承压破碎煤体空隙结构演化及渗流特征

为探究破碎煤岩体承压过程中其内部空隙结构演化规律及气体渗流特性，自主研发了破碎煤岩体压实-CT扫描装置，以5～10 mm破碎无烟煤为例，借助CT扫描、图像处理及三维重构等技术，建立了3种应力下的破碎无烟煤空隙网路模型，并在此基础上开展了数值模拟研究。研究结果表明：应力对承压破碎无烟煤空隙尺寸和连通性具有显著影响，空隙体积、孔喉横截面积和平均配位数呈现出随应力的增大而减少的趋势，空隙空间的连通性降低；破碎无烟煤的空隙率和绝对渗透率都随着应力的增加而减小，应力从0达到23.24 MPa时，绝对渗透率减少了1个数量级；由于空隙结构的差异性，气体在破碎无烟煤中的流动存在高流速区和低流速区，高流速区多存在于渗流通道由大变小的区域。研究结果能够为破碎煤岩体中煤层气的高效抽采提供理论参考。     

承压破碎煤体空隙率分形模型及试验研究

为了识别采空区应力加载对破碎煤岩空隙率的影响,基于采空区应力恢复及空隙率对煤自燃影响角度,分析了采空区空隙率对煤自燃发生中的漏风强度、氧气浓度分布、蓄热环境的影响。通过对恒昇采空区破碎煤体的压实实验,测试了其应力应变及空隙率变化特征。结合分形理论,建立了承压颗粒煤分形空隙率模型,明确了分形模型的初始参数,并对实验数据及理论计算数据进行比较。结果表明：(1)在应力作用下,破碎煤体发生压实变形,造成颗粒级配发生变化,进而造成分型维数增大与空隙率发生变化,说明随工作面推进及采空区应力逐渐恢复状态下,采空区破碎煤体空隙率呈现动态变化;(2)通过测试原始煤样与破碎后煤样粒径分布与级配变化,获得了承压破碎煤体的分形维数,发现承压破碎煤体分形维数增大则说明受载煤样更加破碎,在应力加载状态下其空隙率逐渐减小;(3)通过分形理论与承压破碎煤体的应力应变关系,建立了承压颗粒煤的分形空隙率理论模型,理论计算结果与实验结果误差在0.028～0.106,可满足工程需要;(4)分析了该模型的使用条件,在获得破碎煤岩应力应变函数及应力加载路径的前提下,该模型可对任意状态下的空隙率进行预测。     

大粒径破碎岩石承压变形特性

为研究大粒径破碎岩石承压变形特性,研制了大尺寸破碎岩石承压变形试验系统,选取某矿区典型顶板砂岩,考虑垮落区破碎岩石粒径的分布特征和受力状态,进行了正态分布的粒径级配和梯形分级加载试验。试验表明:随轴向载荷增加,破碎岩石轴向变形逐渐增大,残余碎胀系数和空隙率逐渐减小,加载较恒载阶段尤为明显;恒载初期,轴向应变增长较快,而后逐渐变缓并趋于平稳,应变时间历程呈现对数关系;加载阶段,随载荷增大,破碎岩石试样轴向应变差值呈现先减小后增大,恒载阶段,随载荷增大,破碎岩石试样轴向应变差值则呈现先增大后减小;破碎岩石承压后的变形分为瞬时压缩变形和长期压缩变形两个阶段,主要由颗粒位置调整、原始或新生小颗粒滑动填充空隙引起的;破碎砂岩试样以粒径15~20 mm为承压变形过程中的稳定粒径,试验后,粒径15 mm的含量均有增加,粒径20 mm的含量则均有减小,为破碎砂岩试样总质量的16.76%。     

三轴应力作用下破碎煤体渗透特性演化规律

深部破碎煤岩体受地应力和开采扰动常处于三向应力状态,其渗透特性是影响矿井突水灾害预防和瓦斯抽放的重要因素之一。为研究深部破碎煤体的渗透性能,采用自主研发的破碎岩石三轴渗流试验系统,并设计一套破碎煤体三轴渗流试验方案,进行三轴应力作用下破碎煤体渗流试验,得到破碎煤体渗透特性随围压及孔隙率的演化规律。试验结果表明:①三轴应力作用下破碎煤样渗流雷诺数最大值为47. 58,渗流速度与孔压梯度两者之间符合Forchheimer关系;②三轴应力作用下破碎煤样的孔隙率与围压的变化规律呈负相关,各级轴向位移下,两者服从对数函数关系;③随着有效应力的增大,各粒径下的破碎煤样孔隙率逐渐减小,破碎煤样孔隙率的理论计算值与试验结果较为吻合,表明文中给出的孔隙率计算方法可行;④各级轴向位移下,破碎煤样的渗透率随围压增大而减小,不同粒径的破碎煤样渗透率随围压的演化规律可用k=me~(nσ3)公式表示,颗粒粒径越大,破碎煤样的渗透率随围压的变化越敏感;⑤颗粒粒径及孔隙排列方式影响破碎煤样渗透性能,不同粒径破碎煤样随孔隙率的减小,渗透率整体减小,非Darcy流β因子呈增大趋势,其中渗透率的量级为10~(-14)～10~(-10) m~2,非Darcy流β因子的量级为10~7～10~(11)m~(-1)。所得研究结论有助于增强深部破碎煤岩体渗透特性演化规律的认识。     

