真三轴路径下含瓦斯复合煤岩体渗流及力学破坏特性

深部开采扰动下“煤体-岩体”复合系统发生整体破坏失稳是导致煤岩瓦斯复合动力灾害发生的主要原因之一。为了研究煤岩瓦斯复合动力灾害发生机理,采用真三轴气固耦合煤岩渗流试验系统,以人工压制具有过渡界面的复合煤岩体试件为研究对象,进行了5种不同真三轴应力路径下含瓦斯复合煤岩体渗流特性及力学破坏特征试验研究。结果表明,真三轴路径下含瓦斯复合煤岩体强度符合Mogi-Coulomb准则,相比于其他试验路径,真三轴加载路径下试件强度最大,复合加卸载路径下试件强度次之,σ₂、σ₃发生转换时,试件强度显著降低;试件破坏时,真三轴复合加卸载路径下试件渗透率增长倍数最多,真三轴卸载路径次之,真三轴加载路径下试件渗透率增加倍数最少,σ₂、σ₃发生转换时试件渗透率显著增大;此外,复合煤岩体试件破坏特征具有规律性,真三轴加载路径下,σ₁-σ₂平面煤体中出现剪切裂纹,并在煤岩交界面处交汇,真三轴卸载和复合加卸载路径下,σ₁-σ₂平面上裂纹从煤体...     

深部矿井冲击地压、瓦斯突出复合灾害发生机理

为了探索深部矿井冲击地压、瓦斯突出复合灾害机理,为复合灾害的有效监测与防治提供理论基础,通过试验研究和理论研究相结合的研究方法,研究了瓦斯对煤岩体力学性质和冲击倾向性的影响,建立了圆形巷道冲击地压、瓦斯突出复合灾害模型并进行了解析分析,探讨了冲击地压和煤与瓦斯突出的诱导转化机理。结果表明:随着瓦斯压力的增大,煤岩体强度降低,弹性模量减小,峰值应变减小,冲击倾向性降低;煤岩体应力存在一个临界值,当煤岩体应力超过临界煤岩体应力时,系统失稳发生冲击地压、瓦斯突出复合灾害;冲击地压、瓦斯突出复合灾害的临界煤岩体应力随瓦斯压力的增加而减小,随煤岩体强度的增大而增大,随冲击倾向性的增大呈现先减小后增大的趋势;冲击地压诱导瓦斯突出多发生在煤岩体中存在含气封闭断层等储气构造或煤层底板含有高弹性模量岩层(夹层)等情况,瓦斯突出诱导冲击地压多发生在软硬煤相间、相互包裹的煤层或突出过程中破碎煤岩体的抛出形成较大的空顶面积等情况。     

煤岩动力灾害能量机理的数值模拟

根据煤岩固体变形能和瓦斯气体膨胀能,建立了煤岩动力灾害统一能量方程,在数值模拟软件FLAC3D中编写了能量计算模块,并考虑采动应力波动载和流固耦合的条件分析了不同瓦斯初始压力作用下巷道围岩的能量分布状态,解释了深部开采条件下在一些含瓦斯煤层中出现的兼具冲击地压和煤与瓦斯突出2种灾害特征的动力灾害现象。认为瓦斯的不同参与程度导致了不同的动力灾害显现特征,瓦斯参与动力灾害的程度可由瓦斯压力或瓦斯含量来表征;煤体中瓦斯压力存在一个临界范围,当瓦斯含量高于此临界值范围时,动力灾害以煤与瓦斯突出的特征为主,反之则以冲击地压的特征为主;在低瓦斯压力下,瓦斯膨胀能量也具有与煤岩体变形能相当的数量级,对含瓦斯煤层的冲击地压研究不可忽视瓦斯的作用。     

