一维动静加载下组合煤岩动态破坏特性的试验分析

依据动载诱发冲击地压是动静组合加载下煤岩体结构失稳这一科学认识,采用改进的霍普金森杆,开展一维动静加载下组合煤岩动态破坏特性的试验研究.选取强度和碎片分维作为特征参数,采用4种典型轴压,进行不同应力波能量下的冲击试验.获得组合煤岩的动态强度和碎片分维随动静载荷的变化规律,从而揭示裂隙数目、煤岩结构特性及动静载荷对组合煤岩破坏失稳的影响.结果表明:组合煤岩试样的动态强度和碎片分维随应力波能量的增大而增大,随静载的增大呈现先增大后减小的趋势.含有裂隙越多的组合煤岩对高动载的抵抗能力越强,而破坏的剧烈程度越低,说明煤层卸压措施不但能增强煤岩体结构对高动载的抵抗能力,还能降低冲击发生的剧烈程度.煤岩体结构特性增强了煤层对动静载荷的抵抗能力以及煤层破坏的剧烈程度;同时结构特性削弱了高动载对煤层的作用效果,而加强了高静载的作用效果,其原因在于动、静载荷作用的时间尺度差异较大.     

液氮超低温诱导岩石类材料裂缝形成机制研究

液氮压裂是一种采用温度极低的液氮对储层进行压裂的方法。与常规压裂方式不同,液氮的超低温作用会使得储层岩石温度急剧降低,产生强烈的温度应力,诱导储层岩石产生裂缝。为探究液氮超低温作用诱导岩石裂缝的起裂和扩展机制,分别对裸眼井筒、预制裂缝和水力裂缝进行液氮超低温冲击作用模拟实验,获得诱导裂缝分布特征,并测量超低温冲击作用过程中井筒径向和预置裂缝法向温度场变化,研究最大拉应力准则和应力强度因子断裂准则,判定超低温诱导裂缝扩展范围的适用性。结果表明,超低温诱导裂缝主要垂直于裸眼井筒井壁、预制裂缝和水力裂缝等已有裂缝面起裂,且诱导裂缝两侧同样会出现垂直于诱导裂缝起裂的次级诱导裂缝,形成复杂裂缝网络。根据超低温诱导裂缝扩展尺度的实验结果,提出采用最大拉应力准则和应力强度因子断裂准则分别判定诱导裂缝扩展长度下限和上限的方法。此外,提出水力压裂结合液氮压裂改造储层的方法,并进行实验验证。研究结果为液氮压裂可行性和设计提供了依据。     

循环冷冲击作用下煤的渗透性变化规律试验研究

为了研究循环冷冲击处理对煤体增透作用的影响,利用SLX-80型高低温处理系统对原煤煤样进行多次循环冷冲击处理,并利用电子天平和三轴瓦斯渗流实验系统分别测定了煤样冷冲击处理前后的质量变化和渗透率增加幅度,对比分析了冷冲击处理前后煤样表面的裂纹分布情况。试验研究结果表明,循环冷冲击处理所产生的热应力超过煤体抗拉强度时会在煤体内部形成新的裂缝,增加原始裂缝的有效宽度,从而提高了煤体内部裂缝连通的有效性,有效改善了煤体渗透性;循环冷冲击处理后煤体渗透率的平均增幅为16%～215%,煤体渗透率增幅大小与处理后的裂纹增加数量及其连通性紧密相关;煤岩材料的非均质性、外部应力载荷及“负损伤”效应的影响使得循环冷冲击处理后的煤体渗透率增幅具有明显的随机性,并呈现出非均匀波动变化特征;循环冷冲击处理所产生的收缩-膨胀效应会引起煤体部分碎块脱落,最终导致煤体质量减小,循环冷处理后煤体的平均质量减幅为0.151%。     

