煤岩组合体力学特性模拟研究

为研究岩煤强度比与煤岩高度比对煤岩组合体力学特性的影响,利用颗粒流软件PFC2D对不同煤岩强度比和岩煤高度比的煤岩体进行模拟研究。结果表明:组合体破裂形态为煤体"V型"剪切破裂、煤体单一裂纹剪切破裂、煤体"X型"剪切破裂、煤岩共剪破裂4类;随着煤岩高度比的减小,冲击能量指数先增大后减小,但随着岩煤强度比的增加,冲击能量指数逐渐减小;随着煤岩高度比的减小,组合体的极限抗压强度及弹性模量均增大;随着岩煤强度比的增加,组合体的弹性模量在增大,但极限抗压强度会趋于一个稳定值。     

煤岩组合体峰后卸加载力学特性及支护作用机理

为深入研究煤岩组合体的峰后卸加载力学特性,采用PFC(Particle Flow Code)数值模拟软件对其进行了模拟试验,分析了不同卸载应力水平、卸载速率和支护方案对其强度、弹性模量、峰值轴向应变、冲击能量指数及声发射等特征的影响。结果表明：煤岩组合体在峰后阶段已经产生损伤,其峰后卸加载强度、弹性模量、冲击能量指数和最大声发射撞击计数均低于峰前常规单轴压缩的结果。在相同的卸载速率下,峰后卸载应力水平越高,煤岩组合体峰后卸加载强度越高。卸载速率对煤岩组合体峰后卸加载有整体强化和局部弱化两方面的作用。在相同峰后卸载应力水平条件下,随卸载速率的增加,煤岩组合体峰后卸加载强度呈“先增大、后减小”的演化特征。支护能够显著提高破碎煤岩组合体的强度和弹性模量,但只有稳定的支护方式才能够有效降低其冲击能量指数。为提高破碎煤岩体的稳定性和降低冲击风险,应当选择具有高强度、高可靠性和大变形能力的支护系统并增加护表面积。工程示例证明研究成果对现场工程实践具有指导意义。     

水岩作用下煤岩组合体力学特性与损伤特征

水岩相互作用是地下采矿工程活动中的常见问题。为研究水岩作用下煤岩组合体的力学特性、损伤特征及劣化机制，对不同浸水时间下的细砂岩-煤(FM)、粗砂岩-煤(GM)、细砂岩-煤-粗砂岩(FMG)3种组合体开展了轴向压缩试验。结果表明：(1)组合体含水率随浸水时间增加而增大，浸水20 d以后达到饱水状态；5～15 d为组合体的吸水区，15～20 d为组合体近饱和区，20～25 d为组合体的饱和区。(2)水岩作用下3种组合体的抗压强度、弹性模量、峰前能量、冲击能量指数等参数具有明显的劣化效应，其参数值均随浸水时间增加而减小；浸水5～15 d阶段为峰前能量陡降区，浸水15～25 d阶段为峰前能量缓降区；浸水时间5～15 d，组合体冲击能量指数劣化明显，15 d之后，劣化效应较弱；浸水5～10 d组合体为弱冲击倾向性，浸水15～25 d组合体无冲击倾向性。(3)随着浸水时间增加，组合体的声发射累积数显著下降。利用损伤理论构建了基于浸水时间的组合体损伤模型，该模型揭示了损伤变量与浸水时间的关系，反映了随着浸水时间增加，组合体的损伤程度增大的规律。(4)推导了类孔隙比计算公式，组合体的类孔隙比为：FM组...     

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。     

尺寸与形状效应下煤岩组合体力学特性与声发射特征分析北大核心

为研究尺寸与形状效应下煤岩组合体力学特性和声发射特征的影响规律,对不同尺寸、不同形状的煤岩组合体试件进行单轴压缩试验,利用声发射系统记录不同承载阶段试件内部声发射的振铃计数和能量演化。结果表明:煤岩组合体的强度介于纯煤、纯岩两者的强度之间,纯岩、纯煤、煤岩组合体试件的峰值强度分别为30.3、5.7、9.7 MPa;圆柱组合体和立方组合体的峰值强度都随着宽高比的减小而不断降低,最大降幅分别为52.68%、59.21%;试件声发射振铃计数与能量表现出一致的规律性,均表现出与试件应力同步变化的趋势;圆柱组合体最大振铃计数的出现提前于最大应力值的出现,而立方组合体最大振铃计数滞后于最大应力值的出现。     

