超应力卸载作用下煤样冲击破坏试验研究

煤矿采深进入千米以后,采掘工作面围岩应力普遍超过煤体单轴抗压强度,呈现围岩应力超过煤体强度的超应力现象。基于调研分析,得到煤层单轴抗压强度的分布特征以及开采深度、原岩应力与煤层单轴抗压强度之间的关系,提出了超应力集中系数的概念。采用声发射和被动CT成像技术相结合的研究方法,开展了煤样真三轴超应力卸载作用下冲击破坏试验研究,从而探究声发射波速演化与煤样宏、微观破裂的关系,揭示深地围岩对煤层的超应力加载作用及方式。试验结果表明:(1)不同的应力卸载路径下煤样冲击破坏具有显著的时间延迟效应,应力路径变化越大,其时间延迟越短;(2)三轴卸载状态下煤样的破坏形式复杂多变,多为剪切、拉伸等耦合破坏形式;总体破坏模式表现为首先沿着与轴压方向分布的主裂隙进行扩张破坏,其次在试样表面分布着许多沿轴压方向的小张拉裂隙;(3)在加载初期,煤样内部波速变化范围较小,出现少量高、低波速区;随着载荷初步增加,煤样内高波速区转移与扩展,同时波速异常区明显扩大;当载荷进一步增加,煤样内出现大面积低波速带,波速极小值不断降低,高波速区、波速异常区迅速变化转移;(4)试样宏观破裂面和波速异常丰富区、微观裂隙演化和低波速贯通区形成了较好的对应。     

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。     

不同劈裂角度下煤岩抗拉强度理论计算与试验研究

煤岩割理系统发育,采用巴西劈裂试验测定煤岩抗拉强度时,由于加载方向和面、端割理所呈夹角不同,试验结果离散性较强,无法准确描述煤岩真实的抗拉强度。假设面、端割理相互垂直,基于平面应力弹性力学,推导了割理倾角与煤岩抗拉强度的关系,依此确定了巴西劈裂试验不同劈裂角度下的煤样破坏方式,通过试验对理论计算结果进行验证,两者趋势吻合较好。研究表明:由于煤岩内部割理的存在,煤样不仅会沿加载轴线发生劈裂破坏,当加载方向与割理呈一定角度时,煤样也可能沿着面割理或端割理发生剪切破坏,煤样沿面割理剪切破坏的强度小于沿端割理剪切破坏的强度,二者均小于沿加载轴线劈裂的煤岩真实抗拉强度。     

不同层理方向煤岩单轴压缩声发射特征试验

为了研究不同层理方向的煤岩体变形破坏规律及声发射特性,选取同忻煤矿3-5#煤作为研究对象,对垂直层理和平行层理2种煤样进行单轴压缩下的声发射监测试验,分析二者在强度、变形特性、声发射计数、累计计数,能量以及累计能量特征方面的差异。结果表明:二者的破坏类型不同,垂直层理煤样呈现出崩解破坏的特性,而平行层理煤样以塑性破坏为主;平行层理煤样相较垂直层理煤样,其单轴抗压强度、弹性模量、变形模量以及极限应变均呈一定程度的降低;二者的应力-应变曲线很好地与声发射计数-时间曲线、能量-时间曲线相对应,瞬时计数峰值或瞬时能量峰值可作为煤岩破坏的前兆;2种煤样声发射特征值虽具有一定的离散性,但可以认为平行层理煤样累积能量更大,计数、累计计数和能量相对更低。     

液氮冷加载对围压煤体结构损伤的影响规律研究

采用损伤孔隙裂隙结构的方法可以提高煤体的渗透性。利用液氮冷加载实验,研究煤样孔隙裂隙结构损伤后的物理力学性质变化规律。通过卸载后煤样表面裂隙宽度、整体孔隙量的变化值,研究煤样结构损伤的物理性质,运用单轴抗压强度研究煤样结构损伤的力学性质,进而揭示液氮冷加载对煤样结构损伤的作用机理。结果表明:1)随着煤样围压的增加,煤样结构损伤程度逐渐加剧,12～13 MPa围压使煤样发生破碎;2)在注液氮条件下,冷加载加速了围压煤样结构的损伤,10～11 MPa围压下煤样发生破碎;3)煤样裂隙结构开裂方向与层理方向垂直,随着围压的增加,煤样单轴抗压强度逐渐降低,力学性能劣化。注液氮引起的温度应力可以加速煤体结构损伤,对煤体改性增透和预防冲击地压灾害提供了新的方法。     