高压电脉冲水力压裂法煤层气增透的试验与数值模拟

为了提高低渗透性煤层气的抽采效率,揭示高压电脉冲水力压裂技术对煤体产生裂缝的效果及裂缝的扩展演化规律,通过实验室试验,对煤样进行单纯静水压裂(3 MPa)和相同水压力(3 MPa)、不同放电电压(5,10 k V)条件下的高压电脉冲水力压裂试验,应用CT扫描技术分析了煤样内部裂纹的起裂、发展、分布情况;建立数值模拟分析水压电脉冲作用下裂隙的发展规律和裂缝周边的应力分布情况。研究结果表明:在相同静水压力作用下,高压电脉冲水力压裂煤层比单纯静水压力致裂效果明显;放电电压越高,在裂隙尖端产生的拉应力值越大,煤体易产生疲劳损伤破坏,裂隙易产生、易发展;放电电压越高,裂纹数量越多,裂纹的起裂时间更早,裂缝延伸长度更长,宽度更宽,致裂效果更好;可证明高压电脉冲水力压裂煤层方法有效,技术可行。     

不同装药模式爆破载荷作用下煤层裂隙扩展特征试验研究

 为了研究炸药在不同煤岩介质中爆破所产生的裂隙扩展和力学特征,提高深孔预裂爆破对低透气性煤层进行增透的效果,在实验室搭建爆破模拟试验系统,设计穿层钻孔和顺层钻孔2种不同的装药模式,以Froude 比例法建立煤层深孔预裂爆破的试验模型,利用相似材料配比加工制备尺寸为50 cm×50 cm×50 cm的试样进行爆破模拟试验。通过超动态应变仪监测煤岩层的应变信号,利用高速摄像仪记录试样完整的裂纹萌生、扩展、贯通直至试样破坏的全过程,分析爆破载荷作用下试样的动态力学特性和裂纹扩展特性。研究发现,裂纹主要是由压缩波与卸载波共同作用形成的,裂纹扩展方向与炮孔轴线方向垂直;在煤岩介质中实施穿层钻孔爆破的爆破效果优于顺层钻孔煤层爆破效果,当爆破应力波从煤层入射到岩层后,出现反射拉伸波,反作用于煤体上,加剧煤岩不同爆破介质的破坏程度,促使爆破裂隙的扩展。研究成果可用于指导井下低透气性煤层深孔预裂爆破装药方式的选择,以提高瓦斯抽采效率。     

基于岩石超低温破裂机理的液氮辅助重复压裂研究

为提高重复压裂裂缝复杂程度,基于超低温作用对岩石物理力学性质的影响,提出了液氮辅助重复压裂技术,并开展了超低温条件下的岩石物理力学性质试验和液氮辅助重复压裂模拟试验。试验发现超低温作用后岩石的剪切强度、抗拉强度以及I型断裂韧性均明显减小;液氮浸泡后岩石表面产生大量微裂缝;液氮辅助重复压裂裂缝没有沿老裂缝延伸,而是发生了转向和分叉,裂缝形态更加复杂。试验结果表明,超低温作用对岩石物理力学性质影响显著,液氮辅助重复压裂技术可以大幅提高重复压裂裂缝复杂程度。     

煤岩本构关系与冲击倾向指标的力学分析

深入研究不同冲击倾向煤岩力学行为演化机制对认识和防治冲击地压具有重要的科学意义与工程价值。以弹塑性力学、岩石力学相关理论为基础,综合分析现有研究成果认为煤岩对外载荷的弹、塑性力学响应是其具有冲击倾向特征的本质原因,将煤岩峰值前塑性应变与弹性应变的比值定义为峰前损伤系数(K),以Scott模型为基础建立了煤岩本构关系,揭示了煤岩具有不同冲击倾向性的深层原因是损伤形成在受载过程的分布差异。推导了弹性能指数、冲击能量指数、峰后切线应力降模量和平均应力降模量的理论表达,随K值越小煤岩峰后盈余能越大,其冲击倾向特征越明显;将实测结果与理论值对比,弹性能指数理论值与实测结果吻合程度较高,而冲击能指数相对较低,但理论值对煤岩冲倾向性分类结果与实测值基本一致,总体上能对煤岩冲击倾向特征较好的描述。     

