动静组合加载下冲击倾向性煤声发射特性试验研究北大核心

采用DTAW-8000型岩石高压动力学试验系统及声发射技术,通过施加不同动载扰动频率的单轴压缩试验,研究了冲击倾向性煤在动静组合加载下的破裂特征与声发射特性参数的关系、分析了冲击倾向性煤受压损伤全过程并建立了损伤演化模型。研究表明:动载扰动频率增强,冲击倾向性煤岩主破裂角呈现先减小后增大的变化趋势,且应力、应变均呈降幅现象;冲击倾向性煤岩内部裂缝的发育、扩展过程与声发射信号紧密相关,煤岩受压全过程的声发射振铃累计数变化趋势可大致分为稳定阶段、突增阶段和缓慢增长直至破坏阶段;煤岩损伤演化模型趋势与试验数据趋势一致;动载扰动频率是煤岩损伤的缓增-急速增长阶段影响煤岩破裂时程的主要因素。     

不同加载速率下煤单轴抗压强度测试与冲击倾向性影响分析

针对冲击倾向性测试中煤样单轴抗压强度数据随加载速率变化和离散性问题,以内蒙古鄂托克前旗长城六号煤矿3号煤为研究背景,通过设置0.50、0.75、1.00 MPa/s三种不同加载速率进行煤样标准件的分组测试。测试结果表明,3种不同加载速率测试得到煤的单轴抗压强度测试值均存在离散性;加载速率与单轴抗压强度测试值无明显线性关系;在舍去每组离散性较大的最大值和最小值后,再次计算在不同加载速率条件下煤单轴抗压强度的平均值和标准差,可以得到离散性相对较小的测试值;煤样单轴抗压强度测试值与加载速率无明显比例关系,加载速率的变化可导致同煤层冲击倾向性等级的变化。     

不同冲击倾向性煤单轴压缩下能量演化与损伤特征

为了研究不同冲击倾向性煤单轴压缩过程中的能量演化规律与损伤特征,基于实验室冲击倾向性等力学参数测试,通过颗粒流数值程序PFC2D获取能够较真实反映煤样宏观力学特性的细观参数,模拟分析了不同冲击倾向性煤单轴压缩下的能量演化规律与损伤特征。研究结果表明:不同冲击倾向性煤的能量演化规律相似,峰值强度前,边界做功主要转化为应变能,耗散能、滑动能与动能的占比则非常小;峰值强度后,应变能快速释放,耗散能、滑动能与动能开始迅速增长。随着冲击倾向性的增强,应变能释放与动能增长速率显著增大,提出应变能释放比率与动能增长比率2个指标,发现应变能释放比率、动能增长比率与冲击倾向性指标中的单轴抗压强度、冲击能量指数以及弹性能量指数具有很好的相关性,可采用该指标来辅助评判煤样的冲击倾向性。峰值强度前不同冲击倾向性煤样内部微裂纹演化规律近似,峰值强度点后微裂纹急剧增长,增速与冲击倾向性呈正相关关系。基于裂纹萌生与体积应变曲线的确定方法,得出煤的起裂应力水平主要分布在44.18%～51.67%,损伤应力水平在89.04%～93.86%。强冲击倾向性煤样的起裂应力水平与损伤应力水平均高于弱和无冲击倾向性煤样,起裂应力水平与损伤应力水平从细观损伤力学角度解释了强冲击倾向性煤样易积聚高弹性应变能并产生脆性冲击破坏的能力。     