煤层渗透性各向异性规律的实验研究

煤储层具有明显的层理特征,而层理间割理裂隙破坏了煤体的连续性和整体性,从而导致煤层渗透率各向异性。针对这一特征,沿垂直煤层层理、平行层理垂直面割理和平行层理垂直端割理三个正交方向取芯,采用自主研发的煤岩三轴吸附解吸渗流试验系统,在不同围压和气体压力下,对煤样的面割理、端割理、垂直层理方向上的渗透率进行测试分析,结果表明:不同气体压力下,无论是割理方向还是垂直层理方向上渗透率均随着围压增大而减小。在气体压力较低时,面割理方向的渗透率较大,气体压力对端割理方向和垂直层理方向渗透率影响不大。     

三轴压缩煤岩强度及变形特征的试验研究

在MTS815岩石伺服试验机上对鲍店煤矿3煤进行了常规三轴压缩试验,并对试验结果进行了分析.结果表明：煤岩由于含有大量的微孔隙裂隙,在围压作用下,孔隙裂隙被压密闭合,弹性模量随之增大,但并非呈线性关系.在常规三轴压缩条件下,煤样三轴压缩强度与围压之间呈线性关系（不包括单轴压缩情况）,在实验的围压范围内,煤岩破坏符合Coulomb强度准则,但由于煤样具有明显的非均质特性,其内部含有大量的随机裂隙等缺陷,且煤样黏聚力较低,煤样沿随机裂隙破裂偏离θ=45°+Φ/2的可能性很大.     

基于间接拉伸试验的煤岩层理效应研究

采用多种先进的宏细观测试手段,探究煤的层理构造和矿物分布。进行加载方向与煤岩层理面平行和垂直的间接拉伸以及实时声发射(AE)试验,分析了煤的破坏机理、拉伸力学特性以及在拉伸过程中声发射时空序列特征和损伤变量演化的层理效应。研究表明:方解石矿物主要沿煤层理面分布,对裂隙的萌生和发展起着关键作用;加载方向平行和垂直于层理面煤岩的抗拉强度分别为0.706和1.039 MPa;平行组试样声发射活动的整体水平弱于垂直组,但平行组试样AE事件在破坏前短期内激增,总能量释放少,破坏突然,主裂纹沿层理面发展,垂直组试样的AE信号在低应力水平出现,AE振铃计数率和能率均强于平行组,空间定位点有明显的成核区域;垂直组和平行组损伤变量D值变化曲线分别呈现出阶梯式和两段式特征,具有明显差异,基于AE能量计算的岩石损伤状态更加符合实际。     

循环冷加载条件下受载煤样结构损伤规律

煤体是具有孔隙、裂隙结构的固体介质,孔隙的贯通程度、裂隙的宽度是煤层渗透能力的重要指标,为了使煤体裂隙结构发生损伤而达到增透的目的,对三轴受载煤样进行注液氮冷加载实验,利用液氮注入钻孔煤实验装置系统对煤样施加4 MPa围压,分别进行多周期冷加载作用,通过高倍相机、金相显微镜、声波测速仪和CT成像系统观测煤样表面裂隙宽度、波速衰减率及内部结构损伤情况。根据单轴压缩实验的应力-应变曲线,分析煤样结构随冷加载周期的变化规律。结果表明:(1)煤样裂隙结构损伤程度随冷加载周期的增加而增大,损伤速率随注液氮周期的增加呈现先增加后降低的非线性变化规律;(2)煤样经6周期注液氮冷加载后表面发生颗粒脱落,经过7周期注液氮冷加载后发生宏观碎裂;(3)冷加载对煤样原生裂隙损伤效果显著,并沿着层理方向延伸。液氮冷加载能使煤体结构发生显著损伤,这为冲击地压灾害防治与瓦斯治理提供了新的方法。     

煤矿地下水库储水浸泡对煤柱坝体强度影响的试验研究

为了研究煤矿地下水库储水浸泡作用对于煤柱坝体强度参数的影响,取李家壕煤矿现场煤样为试样,浸泡不同的时间,进行单轴压缩以及巴西劈裂实验,试验结果表明:随着浸水时间的增加煤样单向抗压强度、单向抗拉强度均有所下降,但并未出现规律性递减趋势,而弹性模量波动范围较小,基本不受影响;由于煤样有层理面的存在,煤样的力学性质明显地表现为各向异性。煤样层理垂直于其轴向时,其单轴抗压强度约为煤样层理平行于轴向时抗压强度的2~4倍;而对于单轴抗拉强度,煤样层理垂直于轴向时其值最大,其次为煤样层理平行于轴向且加载方向垂直于层理条件,最小为煤样层理平行于轴向且加载方向平行于层理条件。     