真三轴加载条件下含瓦斯煤体复合动力灾害及钻孔卸压试验研究

煤与瓦斯突出、冲击地压等动力灾害严重威胁矿山安全高效生产。煤矿进入深部开采后,受原岩应力升高及地质赋存条件变化的影响,冲击与突出复合型动力灾害呈逐渐增多趋势,其发生原因、机理较单一动力灾害更为复杂。因此研究深部煤矿复合动力灾害致灾机理对于动力灾害的有效防治至关重要。本文基于自主研制的"多功能真三轴流固耦合试验系统",进行了考虑气体影响的完整煤样和卸压孔煤样的5面加载、单面临空试验。结果表明,复合动力灾害是煤岩在应变能和气体内能作用下非线性瞬发性破坏的动态过程。其发生过程具有明显的阶段性,主要经历颗粒弹射、碎片弹射、局部煤体破坏、煤体抛出失稳和重新平衡状态,煤样破坏后形成明显弧形阶梯状煤体抛出坑。中间主应力在一定范围内有增强煤样强度的特性,试样强度随中间主应力的增加而逐渐增加,试样破坏后形成平行于中间主应力方向的主断裂面。钻孔卸压措施可在一定程度上改善煤岩力学性质,软化煤岩结构,降低煤岩强度,增强其塑性变形特性,使集聚的弹性能量缓慢释放,降低动力灾害发生的可能性。对比试验结果表明,卸压孔平行于中间主应力时煤样产生的塑性区范围更大,塑性程度更强,钻孔后的试样破坏后形成明显的阶梯式层裂结构,与未钻孔和其他钻孔布置方式相比,致灾程度弱化,无明显动力显现特征,卸压效果更好。卸压钻孔主要通过优化能量释放结构,促进煤岩渐进式损伤,最终煤岩趋于静态缓慢式破坏。针对现场具体工程条件,提出了根据实际地应力、地质条件等布置卸压钻孔方位的技术方案和可行的治理措施。     

煤与瓦斯复合体受载变形破坏特征及微震-电荷感应规律

针对冲击地压-煤与瓦斯突出复合动力灾害预测手段欠缺、前兆信息监测方法不完善这一工程现状,利用自主研发的高频微震全波形实时监测系统和电荷感应监测系统开展了煤与瓦斯复合体受载变形破坏试验,分析了不同瓦斯压力下煤与瓦斯复合体变形破坏特征及微震信号和电荷感应信号显现规律的关系,以及瓦斯压力对3者的影响。结果表明:煤与瓦斯复合体变形破坏可分为3个阶段,即弹性阶段、屈服强化阶段和破坏阶段,随着瓦斯压力的增大,煤与瓦斯复合体的抗压强度、弹性模量和软化模量减小,冲击倾向性降低,弹性和屈服强化阶段持续时间缩短;煤与瓦斯复合体变形破坏过程中有微震信号和电荷感应信号产生,且两种信号的峰值振幅均出现在煤与瓦斯复合体的破坏阶段;随着瓦斯压力的增大,微震信号和电荷感应信号数量增加且越来越分散,振幅增大,峰值振幅对应的应力降速率增大,同时,微震信号峰值振幅所在波形的起始振幅增大,峰值振幅前移,且越来越接近起始振幅。煤与瓦斯复合体中瓦斯压力越大,越容易发生冲击地压-煤与瓦斯突出复合动力灾害,通过微震信号和电荷感应信号的监测能够在一定程度上判断复合体所处的变形破坏阶段,结合瓦斯压力大小可预判复合动力灾害的类型和危险性。     

震动载荷下含瓦斯煤动力学特征

为了研究震动载荷下含瓦斯煤动力学特性,建立了含瓦斯煤霍普金森压杆试验系统,考虑轴向静载、围压、瓦斯压力和动载荷冲击速度4个因素,开展了含瓦斯煤动力学试验,通过采集入射波、反射波和透射波信号,分析了震动载荷下含瓦斯煤动态应力应变曲线变化规律,研究了含瓦斯煤峰值强度和峰值应变与有效轴向静载、有效围压和动载荷冲击速度的关系。研究结果表明:震动载荷下含瓦斯煤动态应力应变曲线无压密阶段,初始加载应力就随应变呈"线弹性"增加趋势;随着应变进一步增加,应力变化先趋于平缓又快速增加,该曲线表现出"跃进"特性,这与炭在晶体微破裂中的作用有关;峰后试样未产生宏观破坏,弹性能释放造成应力应变出现"回弹"现象。含瓦斯煤峰值强度随有效轴向静载呈指数增加、随有效围压呈线性增加、随动载荷冲击速度呈先增加后减小;含瓦斯煤峰值应变随有效轴向静载呈线性增加、随有效围压呈指数衰减、随动载荷冲击速度增大而增加。震动载荷下含瓦斯煤应变率效应明显,在应变率低水平阶段,含瓦斯煤峰值强度和峰值应变随应变率增加而增加,超过临界应变率,含瓦斯煤峰值强度和峰值应变将保持稳定。该研究有助于完善含瓦斯煤动力学,为矿井动载荷诱导的含瓦斯煤动力灾害防治提供借鉴。     