煤岩组合体变形破裂声发射特征及损伤演化规律研究

为研究煤岩组合体变形破裂过程中煤厚对其声发射特征和峰前损伤特性的影响,对煤厚分别为20mm、33.33mm和60mm的三种煤岩组合体进行室内单轴压缩声发射试验。研究表明：随着煤厚的增加,煤岩组合体的单轴抗压强度和声发射峰值计数均下降,且煤厚与声发射峰值计数满足指数函数关系;组合体的破坏持续时间随煤厚的增加而变长;声发射累计数的变化情况可分为缓慢增长阶段、快速增长阶段和声发射峰值及破坏后阶段,前两个阶段,累计数增长的速度与煤厚呈正相关,最后一个阶段,呈负相关。组合体峰前损伤演化可分为初始损伤、损伤稳定发展和损伤突增不稳定发展三个阶段;损伤变量与应变满足幂指数函数关系,且随着煤厚的增加,组合体D=1时对应的峰值应变也增加。     

水岩作用下不同强度煤岩组合体力学特性损伤规律研究

在富水矿井中，煤岩体以及井下留设的隔水煤岩柱受到地下水的长期侵蚀，导致煤岩体在水岩作用下力学特性发生改变并受到损伤，直接影响到矿井的稳定及安全生产。因此，对泥岩-煤-泥岩(N-M-N)、砂岩-煤-砂岩(S-M-S)、石灰岩-煤-石灰岩(H-M-H)3种不同煤岩强度比的煤岩组合体开展饱水前和饱水后的单轴压缩试验，研究水岩作用下煤岩组合体的力学特性演化规律和声发射损伤特征，并结合RFPA2D数值模拟分析水岩作用对组合体破裂形式的影响。研究结果表明：水岩作用对煤岩组合体抗压强度和弹性模量有明显的劣化效应；水岩作用使煤岩组合体的声发射计数和累计计数下降明显；水岩作用使煤岩组合体裂隙扩展及破裂形式发生明显改变，声发射事件数始终伴随有裂隙的产生与扩展。     

“三硬”煤岩组合体冲击倾向性数值分析

采用RFPA2D对坚硬顶板、坚硬煤层、坚硬底板三体模型进行冲击倾向性数值试验研究。结果表明:坚硬顶板组合体峰值后突然失稳,易发生冲击地压;坚硬煤层组合体峰值前储存大量弹性能且瞬时释放,极易发生冲击地压;坚硬底板组合体峰后曲线呈现阶梯性缓慢下掉,不易发生冲击地压。组合体声发射能量释放分成3个阶段。坚硬顶板组合体和坚硬煤层组合体能量瞬时集中释放,坚硬底板组合体能量缓慢释放。虽然坚硬底板组合体释放总能量大于坚硬顶板组合体,但能量释放机制不同。     

煤岩组合体破坏失稳及能量演化规律

:为了研究煤岩组合体受载失稳和能量积聚及其演化规律,基于 COMSOL数值模拟软件构建了煤 岩和煤 岩 煤组合体、岩 煤 岩组合体模型,并进行单轴压缩试验.结果表明:相同加载条件下,组合体中煤组分占比越大,抗压强度极限越小;组合体积聚的能量转化为内部弹性应变能和损伤耗散能,释放的弹性应变能是导致煤岩体发生破坏的内在因素;单轴压缩作用在煤组分和岩石组分上的应力相等,最大应力均为该组合体的抗压强度σ,组合体内部能量主要积聚在煤组分中,该组分是导致组合体发生变形破坏的能量积聚载体.研究结果可以为降低含夹矸煤层稳定性,提高顶煤回收率提供理论依据.     

不同组合方式煤岩组合体强度及声发射特征分析

为研究不同高度比的煤岩组合体在不同组合方式下力学特性和声发射特征,利用RFPA2D数值模拟软件对煤岩组合体进行模拟研究。试验结果表明:组合体的单轴抗压强度随煤样在组合体中占比的增大而减小;岩样与煤样的高度比对声发射能量产生显著影响,组合体中岩样高度所占比例越高,声发射信号越强,其产生的声发射能量也越多;在煤岩高度比相同的情况下,不同的组合方式也会对强度产生影响,组合体强度由大到小的组合方式依次为煤-岩、岩-煤、岩-煤-岩;此外,通过组合体声发射特征分析可知,组合体产生的声发射能量与其抗压强度的大小成正比,即抗压强度越大其产生的声发射能量也越大。     