煤岩特性对超声波速影响的试验研究

超声波测试技术广泛应用材料内部缺陷与表面裂缝检测和描述,然而其声学参数同煤岩物理特性与结构特征的关系,成为该技术在地下采矿工程中应用的瓶颈问题之一。在大同煤矿集团塔山矿8212工作面采集煤块及顶板岩芯,采用美国Tektronix公司生产的超声波仪,开展不同层理方向煤岩及不同岩性岩石的超声波室内测试试验,并结合CT扫描、磨片分析等微观测试手段和覆压渗透试验获得煤岩内部物质含量组成形态及渗透特性,系统研究密度、层理方向、孔隙度、渗透率、矿物颗粒成分及大小等因素对超声波传播速度的影响。试验表明：纵波与横波波速均表现出随密度增大而增大的趋势;煤岩的超声波速有明显的层理效应,试验发现轴向与层理的夹角由小变大,其纵波和横波波速呈减小趋势,轴向平行层理煤岩的纵波、横波波速分别约为轴向垂直层理的1.22,1.23倍;纵波波速随孔隙率与渗透率的增大而减小,且煤的渗透率亦呈现明显的层理效应,轴向平行层理煤岩的渗透率约为轴向垂直层理的57.1倍;岩石矿物颗粒越细纵波波速越大,岩样纵波波速依次以细砂岩、中粗粒砂岩、含粗砂细砾岩和粗粒砂岩由大到小排列。     

Stress sensitivity of coal samples in terms of anisotropy

The permeability and porosity of coal seams are anisotropic, and the variation of confining stress may induce deformation in coal samples. In order to study these characteristics, experiments and model analyses were conducted to understand the behaviors of anisotropic stress sensitivity of lean coal samples. The results showed as the closure of cleats and the generation of micro-cracks, the strong stress sensitivity of coal samples and the discrete changes in porosity were caused by confining pressure changes. In the compression period, the anisotropy trend first increased, and then decreased. In the direction perpendicular to the bedding plane, the permeability decrease rate and the irreversible damage rate were the highest. In the direction parallel to the cleats, permeability recovery rate was higher and the irreversible damage rate was lower along butt cleats. Compared to the cube root of permeability to porosity, a 1/6 power relationship was proved to be closer to the experiment results, the new relationship had the highest fit level in the face cleat direction, and the lowest fit level in the vertical direction.     

霍普金森杆冲击加载煤样巴西圆盘劈裂试验研究

为研究煤样动态拉伸变形破坏特征,利用分离式霍普金森杆冲击加载系统,对煤样进行冲击条件下巴西圆盘劈裂试验,探讨了冲击速度和煤样中层理倾角对煤样动态抗拉强度、破坏应变及应变率的影响;并通过高速相机和数字散斑图像分析方法,对样品的动态劈裂及表面应变场变化过程进行了初步分析。研究表明:冲击速度和层理倾角对煤样动态拉伸破坏特征有明显影响。冲击速度越大,煤样动态抗拉强度则越大,但其随冲击速度增加的幅度逐渐减小;样品破坏应变在冲击速度为3.5 m/s时出现最大值。在冲击速度相近的情况下,层理与加载方向夹角相垂直时,样品的破坏应变相对较大,而应变率则最小。抗拉强度随层理倾角波动变化。在层理倾角与加载方向平行或非垂直时,煤样主要表现为拉伸破坏;在层理与加载方向非平行或非垂直时,样品表现出基质的拉伸和层理的剪切破坏相伴生。     

三点弯曲条件下不同层理面强度对裂纹扩展过程的影响

煤矿、页岩气开采等工程均涉及到层状岩体力学问题,层状岩体的裂纹破裂模式直接决定了工程施工稳定性及能源高效开发利用。为了揭示层理面强度性质对裂纹扩展过程的影响,利用ABAQUS模拟软件,通过全局嵌入0厚度cohesive单元的方法,创建了与最大主应力方向垂直的层理面,并且基于页岩XRD矿物成份分析结果,利用Python语言对软件进行二次开发,实现了页岩的层理各向异性与矿物颗粒非均质性。通过控制层理面的强度参数,研究了在三点弯曲条件下,层理面强度性质对裂纹扩展过程的影响。通过MATLAB编程处理模拟结果,实现了加载过程中的声发射(AE)模拟,根据声发射定位图和声发射能量数据,进一步分析了裂纹破裂类型及动态扩展过程。结果表明:层理面抑制了裂纹沿着最大主应力方向扩展,层理面强度越弱抑制效果越强;层理面强度较弱时,裂纹先从层理界面处起裂,产生顺层横向裂纹,阻隔应力波的传递,导致预制裂纹尖端应力场波及范围变小应力集中程度变强;层理面的存在导致裂纹扩展路径复杂,穿层破裂与顺层破裂交替出现,裂纹表现为断续位错式的破裂特征,层理面强度与最大主应力共同决定了裂纹路径;穿层破裂主要沿着最大主应力方向产生,表现为拉张破裂类型,顺层水平迁移裂纹表现为剪切破裂类型;层理面强度越弱,克服顺层破裂所需能量越大,峰值载荷越大;层理面强度与声发射事件数呈负相关性,层理面越弱声发射事件数越多,拉张、剪切破裂越多,顺层裂纹长度越长。     