不同冲击倾向性煤体声发射能量特征与时空演化规律研究

为了弄清声发射与冲击倾向性的关联性,对具有强、弱和无冲击倾向性的煤体开展单轴压缩下的声发射试验,分析了煤体的声发射能量特征与定位事件的时空演化规律。结果表明:强冲击倾向性煤体在受载前期和中期,声发射能率与总能量数均很低,临近峰值强度时开始急剧增长;弱、无冲击倾向性煤体声发射能量在整个阶段表现较活跃,尤其在受载的中后期,呈阶梯式逐步增长趋势;不同冲击倾向性煤体均在临近破坏时出现大量高能量声发射信号。声发射能率和总能量数趋于活跃可作为煤体破坏的前兆信息,随着冲击倾向性的增强,声发射能量趋于活跃越滞后。声发射空间定位演化结果直观反映了煤体内部声发射源位置与破裂发展状况,其空间分布与聚集位置可对应于煤体内部应力集中与宏观破坏区域;随着煤体冲击倾向性的增强、受载应力水平的增大,声发射定位事件数量逐步增加,临近峰值强度时,声发射定位事件急剧增长。声发射总能量数、定位事件数与冲击倾向性呈正相关关系,从一定程度上揭示了煤体积聚和释放弹性能的能力。     

等幅循环加载与分级循环加载下砂岩声发射Felicity效应试验研究

利用MTS815材料试验机和12 CHs PCI-2声发射信号采集系统,对砂岩在等幅循环加载和分级循环加载条件下损伤破坏全过程的声发射规律进行了研究,探讨了Kaiser效应与Felicity效应,以及Felicity效应声发射中“明显增多”的尺度界定问题。试验结果显示：砂岩在试验中的Kaiser效应显著,但有一定的局限性;当加载达到或超过其峰值强度的70%后,砂岩应力记忆特性中Felicity效应表现显著,Felicity比的演化显示出3个阶段特征,且总体呈下降的趋势;只要声发射“明显增多”的尺度范围设定合理,则对Felicity比的演化趋势没有影响。     

瓦斯对煤冲击倾向性影响的试验研究

为研究瓦斯对煤冲击倾向性的影响,在不同瓦斯压力下测定了煤的冲击倾向性指标,分析了含瓦斯煤样在多级循环加载和单轴应变加载时能量积聚与耗散情况。研究结果表明:在孔隙瓦斯压力和吸附瓦斯共同作用下,煤样冲击倾向性指标由强向弱或由弱向无转变;瓦斯降低了煤样的强度,在多级循环过程中由损伤和塑性变形引起的耗散能增加,煤样储存弹性应变能的能力下降,完全破坏时煤样盈余能量减少,瓦斯弱化了煤的冲击特性;伴随瓦斯压力的增加,能量跌落系数逐渐变大,表明瓦斯致使煤样的破坏形式由脆性向脆塑性转变;基于瓦斯对煤的冲击倾向性和破坏形式的影响,在含瓦斯煤层冲击倾向性测定和冲击危险性评价过程中,应充分考虑瓦斯对煤层冲击特性的影响。     

裂隙分布对煤岩体冲击倾向性影响机制试验研究

对含预制裂隙试件开展单轴压缩试验,采用声发射和数字散斑监测技术探究了不同裂隙分布试件的力学响应特征,分析了不同裂隙对试件变形破坏、冲击倾向性及能量积聚与释放的影响规律。试验结果表明：同种类型预制裂隙试件的破坏形式,随倾角的增加,破坏类型呈拉破坏—拉剪破坏—拉破坏—劈裂拉破坏的变化趋势,破坏剧烈程度呈现强—弱—强的变化趋势。从不同裂隙类型来看,平行双裂隙的试件产生的次生裂隙与预制裂隙形成块体结构,削弱了试件整体的完整性。单轴抗压强度、冲击能量指数等4个指标反映冲击倾向性变化规律为：随倾角增加,呈现先减小、后升高的变化趋势,其中β=30°时冲击倾向性最小。倾角相同情况下,不同类型的裂隙试件其冲击倾向性大小关系为：共面双裂隙试件>单裂隙试件>平行双裂隙试件。应力峰前阶段累计声发射能量和总累计能量之比W_E、峰前累计声发射事件与累计总事件之比W_N和声发射事件特征参数b值3个指标的变化规律与冲击倾向性的变化规律相一致。声发射信号能量-频次特征揭示了冲击倾向性变化规律的内在原因。研究成果对揭示裂隙煤岩体冲击地压发生机制具有重要理论意义。     

