孔破坏严重而失效,且这种影响不会因火的及时熄灭而完全消失。结果对煤层瓦斯抽采钻孔施工具有指导作用。     

孔隙率对煤矸石混凝土力学特性的影响

探究煤矸石混凝土在不同孔隙率条件下的力学特性,采用EPS颗粒模拟煤矸石混凝土中的孔结构,制作四种不同孔隙率的试件。通过单轴压缩试验、劈裂抗拉试验、静力抗压弹性模量试验测得试件的力学参数,并分析孔隙率对其力学特性的影响。结果表明:孔隙率的大小对煤矸石混凝土的力学特性有明显的影响,随着孔隙率的增加,试件的抗压强度、抗拉强度和弹性模量随之减小。而3种力学参数的减少率随着孔隙率的增加而增加。     

动静组合加载含水煤样的力学特征及细观力学分析

为分析含水煤样在动静组合加载下的力学性质,利用改进SHPB和RMT-150试验系统对义马矿区二1煤样进行动静组合加载、静载对比试验。结果表明:静载加载,煤样的应力-应变关系形态与动静组合加载应力-应变关系形态明显不同,煤样的峰值强度、弹性模量随饱水时间增加而降低,饱水3 d和7 d煤样抗压强度软化系数分别为0.66和0.52;动静组合加载,煤样动态峰值强度随饱水时间增加而降低,饱水3 d和7 d抗压强度软化系数分别为0.65和0.60,动态弹性模量却逐渐升高,提高系数分别为1.15和1.37,与饱水砂岩试验结果相比不同;动静组合加载煤样随饱水时间增加煤样破坏颗粒度逐渐减小,水对煤样动态破坏影响较显著;基于翼形裂纹受压扩展原理,推导出动静组合加载下饱水煤样动态强度计算公式;煤样动态强度比静态强度试验结果提高10%~30%,表明动静组合加载下煤样的变形、强度特征与煤样自身结构、含水状态和加载方式多重因素有关。     

神东矿区煤系地层岩石物理力学性质

岩石物理力学参数是数值计算、相似模拟、顶板分类、支架选型等理论分析和现场安全生产管理的基础性工作。分别从补连塔煤矿、大柳塔煤矿及布尔台煤矿采集岩芯并进行了单轴压缩、三轴压缩和巴西劈裂实验,分析了不同沉积时期的密度、RQD值、抗拉强度、抗压强度、弹性模量、黏聚力及内摩擦角等参数。根据试验矿井地层情况,将3个试验矿井的岩层划分为8个沉积时期,分别为白垩系、侏罗系安定组、侏罗系直罗组、侏罗系延安组1-2煤、侏罗系延安组2-2煤、侏罗系延安组粉砂岩、侏罗系延安组4号煤及侏罗系延安组底部。神东矿区岩层以砂岩为主,尤其是白垩系岩层主要为砂岩层。按沉积时期分组试验结果表明:随着沉积时间的增加,岩石的密度呈增大趋势,但是增大幅度不明显;岩石的抗拉强度、抗压强度、弹性模量及黏聚力与沉积时间呈现出一定的正相关关系;RQD值及内摩擦角与生成时间无明显的关系。生成时间对岩石的力学参数影响较大,其中,沉积时间对中粒砂岩抗拉强度的影响最大,最大值是最小值的31.2倍;沉积时间对中粒砂岩抗压强度及弹性模量的影响最大,单轴抗压强度最大值是最小值的12.4倍;弹性模量最大值是最小值的32.8倍;白垩系及侏罗系安定组的物理力学参数相对其它沉积时期要小很多。     

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)。     

弹性模量对综放开采高韧性顶煤冒放性影响研究

高韧性煤的弹性模量小、抗拉强度大,冒放性较差。通过理论分析,获得了高韧性煤层煤体在破坏前的挠度与弹性模量成反比,并得出顶煤挠度较大,顶板不能很好把支承压力传递给顶煤的结论。同时,通过数值模拟计算,表明了顶煤的弹性模量对其悬顶长度和应力有很大影响,高韧性顶煤悬顶长度大,应力小,不利于顶煤体的破坏。     