轴向动荷载作用下煤系石灰岩损伤特性研究

为降低在巷道支护、掘进的过程中，工程扰动、爆破等活动对围岩稳定性的影响，开展煤系石灰岩在不同冲击荷载下的损伤特性研究；使用霍普金森压杆进行不同冲击荷载下的冲击试验，利用LS-DYNA有限元软件模拟石灰岩破碎过程，对破碎后各粒度质量分数、应力-应变曲线、峰值应力-平均应变率曲线及石灰岩破碎过程分析。结果表明：随着冲击荷载增大，峰值应力、平均应变率逐渐增大，试件破碎程度愈发严重，且峰值应力与平均应变率呈近似线性关系；不同冲击荷载下，试件破碎遵循由边缘向中心扩展、由内部裂隙间挤压破碎向外部发育的规律，其破坏过程分为裂隙闭合阶段、近似弹性阶段、裂隙急速发育阶段和快速卸载阶段；峰值应力、试件破碎程度以及试样破碎能量耗散受应变率影响显著。     

应力传递对垮落岩体空隙率空间分布的影响

垮落岩体空隙率空间分布特征将直接影响采空区瓦斯涌入工作面。本文基于离散单元法,通过自主编程模拟了垮落岩体的压实过程,研究了岩块间应力的传递和演化对垮落岩体空隙率分布的影响。结果表明:垮落岩体内应力主要通过强力链向下传递,压缩量较小时,强力链主要集中在垮落岩体上部,使上部岩块受力大于下部,随压缩量增大,强力链向垮落岩体下部延伸,使上部的高应力区不断向下扩展。由于垮落岩体下部岩块受外力扰动较小,导致垮落岩体下部空隙率高于其他层位,其中下部空隙率为上部的1.1～1.4倍。垮落岩体空隙与力链空隙均呈现双峰分布,随压缩量增大,力链出现断裂,力链空隙进行重组,使岩块出现滑移,导致垮落岩体内部分大空隙分裂为小空隙。     

基于CT扫描的饱和破碎灰岩侧限压缩下微观结构演化特征

为探求破碎岩体在压实过程中微观结构的演化规律,对饱和破碎灰岩进行侧向受限压缩试验,进行了试样内部微观结构形态的显微CT扫描;定量描述了压实过程中灰岩颗粒的破碎程度,分析了孔隙度与颗粒平均粒径之间的关系;基于图像处理技术,定量分析了颗粒表面形貌的演化规律。试验结果表明：在饱和破碎灰岩压实过程中,颗粒破碎现象普遍存在,试样内部孔隙被压缩或充填,孔隙间连通性变弱。颗粒的初始配比影响试样孔隙度,相同轴向应力下,随着Talbot指数的增大,试样孔隙度单调增大。孔隙度与颗粒平均粒径之间满足线性关系,孔隙度的变化可以作为描述颗粒破碎程度的一个有效参量。随着轴向应力的增大,颗粒的圆形度单调减小,颗粒表面形貌越来越规则,圆形度与轴向应力之间满足指数关系。该研究有助于深入了解破碎岩体的变形机制。     