不同倾角煤岩组合体三轴力学特性的界面水压效应研究

为研究煤层气间接压裂工程中煤岩界面稳定性问题, 进行了干燥与水饱和下１５°、３０°和４５°三种倾角无黏结自由 界面煤岩组合体的三轴压缩试验和不同界面水压下３０°倾角 煤岩组合体的三轴压缩试验,揭示了界面倾角和水压对煤岩 组合体力学特性的影响机理.结果表明:无黏结界面煤岩组 合体强度随界面倾角增大而减小,水饱和状态下,倾角由１５° 增加到 ４５°时,三 轴 抗 压 强 度 由 ３６．９１ MPa 减 小 到 ７．８４ MPa,降幅达８０％,组合体破坏形式由１５°时煤体的劈裂破 坏,转变为３０°和４５°时界面的剪切滑移破坏;水饱和状态对 煤岩组合体强度有弱化作用,且随倾角增大而减小,倾角为 １５°时,强度由５０．８３ MPa降低至３６．９１ MPa,降幅为２７％, 倾角为４５°时,强度由８．７２ MPa降低至 ７．８４ MPa,降幅为 １０％;煤岩组合体峰值强度和残余强度与界面水压呈负线性 关系,随着界面水压从０增加到 ４ MPa,峰值强度从 １８．５３ MPa降低至１１．６７MPa,残余强度从１３．３５ MPa降低至８．８４ MPa,煤岩组合体越容易产生剪切滑移.该研究对了解间接 压裂煤层气开采工程中煤岩界面稳定性与裂纹扩展条件特 征具有重要意义.     

组合方式对煤岩组合体力学特性和破坏特征影响的试验研究

为探讨组合方式对煤岩组合体力学特性和破坏特征的影响,利用MTS815岩石力学试验系统,分别对岩-煤-岩(YMY)、岩-煤(YM)及煤-岩(MY)3种组合方式试件进行了单轴压缩和三轴压缩试验研究。试验结果表明,组合体试件破坏主要集中在其煤体部分,而与组合和加载接触方式无关;煤体部分损伤发展和破坏程度的加剧,在一定程度上会诱导岩体出现损伤和发生破坏。单轴加载条件下,3种组合方式均表现为以煤体部分拉张破坏为主的破坏特征,YMY组合的平均抗压强度为40.03 MPa,分别是YM和MY组合方式对应平均值的1.80和1.53倍;三轴加载条件下,均表现为以煤体部分剪切破坏为主的破坏特征;随围压压力增加,各组合方式三轴抗压强度平均值逐渐趋近。     

煤岩组合体冲击倾向性的RFPA~(2D)数值模拟

通过对不同岩石组成的煤岩体在不同煤岩高度比例和不同组成倾角条件下的数值模拟,探讨不同因素对煤岩体冲击倾向性的影响。模拟结果表明,煤岩体中岩石强度越高,试样的强度随着岩石高度比例的增加增长得越快,组合试样的弹性模量也越高。煤岩体的冲击能量指数随着煤岩组合体间角度的增大而减小,并且随着倾角的增加,石灰岩煤组合体和粉砂岩煤组合体峰后塑性变形明显。     

煤岩组合体力学特性与瓦斯渗流规律试验研究

利用三轴渗流测试系统,模拟不同厚度的顶板、煤层和底板条件,进行了不同岩煤高度比条件下煤岩组合试件的力学特性与渗流规律的试验研究。结果表明:对于不同岩煤高度比的煤岩组合试件,失稳破坏的峰值强度存在差异,且峰值强度随岩煤高度比的增加呈增大趋势;组合煤岩体的失稳破坏呈现宏观剪切破裂面,且破裂面贯穿顶、底部岩石;组合煤岩体的渗透率随轴向应变的升高呈现先减小到最小值后迅速增加的"V"型变化趋势;且随着岩煤高度比的增加,渗透率曲线反弹点对应的轴向应变呈增大趋势。     

倾角对煤岩组合体力学及冲击倾向性影响的颗粒流分析

随着煤矿开采深度的增加,煤层与顶底板岩层的相互作用更加明显。基于颗粒离散元程序PFC建立了"顶板-煤层"结构的"岩-煤"数值模型,通过设定煤岩交界面的倾角分别为0°、15°、30°、45°、60°,研究了不同倾角对组合体破坏模式及冲击倾向性的影响。研究结果表明,组合体的宏观破坏裂纹基本上呈"V"型的剪切裂纹,破坏主要集中于煤体部分,且"V"型破坏面的两端与煤岩交界面的两端重合;随着倾角的增大,活跃的颗粒数量越多,尤其当组合体倾角大于45°时,煤岩交界面处的颗粒位移量和活跃程度最大;随着倾角的增大,组合体的冲击能量指数逐渐减小,尤其当倾角大于45°时,冲击能量指数大幅度减小。     