不同加载速率下顶板-煤柱结构体力学行为试验研究

基于声发射、数码摄像机录像及SEM系统,进行了不同加载速率下顶板砂岩-煤柱结构体试样单轴压缩试验,研究了加载速率对顶板-煤柱结构体力学行为的影响。结果表明:顶板-煤柱结构体宏观破坏起裂应力、单轴抗压强度和弹性模量均随加载速率递减而递减,但当加载速率递减至1×10~(-5)mm/s,单轴抗压强度和弹性模量均出现了一个递增趋势;顶板-煤柱结构宏观破坏起裂是由于煤样原生缺陷产生的水平附加应力大于煤样抗拉强度而引起的,不同加载速率下宏观破坏起裂均发生在煤样部分,形成拉裂纹与不同程度局部弹射或片帮组合的宏观破坏起裂形式;不同加载速率下顶板-煤柱结构体的破坏均发生在煤样内,砂岩未发生明显破坏,煤样主要发生劈裂弹射破坏,高加载速率下储存在实体承载结构体内的弹性能将以试样宏观拉裂纹等薄弱面为释放通道而迅速释放,试样破坏呈"突发"性且砂岩回弹变形剧烈,弹射破坏加剧,煤样更加破碎;高加载速率下破裂断口凹凸不平,呈"撕裂"状,随加载速率降低,断口趋向平整、光滑且出现"锯齿区",锯齿区台阶咬合摩擦在一定程度上抵抗了试样破坏,试样呈相对延性破坏。     

深井充填体细观破坏及充填机制研究

对不同灰砂比的深井充填体进行了无侧限单轴抗压、抗拉测试, 抗压试验中测得抗压强度、弹性模量和泊松比等数据; 抗拉试验中测得抗拉强度、线性阶段弹性模量和峰荷应变等参数。分析了拉、压试验中力学性质的变化规律, 鉴于拉压性质的相关性, 对拉压力学参数和试验曲线作了一定的对比分析, 对充填体细观破坏及充填体-围岩-矿柱系统作用机制进行了研究, 旨在为矿柱开采提供技术支持。     

基于窥视法的围岩稳定性评价研究

针对深部软岩巷道工程地质条件复杂、巷道支护难度大等问题,以丰峪煤业实际矿井地质条件为例,采用试验室试验以及窥视法对该矿围岩稳定性进行研究,通过单轴压缩试验、巴西（劈裂）试验和三轴压缩试验研究了该矿运输巷的基本顶、直接顶、直接底的单轴抗压强度、单轴抗拉强度、三轴抗拉强度、弹性模量等参数;采用窥视法对该巷道围岩松动圈进行研究。研究得出:该矿运输巷的左帮产生的围岩松动圈在3.0~4.2 m,右帮产生的围岩松动圈在2.2~3.8 m,顶板产生的围岩松动圈在1.0~2.4 m,围岩稳定性差,应该加强支护,确保矿井的安全开采,研究为巷道的超前加固提供了可靠的理论依据,保证巷道的正常使用和回采的顺利进行。     

冻融交替作用下煤矸石混凝土性能裂化的研究

为探究冻融交替作用下煤矸石混凝土性能裂化规律,采用快冻法,分析不同水灰比和含气量对其质量、动弹性模量及强度等方面损失特性影响。结果表明：质量损失率与循环数呈正相关,其显著性为水灰比0.75>水灰比0.65>水灰比0.55;水灰比为0.65和0.75时,其相对动弹性模量显著降低,降低变化率分别为9.56%、11.2%;不同含气量条件下强度损失率与循环数呈正相关,显著性为含气量1.8%＞含气量3.5%＞含气量4.4%。     

岩石类材料液压破裂抗拉强度测试理论的修正

经典的液压破裂法抗拉强度测试理论把材料视为均质、各向同性的线弹性体然而，岩石类材料实际上具有拉伸弹性模量与压缩弹性模量不相等的变形性质，据此，提出了计算液压破裂抗拉强度的修正公式事实上，破裂压力ｐ不仅与材料的抗拉强度有关，同时也与材料的拉伸和压缩弹性模量比ｍ有关