断层破碎带岩体孔隙结构表征与非线性渗流特性

为揭示煤矿开采断层破碎带突水灾害发生机理，有必要深入研究断层破碎带岩体的孔隙结构和渗透特性。研制了破碎岩体渗流-应力耦合试验装置，提出了应力作用下级配破碎岩体孔隙结构测试和渗流试验方法，研究了应力和级配对破碎岩体孔径分布特征、孔隙分形特征和非线性渗流行为的影响规律，构建了基于核磁共振的承压破碎岩体渗透率预测模型。试验结果表明：(1)颗粒分形维数为2.6的连续级配和间断级配破碎岩体的孔径分布均为三峰结构，级配破碎岩体中小颗粒的缺失会导致孔隙率和最大孔径增大，降低破碎岩体的压缩性，增大应力可促使渗流孔向束缚孔转变，降低破碎岩体的压缩性。(2)渗流孔隙率对级配破碎岩体渗透率起主导作用，束缚孔隙率对渗透率的影响较小，增大应力会降低破碎岩体渗透性，大颗粒的缺失会导致级配破碎岩体渗透率减小。(3)连续级配和间断级配破碎岩体的非线性渗流特性均可用Forchheimer方程描述，应力影响下破碎岩体的渗透率和非Darcy流β因子变化趋势相反，小颗粒的缺失会导致级配破碎岩体非Darcy流β因子减小。(4)构建了基于核磁共振的级配破碎岩体渗透率预测模型，通过剔除束缚孔的影响并引入渗流孔的加权贡献，可显著提高...     

承压破碎煤体碎胀系数演变特征与机制

利用自制的承压破碎煤体渗流及自燃测试装置,实验测试及分析了破碎煤体在应力、应力-温度、应力-水分不同条件下的碎胀系数的演变特征与机制。研究结果表明：① 煤样随着应力增加,碎胀系数变化具有明显的阶段性,且随应力变化服从负指数变化规律;② 在相同的轴压下,碎胀系数随温度升高而增加,热膨胀效应明显,说明采空区煤自燃的热效应将造成破碎煤体的碎胀系数增大,堆积更为松散;③ 当破碎煤体外在水分含量增加,在相同的轴压情况下,碎胀系数随外在水分增加而增加。说明随着采空区破碎煤体外在水分的增加,破碎煤体的碎胀系数将增大;④ 破碎煤体在应力、热膨胀及湿膨胀作用下,堆积体内部颗粒发生相对移动、二次破碎、颗粒自组织再堆积,致使应力-应变曲线发生变化,进而影响其碎胀系数。     

煤堆非均质分布及其自热研究

为了掌握煤堆内的非均质分布状态以及非均质煤堆的自热过程,利用颗粒动力学原理提出了基于颗粒下落堆积演化规律的堆体数值重构方法,研究了不同倾倒高度和颗粒粒径下所形成堆体的内部空隙分布情况,将所得空隙分布变化规律及与空隙关联的变量编成自定义函数、进行非均质煤自热模拟,分析非均质煤堆内部温度场、压力场、组分浓度场的变化。结果表明,空隙率随堆体内部垂直方向距离的增加而先减小后增大,而在内部相同高度的水平方向上空隙分布近乎均匀;0.55～0.95 m的倾倒高度大小变化以及1.1～1.9 cm的粒径粗细变化对堆体内部空隙率影响较小;非均质煤自燃中,高温区域逐渐缩小成靠近迎风侧、背风侧与底部接触的两个温度极高、对煤堆安全威胁最大的点。     

承压破碎煤体渗透特性参数演化实验研究

为研究承压破碎煤体渗透特性参数演化规律,利用自主设计的承压破碎遗煤渗透率演化实验装置,开展了不同粒径配比煤样在不同轴压下的渗透率演化实验。实验结果表明:(1)在相同应力作用下,随着煤样粒径的增大,其渗透率逐渐变小,且较大粒径范围煤样的渗透率较小;在应力增加量相同的条件下,随着煤样粒径的增大,其渗透率的变化率越大,且混合粒径范围较大煤样渗透率的变化率均高于单一粒径或粒径范围小的煤样的变化率。(2)在较低孔隙压力范围内,煤样的渗透率均随孔隙压力的增大呈现出降低趋势,且存在一个轴压的临界值(9 MPa左右)。当轴压小于该临界值时,随着孔隙压力的增加,煤样渗透率的变化趋势更明显;而当轴压大于该临界值时,煤样渗透率的变化趋势较为平缓。(3)加载初期,随着孔隙率的减小,渗透率近似线性下降;当轴压达到9~12 MPa时,渗透率随孔隙率的下降较为平缓;继续增加轴压,渗透率随孔隙率的减小而急剧降低。     

级配破碎煤岩体压实过程中再破碎特征研究

为研究承压破碎煤岩体压实与再破碎特征,根据破碎煤岩体的力学特征与孔隙结构的稳定性将破碎煤岩体的压实变形过程分为塑性失稳、应力恢复与类原岩应力3个阶段,再通过获有专利权带侧限的破碎煤岩体压缩实验系统以分级加载的方式对不同Talbol指数n的破碎煤样进行压实试验.研究表明:在整个压实过程中,由煤样颗粒位移重组引起的变形大于由破碎填充引起的变形;随着应力的增大,各组试样中小粒径的颗粒不断大幅增加,其中M-4组试样增幅最大,增加了389.4 g,其余大粒径的颗粒不同程度的减少,4组试样承载后的粒度分布均趋近于同一种稳定的级配结构;分形维数轴向应力间符合幂函数关系,且应力一样时,n越大,混合破碎煤样的分形维数变化率越大;给出破碎煤岩体承压过程中压缩模量的计算公式,并发现相同应力条件下n越大,破碎率变化率越大,混合破碎煤岩体的稳定性越差,为采空区安全治理与预防地表沉降提供了有力的理论指导.     