煤与瓦斯突出、冲击地压复合动力灾害一体化研究

随着煤矿向深部开采,一些矿井动力灾害既表现出煤与瓦斯突出的部分特征,又有冲击地压的部分特征,2种动力灾害互为共存、互相影响、相互复合,难以界定为单一灾害类型,为此提出煤与瓦斯突出、冲击地压复合动力灾害的概念。通过复合动力灾害一体化理论研究,揭示了复合动力灾害发生的统一机理,据此建立了统一失稳判别准则;基于现有动力灾害分类所存在问题,将动力灾害划分为4种类型,在此基础上,针对矿井复合动力灾害类型创新研发了钻屑法多指标一体化检测及煤体温度、煤体电荷实时连续监测设备,形成了复合动力灾害一体化分类分级预测技术;同时,提出了瓦斯抽采、深孔爆破断顶-破煤-断底卸压、煤层注水等消减瓦斯内能、释放煤岩弹性能的复合动力灾害一体化防治技术。     

煤矿深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控理论与技术架构

煤矿进入深部开采后,煤岩体物性、应力、瓦斯等因素发生显著改变,开采覆岩扰动范围及动静载荷显著增大,矿井群联动致灾效应与大型地质体控制效应显现,冲击地压、煤与瓦斯突出灾害并存甚至相互转化,煤矿深部开采煤岩动力灾害防控已成为当前亟待解决的问题。针对我国煤矿深部煤岩动力灾害孕灾条件复杂且尚不清楚,相互转化机制不清,快速探测手段、科学有效的防控技术与装备缺乏的现状,凝练了深部开采煤岩动力灾害防控的关键科学技术问题,提出了多尺度分源防控深部煤岩动力灾害的思想,确定了深部开采煤岩动力灾害防控技术的攻关方向,构建了煤矿深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控理论与技术架构,最终将形成我国煤矿深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控理论与技术体系,为我国煤矿深部开采冲击地压、煤与瓦斯突出和复合煤岩动力灾害有效防控提供理论支撑和技术途径。     

动静组合加载下煤体力学响应及能量演化规律试验研究

采掘工作面煤体的力学响应和能量演化特征与煤矿动力灾害的发生息息相关。采用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统开展了动静组合加载下煤体冲击试验，分析了不同动静组合条件下煤体力学性质与能量演化规律。试验结果表明：煤体动态强度具有明显的轴压与应变率效应，随着轴压的增加先增加后减小，但与应变率呈正比关系；动静组合加载下煤体宏观破坏模式具有拉剪破坏与“爆炸式”粉碎破坏两类，轴压控制煤体宏观破坏模式的转变，冲击速度控制煤体的破坏程度；煤体耗散能可定量表征动静组合加载下煤体的破碎程度，煤体破碎分形维数与耗散能呈弱幂函数增长关系。研究成果为揭示深部煤岩体动态失稳机理提供了理论支撑。     

煤矿深部开采煤岩动力灾害防控理论基础与关键技术

煤岩层赋存条件决定了煤矿深部开采条件下煤岩动力灾害的发生机理更趋复杂、防控难度显著增大,如何解决煤矿深部开采煤岩动力灾害防控问题,直接影响我国煤矿的安全生产和能源的有效供给。针对"煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究"这一科学命题,基于冲击地压"三因素"机理和煤与瓦斯突出的综合作用假说,从煤岩动力灾害防控理论基础、关键技术和防控实践等3个方面,梳理澄清了煤矿煤岩动力灾害防控中的一些模糊概念,建立了用于统一描述冲击地压和煤与瓦斯突出发生机理的广义"三因素"("物性因素"、"应力因素"及"结构因素")理论,确定了我国煤矿典型冲击地压的4种类型(煤层材料失稳型、煤层结构失稳型、顶板断裂型、断层滑移错动型),分析了影响冲击地压和煤与瓦斯突出的主要因素,从思想认知、原则方法及技术核心等方面凝练了煤岩动力灾害多尺度分源防控技术,提出了深部开采冲击地压巷道"三级"吸能支护思想与成套技术,开发了煤与瓦斯突出井上下联合抽采防控技术和超高压水射流"横切纵断"防治复合煤岩动力灾害技术,并在现场开展了应用试验。煤矿深部开采煤岩动力灾害防控理论与关键技术的建立与完善,为我国今后煤矿煤岩动力灾害的防治提供了科学依据。     

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。     

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。     

深部矿井复合构造区冲击地压预警方法

以孟村煤矿中央大巷复合构造区周期性冲击地压为背景,在矿井现有的冲击地压监测系统的基础上,根据动静载叠加诱冲原理和冲击启动理论,提出以静载荷的积聚位置、积聚周期和动载荷的来源、供给时间为深部矿井复合构造区冲击地压"四要素"的周期性预警方法.分析认为,深部矿井冲击地压主要因素为静载荷,发生冲击地压的前提条件是静载荷必须重新...     