煤系岩石的成分、结构与其冲击倾向性关系

煤岩体的冲击倾向性是发生冲击地压的固有属性和必要条件,且影响煤岩体冲击倾向性的因素很多;而煤岩体的物质成分、岩性组构是煤岩体的内在属性,是决定煤岩冲击倾向性的内在因素。从煤岩的微观结构出发,研究煤岩的受力情况、强度特征、变形破坏过程,构建煤岩的微观组构与煤岩的宏观力学性质之间的关系模型;分析煤岩蓄能和耗能的作用机理,从而构建煤岩体的物质成分、岩性组构与煤岩的冲击倾向性大小之间的定性、定量关系。试验研究与理论分析结果表明,随着碎屑颗粒(石英)含量的增加,岩石的强度和刚性增强,受载过程中积蓄的弹性应变能增大而耗散的永久变形能减少,发生应变型冲击地压的可能性增加。随着碎屑颗粒粒径的减小,粗粒的粒柱状矿物(石英、长石等)逐渐减少,而细粒的片状矿物(云母、绿泥石、蒙脱石和高岭石等)增多,岩石的刚性减弱,在集中应力作用下,产生塑性变形所耗散的永久变形能增加,发生脆性破坏的可能性减小,岩石的冲击倾向性减小。     

深部两软煤层沿空巷道冲击地压成因与防治研究

针对两软煤层的地质条件,建立了两软煤层冲击地压发生的力学模型。通过对模型的力学分析与现场实践,得出了深部两软煤层条件下冲击地压发生的主要原因,是受上部力源层和下部稳定层夹持下的软弱冲击层出现应力集中和能量积聚,采动活动诱发积聚的能量向破碎缓和区突然释放,造成煤岩块瞬时喷出,形成冲击地压。从深部两软煤层冲击地压发生的应力条件、能量条件、物质条件和冲击地压诱发因素等方面进行分析研究,制定了转移应力、保持护巷煤柱稳定性、巷帮加固、松动帮部、形成顶板支护体阻挡结构的冲击地压防治措施,并进行了现场实践,实现了工作面安全高效无冲击开采。     

矩形断面巷道冲击地压机理研究

基于顶板剪切梁模型研究矩形巷道冲击地压发生问题,得到矩形断面巷道发生冲击地压的临界塑性软化区深度和临界载荷,分析巷道宽度、巷道高度或煤层厚度、顶板厚度等几何因素,以及煤层与顶板刚度比、煤的模量比、煤的强度参数、侧压力系数和水平应力分布指数等煤岩力学性质因素对临界条件的影响规律。结果表明:巷道顶板岩层以剪切变形破坏为主,当临界塑性区深度与临界载荷较小时,易于发生冲击地压,其发生频度较高,强度较小,破坏性较小;反之,冲击地压不易发生,其发生频度较低,一旦发生其强度会较大,破坏性较大。临界塑性区深度与巷道宽高比、初始黏聚力的大小无关,随顶板厚度、刚度比、模量比、水平应力分布指数的增加而增大,随煤层塑性软化刚度、内摩擦角、侧压力系数的增加而减小。临界载荷随巷道宽高比、煤层塑性软化刚度、水平应力分布指数的增加而降低,随顶板厚度、刚度比、模量比、初始黏聚力、内摩擦角、侧压力系数的增加而增大。     

东莞地区居住建筑夏季室内热环境调查分析

夏季针对东莞地区居住建筑室内热环境的调查表明,把空调温度设在26～27℃可以满足70%以上居民的舒适要求。通过对比分析发现,在南方典型湿热气候区长期生活影响下,人体热期望度和适应性对室内热环境的主观评价有重要的影响。基于建筑节能的考虑,在该地区适当提高室内空调设计计算温、湿度也可以满足人的热舒适要求。     