水力压裂裂缝内支撑剂颗粒空隙率分布的形成机制

为了解水力压裂裂缝内支撑剂颗粒空隙率的演变,采用数值模拟方法模拟了裂缝内支撑剂颗粒在不同应力下的压缩过程,通过研究裂缝内支撑剂的接触力及配位数分布揭示了其空隙率分布的形成机制。结果表明:裂缝内支撑剂颗粒空隙率自下而上呈缓减小-急减小-缓减小-急增大-缓增大的分布趋势;将其分为底层、中层和顶层3个层位,相同应力状态下,底层支撑剂间接触力最弱为应力衰减区,平均配位数最小,空隙率最大;中层支撑剂间接触力最强为应力承受区,颗粒向下传递力的能力最弱,平均配位数最大,空隙率最小;顶层颗粒向下传递能力最强为应力传递区,支撑剂间接触力较弱,平均配位数和空隙率介于应力承受区和应力衰减区之间。     

破碎砂岩承压变形时间相关性试验

破碎岩石的承压变形具有明显的时间效应，文中自行设计了破碎岩石承压变形仪，结合摆锤杠杆式压力机建立破碎岩石的蠕变测试方法，并针对破碎砂岩开展了相关蠕变试验研究，总结得出蠕变变形与轴向载荷、破碎块径等的关系．结果显示，在金属缸筒试验条件下破碎岩石不出现加速蠕变阶段；大载荷破碎岩样的蠕变变形余量较小载荷时小；载荷增加，稳定蠕变前的变形行程随之增加，块径对破碎岩样计入蠕变后的变形量影响逐渐减小，各块径破碎岩样的稳定蠕变曲线逐渐接近．     

破碎矸石侧限承载条件下的宏-细观尺寸效应研究

矸石充填体在承压过程中力学性能受充填体尺寸的影响较大，实验室力学参数测试结果很难反映工程实际情况。为研究破碎矸石充填体侧限承压条件下的力学性能尺寸效应，借助实验室试验和颗粒流数值模拟，从宏-细观尺度分析了破碎矸石试件的直径与径高比对其承载性能的影响。结果表明：试件直径对其宏观力学性能影响显著，随着试件直径增大其抗变形能力明显减弱；破碎矸石的孔隙率变化量随试件直径增大而增加；其压缩过程中试件两侧的矸石块发生挤压破碎，细颗粒逐步填充至试件中部，颗粒配位数随试件的可变形空间增加而增大；在应力加载阶段，颗粒逐渐破碎，颗粒力链由“环状力链”演化为“柱状力链”,平均接触力变化率表明体积大的试件更易达到抗压缩变形能力极限；矸石试件主要以拉伸破坏为主，矸石块的破碎程度随试件尺寸增加而增大。研究成果对矿山充填开采的充填物料选择具有重要意义。     

采空区破碎岩石承压变形及分形特征研究

为了研究采空区破碎岩石的承压变形及分形特征,利用自主研制的大尺寸破碎岩石变形-渗流试验系统分别对不同岩性、不同轴向应力和不同粒径级配条件下的采空区破碎岩石进行了承压变形试验。试验结果表明:破碎岩石压实后,大粒径岩块质量减少,小粒径岩块的质量增多,处于中间粒径区间的岩块质量变化趋于稳定,岩块整体体积逐渐减小;岩石的强度与岩石压缩后分形维数呈负相关关系,岩石强度越低,抗变形能力越差,压实后分形维数越大;随着轴向应力的增大,大粒径岩块质量减少速度趋于缓慢,分形维数不断增大,分形维数的增长速度逐渐减小,最后趋向于0;破碎岩石试样中的大尺寸岩块含量越多,压实后岩石试样的分形维数增量越大,岩石破碎程度较为剧烈。     