动力扰动诱发煤层大巷冲击地压机理及其防控技术

为了提高深部矿井煤层大巷冲击地压动力灾害防控效果,基于高家堡煤矿冲击地压灾害发生特点与工程地质条件,通过动静载组合控制煤岩动态破坏的普适性理论方法进行探究,揭示了高家堡煤矿煤层大巷冲击地压致灾机理,明确了动静载复合应力场动力灾害防控途径.在此基础上,考虑煤层大巷服务年限长、 围岩应力集中程度高等特点,结合动力扰动诱发大...     

厚基岩采场弱胶结岩层动力溃砂机制研究现状与展望

我国西部矿区黄陇、宁东两大煤炭基地发生的采场顸板溃水溃砂与强矿压显现叠加灾害是一种厚基岩采场顶板弱胶结岩层动力溃砂灾害.该灾害类型在表象、物源和动力源上均不同于以往浅埋、近松散层采场的非动力溃水溃砂灾害,是一种新型的采场顶板灾害.由于该类型灾害突发性强、破坏性大、冲击力大,对安全生产带来严重威胁,致使如何有效防控灾害的...     

冲击载荷下三轴煤体动力学分析及损伤本构方程

为研究冲击载荷下三轴煤体的动力学特征,建立了三轴分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,开展了轴向静载、围压和冲击载荷随机组合的动态冲击试验,研究了三轴煤体在冲击载荷下的动力学特性。实验结果表明:冲击载荷下三轴煤体动态应力应变曲线无压密阶段,轴向预静载有助于使煤体原生裂隙闭合,初始加载就表现出完整弹性体的特征;当应力达到峰值强度的60%～85%阶段时,应力应变曲线呈现"跃进"现象,可能与碳在晶体微破裂中的作用有关;当应力超过煤体动态强度,试样破坏,应力降低。冲击载荷下三轴煤体动态强度和破坏应变与平均应变率高度线性相关,应变率效应明显,应变率效应使得不同轴向静载、围压和冲击载荷因素对煤体动态强度和破坏应变的影响具有可比性。基于岩石力学强度理论和统计损伤理论,建立了冲击载荷下三轴煤体动态损伤本构模型,该模型综合考虑了轴向静载、围压和冲击载荷等因素,明确地反映了3种因素对煤体动力学特征的影响,轴向静载会劣化煤体,造成动态强度降低,围压和冲击载荷有助于提高煤体的动态强度,理论模型反映的特征与试验结果相吻合,并通过建立的本构模型和试验应力应变数据拟合了理论应力应变曲线,其与试验应力应变曲线基本重合,且应变率越高,一致性越好。     

瓦斯压力对煤样冲击倾向性的影响试验研究

以深部高瓦斯矿井复合动力灾害为研究背景,以瓦斯压力对煤样的冲击倾向性的影响为研究目的,以RMT-150C型岩石力学试验机为载体,研发含瓦斯煤岩单轴压缩条件下受载变形破坏实验装置,并结合XL2101C程控静态电阻应变仪组成含瓦斯煤单轴压缩实验系统,进行含瓦斯煤的冲击倾向性指标测定试验。试验结果表明:煤样在充气过程和吸附瓦斯过程均存在扩容现象,煤样体积随瓦斯压力的增大而增加,吸附过程煤样体积变化分为两个阶段:加速变形阶段和平缓阶段;随着瓦斯压力从0增加到2 MPa,煤样的动态破坏时间增加547.64%,煤样的弹性能量指数、冲击能量指数和单轴抗压强度分别降低85.29%,96.24%和58.78%,综合评价结果为冲击倾向性降低。     

磷块岩在动静加载作用下的破坏特性研究

在磷矿掘进开挖过程中,磷块岩在深部围岩开挖的扰动下,处于动静结合的应力状态,呈现不同程度的 开采破坏现象。 通过在室内展开不同预静载作用下的动静组合三轴试验,分析磷块岩在不同加载环境下的应力—应 变曲线与破坏模式,研究磷块岩在不同动静加载作用下的破坏特性。 结果表明:①动力扰动后的,磷块岩三轴抗压强 度比其在常规三轴静荷载试验下测得的强度低;②磷块岩所受围压相同时,随着其所受预静载水平的提高,磷块岩受 动载扰动程度逐渐降低,且变形破坏程度更明显;③磷块岩所受轴向预静载力相同时,随着其所受的围压越大,磷块 岩在动静组合下的抗压强度越大。