非均质结构含量对煤岩组合体强度及破坏特征的影响

为研究非均质结构含量对煤岩组合体强度及破坏演化特征的影响,基于离散元软件,建立了不同非均质结构含量的煤岩组合体模型,考虑非均质结构含量为10%、30%、50%、70%和90%这5种方案,对煤岩组合体的强度特征、裂纹发育扩展过程进行了研究,分析了其影响机理。结果表明：随非均质结构含量的增加,煤岩组合体强度参数整体呈下降趋势,煤岩组合体声发射平静期范围呈先减小后增大趋势,声发射骤增期呈上升趋势;非均质结构与煤岩颗粒的属性差异导致了局部应力集中;非均质结构含量变化决定了试样强度特征和最终破坏模式,随非均质结构含量增加,煤岩和非均质结构中的主要承载结构由煤岩转变为非均质结构。     

含瓦斯煤岩卸围压力学特性及能量耗散分析

利用自主研制的含瓦斯煤岩热流固耦合三轴伺服渗流装置对含瓦斯煤岩进行了三轴卸围压试验,基于实验结果,研究了含瓦斯煤岩卸围压失稳破坏过程中的力学特性及其能量耗散规律。结果表明：在初始瓦斯压力和围压相同的情况下,卸围压速率增大加快了含瓦斯煤岩失稳破坏的进程,定义的卸围压效应系数反映了三轴卸围压实验中卸围压速率对含瓦斯煤岩失稳破坏难易程度,且卸围压效应系数与卸围压速率之间存在幂函数的关系;在瓦斯压力和应力差相同的情况下,不同卸围压速率下含瓦斯煤岩的轴向应变、侧向应变和体积应变的变化规律具有较好的一致性,卸围压速率越大,含瓦斯煤岩的轴向应变、侧向应变和体积应变越小;卸围压过程中能量耗散与卸围压速率有关,且含瓦斯煤岩的能量耗散随着卸围压速率的增大而减小。     

煤的厚度对煤岩组合体物理力学特征的影响规律分析

为了研究煤岩组合体中煤的厚度对其物理力学特征的影响规律,以布尔台煤矿粗粒砂岩、煤和煤岩组合体试样为研究对象,利用RMT-150C力学试验机对各试样的单轴抗压强度、弹性模量及峰值应变进行研究。研究结果表明,煤岩组合体中煤的厚度对其密度和波速有显著的影响,煤岩组合体的波速和密度随着煤的厚度增大而逐渐减小;煤的厚度对煤岩组合体的单轴抗压强度影响较小,但对其峰值应变和弹性模量有显著的影响。与粗粒砂岩相比,在煤岩组合体中的煤厚为5、10、15、20 mm时,峰值应变分别增大了2.2%、20.7%、25.3%、38.3%,峰值应变随着煤岩组合体中煤的厚度的增大而逐渐增大;弹性模量分别降低了30.5%、41.5%、48.2%、51.8%,弹性模量随着煤岩组合体中煤的厚度的增大而逐渐减小。研究成果有助于进一步揭示巷道支护困难、矿压显现剧烈,以及地表台阶下沉等现象的内在原因。     

卸载条件下煤岩组合体的裂纹张开效应研究

利用MTS 815试验机对深部煤岩组合体进行分级循环加卸载试验,研究了卸载过程中煤岩组合体轴向裂纹的张开效应,得出其轴向裂纹闭合应力(应变)和张开应力(应变)。研究结果表明:随着循环次数的增加,加载和卸载过程中煤岩组合体的裂纹闭合应力(应变)和张开应力(应变)具有增大的趋势;由于分级荷载的逐步增加,煤岩组合体产生新的裂纹,轴向裂纹闭合应变差、轴向裂纹张开应变差、轴向裂纹应力差随循环次数增大而增大;推导出轴向裂纹张开模型,并利用试验数据进行验证,模型理论值与试验值较为吻合,能有效描述卸载条件下轴向裂纹张开效应。     

基于声发射能量值的煤岩试样损伤分析

试样内部微裂纹在压力作用下的萌生、分叉、扩展及贯通,最终导致了试样的破坏。声发射检测系统能实时检测获得试样在变形破坏过程中声发射信号,获得的声发射特征参数也因此包含了煤岩试样变形破坏过程中大量的损伤信息。通过利用试验获得的声发射特征参数对岩石变形破坏过程的损伤进行分析研究,得出岩石的声发射现象与岩石的损伤有密切关系。