破碎矸石干湿循环长期承载变形及分形特征

为研究采空区矸石充填体干湿循环长期承载特性,运用自主研制的大尺寸破碎岩石变形-渗流试验系统,进行了破碎矸石干湿循环蠕变试验,分析了矸石岩性、轴向应力及粒径级配对破碎矸石干湿循环长期承载变形特性及分形特征的影响。结果表明:在相同轴向应力和粒径级配条件下,随岩石单轴抗压强度的增大,破碎岩石试样的碎胀系数增大,而应变、蠕变阶段的应变和碎胀系数及分形维数减小;在相同粒径级配条件下,随轴向应力的增大,破碎矸石相邻两级荷载的应变差和碎胀系数差逐渐减小,而分形维数逐渐增大;当n(Talbol幂指数)为0.5时,破碎矸石蠕变变形、压实特征值最小,n为0.3次之,而当n为0.7时最大;同时随n的逐渐增大,破碎矸石压缩后分形维数增量增大,更多的矸石颗粒被压碎。     

承压饱和破碎岩石颗粒破碎及渗透率演化特征研究

为探求破碎岩体颗粒破碎及渗透率演化规律,对饱和破碎岩石进行侧向受限下的压缩和渗透试验,利用显微CT观察试样内部的孔隙结构形态,引入相对破碎率定量研究岩石颗粒的破碎规律,并分析其与孔隙度和渗透率之间的关系。试验结果表明,颗粒破碎在压实过程中普遍存在并持续改变试样的粒度分布,在轴向应力达到2 MPa时,细小颗粒(0～2.5 mm)大量出现,占最终增加量的44.6%,同时大颗粒(12～15 mm)明显减少,占最终减小量的45.1%;而应力升至12 MPa后,小颗粒(0～2.5 mm和2.5～5 mm)小幅变化,其余各粒径区间内岩石颗粒的质量变化微弱。相对破碎率和渗透率的变化范围分别为0～0.369 3和3.48×10~(-14)～67.16×10~(-14)m~2,且两者的变化过程均可分为2个阶段,即当轴向应力小于4 MPa时,相对破碎率快速增大,占总增幅的65.6%～74.1%,渗透率快速减小,占总降幅的84.4%～91.1%;而当轴向应力大于4 MPa时,相对破碎率缓慢增大并趋于稳定,渗透率缓慢减小并趋于稳定。渗透率与相对破碎率之间关系可用二次多项式函数拟合,相对破碎率可作为评估渗透率的有效参量。初始粒径配比对渗透率有明显影响,在相同轴向应力下,Talbot指数越大,渗透率越小;而初始粒径配比对相对破碎率几乎无影响。     

初始侧压作用下破碎岩石压实特性试验研究

在实验室通过自制可变初始侧压作用下煤岩压实承载实验装置配合刚性试验机，对4组12个碎石试件进行了4种不同初始侧压作用下破碎岩石压缩承载试验，分析了初始侧压作用下碎石压缩的轴向应力-应变特征，确定了初始侧压与碎石的变形、压实关系，研究了变化侧压与不同初始侧压下碎石轴向应变发展规律。结果表明:初始侧压越大，碎石应力-应变曲线上挠趋势越明显，且曲线越趋光滑，表明碎石颗粒间空隙越小、棱角越趋圆钝及碎石承载载荷越大；随着初始侧压增加，碎石轴向应变与横向应变呈加速减小趋势，不同初始侧压下轴向应变比与横向应变比分别是1.74∶1.65∶1.39∶1与2.51∶2.23∶1.72∶1；碎石初始侧压越大，碎石压实系数越小，碎石初始侧压与压实系数关系可用二次多项式表征；随着轴向应变增加，变化侧压呈增加趋势，初始侧压越大，曲线斜率越小，轴向应变与变化侧压呈线性正相关；初始侧压越大，碎石变化侧压越小，且初始侧压与变化侧压仍可采用二次多项式表征，合理初始侧压有利于碎石承载稳定。     

细粒含量对高应力尾砂不排水剪切强度特性的影响

通过三轴固结不排水试验,对饱和尾砂的剪切强度特性和颗粒破碎特性进行研究,讨论了试验中尾砂在不同细粒含量和围压条件下的应力-应变关系、孔隙水压力特性、应力路径和颗粒破碎程度。试验结果表明：在细粒含量小于15%时,高应力尾砂的剪切强度和软化程度随细粒含量的增大而减小。增加细粒含量使得孔隙水压力达到更高值,不同细粒含量时应力路径均属于完全软化-剪缩模式。颗粒破碎程度随着细粒含量的增大而减弱,且颗粒破碎程度与围压之间呈幂函数型增长关系。为此,建议在实际工程中尽可能采用粗颗粒尾砂筑坝,或采取其他工程措施,以提高尾矿坝体的稳定性。