关于"热感觉"与"热舒适"的讨论

对哈尔滨市居民的热感觉与热舒适状况的调查结果表明：热感觉投票值分布频率与热舒适投票值分布频率是有差异的。对新加坡现场调查结果的分析数据也表明：热感觉与热舒适是不同的,热感觉和热舒适既仔在于稳态热环境中又存在于动态热环境中。     

关于热感觉和热舒适与热适应性的讨论

系统地论述了人体热舒适研究的发展过程,讨论了热感觉、热舒适及热适应的定义,并分析了热感觉与热舒适的差异及与热适应性的关系,得出了人们对同一热环境有不同的热感觉及热舒适性,主要是由于人体的适应性产生的。     

关于"热舒适"的讨论

指出了人体热反应研究中关于热舒适的一些模糊概念及对热舒适与热感觉关系的含混认识。分析了热舒适与热感觉的不同含义、现有的不同解释及两者的稳态和动态条件下的差别。     

连续刚构桥T构温度效应仿真分析

连续刚构桥的温度效应不容忽视,在T构阶段,温度变形影响立模标高的确定,能否对T构阶段进行温度效应的仿真计算与分析对桥梁建设提供参考在桥梁建设中有着重要意义,文中对某连续刚构箱梁桥T构阶段,通过大型应用软件ANSYS计算了温度应力及温度变形,从结构建模、加载、求解到后处理,说明了ANSYS在连续刚构箱梁桥温度效应计算中的应用,仿真分析和计算表明,对连续刚构桥T构阶段温度效应仿真计算与分析可行。     

均匀和不均匀热环境下热感觉、热可接受度和热舒适的关系

对30名受试者采用问卷调查的方式,研究了均匀热环境和不均匀热环境下人体全身热感觉、热可接受度和热舒适的关系。结果显示,在均匀热环境下,全身热感觉、热可接受度和热舒适具有较强的线性相关关系,可接受范围涵盖了(0,1.5)的热感觉投票和"舒适"与"稍有不适"标度范围内的热舒适投票;在不均匀热环境下,全身热可接受度与热舒适密切相关,而全身热感觉与热可接受度和热舒适出现分离,热感觉不均匀度是其原因。综合考虑全身热感觉和热感觉不均匀度的影响,提出了综合评价模型。经验证,该模型适用于全身热状态为中性偏热的均匀和不均匀热环境。     

上海地区适应性热舒适研究

为研究上海地区人体热感觉和适应性热舒适现状,通过环境参数测量和问卷调查结合的方式来分析和探讨室内外气候条件、服装热阻、热感觉等关系。本文主要涉及自然通风建筑内人体热感觉和热中性温度随季节变化的关系。结果表明:在适应性热舒适研究中,人体中性温度与室外环境温度具有较强的相关性,得到的上海地区适应性热舒适模型可为适合我国自身特点的热舒适研究提供依据。     

关于热舒适模型研究发展的综述

在大量热舒适模型研究的基础上,综述了模型建立的形式、研究的内容、处理问题的方法手段等,总结了目前研究中存在的问题,并对未来热舒适模型的建立和发展提出了展望。     

大连住宅冬季热环境及热适应现场调研

2011～2012年冬季对大连住宅室内热环境、居民热感觉和热适应措施进行了现场测试,并收集了36户共102份热感觉主观问卷.结果表明大连居民对热环境的接受度是93.2％,热中性温度是20.44℃,热期望温度是20.81℃,80％可接受温度区间是17.38～24.28℃.57％的受试者认为室内湿度干燥,需要采取加湿的措施.     

重庆夏季教室热环境研究

以重庆地区高校教学楼为研究对象,分析了教室室内热环境。利用问卷调查和现场测试的方法从主观和客观两方面描述了教室室内热环境状况,得出了该环境下学生可接受的热环境范围,分析了预测热感觉与实测热感觉的差异以及风速对热感觉的影响,提出了改善教室室内热环境的几点措施。