冲击倾向煤岩纵波波速与应力关系试验研究

为了弄清煤矿中冲击矿压现象的发生机理,在实验室单轴条件下对冲击倾向性煤岩样的应力与纵波波速耦合关系进行了研究,建立了两者关系的试验模型,并对模型参数进行了分析.研究结果表明:1)岩样纵波波速对应力的敏感程度要高于煤样,即随应力增加,纵波波速变化更快；2)冲击倾向煤岩试样在弹性阶段纵波波速变化梯度大,塑性阶段波速变化趋于平缓,它表明应力与纵波波速间具有幂函数关系,与实测值的相关系数计算说明,模型具有较高的拟合度,能准确描述应力与波速的变化关系,并服务于现场层析成像冲击危险性计算.     

Experimental study on influence of coal structural anisotropy to gas permeation

Based on “true triaxial coal rock permeability of coal sample test system”, the permeability under different gas pressure to coal specimen in bedding plane and the vertical bedding directions are tested. The results show that coal structural anisotropy has a greater impact on gas permeability properties, differences in experimental coal permeability are roughly one order of magnitude. In view of the differences of the gas flow characteristics in the coal bedding plane and vertical bedding, established series and parallel choked flow model of coal sample gas seepage, and made a theoretical analysis to the influences of the bedding structure to gas permeability properties.     

含缺陷砂岩裂纹扩展特征试验与模拟研究

采用岩石力学伺服控制试验机和声发射仪,对含缺陷砂岩进行了单轴压缩试验,研究了岩石的裂纹扩展和声发射特征。同时采用岩石破裂过程分析系统进行了模拟研究,试验结果和模拟结果具有较好的一致性。在此基础上进行了多次重复模拟试验,探讨了材料非均质性对岩石裂纹扩展特征的影响。实验结果表明:岩石材料裂纹扩展特征与材料非均质性密切相关,主裂纹首先在裂隙尖端产生并沿垂直裂隙方向扩展,而后改沿最大主应力方向朝端部扩展,但此后的裂纹扩展方向不同,且主裂纹在各阶段扩展长度、速度不同;同时,次生裂纹参数(数量、长度、宽度、走向)存在差异。     

不同层理方向对原煤变形及渗流特性的影响

利用自行研制的含瓦斯煤热流固耦合伺服渗流试验装置,以平行和垂直层理2种不同的原煤试样为研究对象,进行相同有效应力、瓦斯压力条件下,不同轴压、围压组合;相同瓦斯压力、静水压力条件下,不同有效应力的渗流试验,探究其变形及渗透率的差异。研究结果表明：平行层理试样沿z方向的裂隙度φz大于垂直层理试样,垂直层理试样的总裂隙度φ大于平行层理试样;煤体中平行层理方向的裂隙度大于垂直层理方向;在静水压力下,平行层理试样渗透率大于垂直层理试样,煤体平行层理方向渗透性高于垂直层理方向;基于平板流体理论,得出了渗透率与径向应变呈二次函数关系,在煤体中平行层理方向的初始裂隙度系数β是垂直层理方向的1.5~2.0倍;当考虑渗流通道为贯通裂隙时,平行层理方向的初始裂隙度φ0与初始裂隙开度平方d20的乘积是垂直层理方向的1.5~2.0倍。     

岩石劈裂实验声发射的特性研究

对云南南坡铜矿三种砂岩进行了巴西劈裂和单轴压缩条件下的声发射特性试验。结果表明,不同种类岩石的声发射特性差别较大。劈裂条件下,三种岩石试件的抗拉强度之比为1∶0.82∶0.52;累计AE事件数之比为1∶0.61∶0.80;累计能量之比为1∶0.52∶0.87。尤其是层理明显的第一组和第二组岩石,压缩条件下,沿垂直层理方向加载的声发射活动要比沿平行层理方向加载时强的多;劈裂条件下,沿垂直层理方向加载时的累计声发射数比沿平行层理方向加载时多,而累计能量的结果正好相反。同时压缩条件下的累计声发射数和累计能量远大于劈裂条件下的情况。多数劈裂试件在垂直层理加载时,破坏前有一段声发射活动和能量相对较少的平静期;但平行层理加载时并不明显。