不同加载条件下花岗岩声发射特征及其岩爆倾向性研究

试验现场取样并利用TYP-500型三轴试验机进行岩石力学实验,借助PCI-2声发射系统记录试件的加载破坏全过程的声发射响应信号;通过声发射振铃计数分析单调加载不同围压、循环加卸载不同围压、单轴不同加载以及三轴不同加载条件下花岗岩声发射特征,发现常规单轴和常规三轴试验岩样声发射规律基本一致;大致均在峰值应力强度的90％左右,声发射累计计数突然增大,可将此作为判定花岗岩破坏的前兆特征;在室内岩石力学试验与现场调研的基础上,基于全应力-应变图,结合冲击能系数判据,确定金源矿区的岩爆倾向性,且用单轴循环加卸载方式来快速判断岩石岩爆倾向性具有一定的参考价值,并可在进一步的研究中将其应用到现场预测当中。     

不同煤试样冲击倾向性试验结果分析

基于5组不同产地煤样在RMT-150B岩石力学试验系统进行单轴加载、卸载压缩试验.分析结果表明：煤样的弹性变形指标K_E与弹性能量指标W_E之间线性相关;采用冲击能量指标W_N作为煤层冲击倾向性的判别是一种过高的估计,而有效冲击能W_Y能够较好地反映出煤样在压缩变形破坏过程吸收和释放能量的关系,作为煤层冲击倾向性的判别比较合理;动态破坏时间t_D相差悬殊,与其他冲击倾向性判定指标相关性不明显,以t_D作为煤的冲击性判定指标需要谨慎.     

冲击倾向性煤岩动静载下破坏机理及声发射特性研究

煤矿巷道发生冲击地压破坏后果严重,具有冲击倾向性的煤岩具备发生冲击地压的潜质,在高应力状态下经动载诱发后极易发生破坏,其破坏与变形规律与常规静载不同。为了探究冲击倾向性煤岩在动静载下破坏及变形规律,以深埋煤层巷道高应力下具有冲击倾向性的煤岩作为研究对象,采用动载三轴及声发射检测设备,模拟煤岩所处高应力环境及动载条件,通过对比不同围压下的静载破坏试验,一定应力水平下动载诱发试验,不同应力阶段动载加载试验,分析其变形破坏机理及声发射能量演化规律。结果表明:与静载加载破坏相比动载导致煤岩提前进入屈服变形阶段且强度劣化明显,其破坏程度更加严重,并由剪切破坏转变为横向拉伸破坏;声发射点能有效定位煤岩破坏阶段内部裂隙发育区域及主破坏方向。煤岩达到动载破坏条件存在一个临界静载,未达到临界静载时煤岩在动载作用下裂隙发育及应变增长会逐渐稳定,超过临界静载后煤岩在动载作用下会迅速发生破坏。与静载相比动载后煤岩储存弹性能增加,破坏后释放更多能量;煤岩声发射能量事件主要发生在动载加载初期及峰后破坏阶段,动载加载后有明显凯泽效应。研究结论认为声发射能量演化规律可作为判断煤岩所处应力状态及先期动载加载应力水平的参考依据。     

不同冲击倾向性煤岩纵波波速与应力相关关系研究

为有效研究煤岩受载条件下纵波波速与应力之间的关系,选取不同冲击倾向性煤岩为研究对象,测试其单轴加载和循环加载条件下各个应力阶段纵波波速的变化,并对其进行拟合分析。研究发现:单轴加载条件下,应力增长引起波速增加,二者之间存在幂函数关系;循环加载条件下,波速与应力同增同减,符合幂函数关系;首次循环加载对波速的影响最大,经过首次循环加载后,波速初值增加,但随着循环次数增加,波速初值与最大波速值逐渐趋于稳定;应力变化影响纵波波速变化的本质是应力改变了煤岩内部孔隙结构,当应力超过一定范围后,煤岩内部孔隙压密程度达到极限,应力对纵波波速的影响能力减弱。     

煤岩体冲击倾向性指标相关性研究

对煤岩材料进行单轴压缩实验,获得相应的冲击能量指数、弹性能量指数、动态破坏时间数据,分析了3个指标之间相关关系。研究结果表明:煤岩体的弹性能量指数与冲击能量指数之间满足正相关性,在两者数据值比较小的区间符合对数关系;动态破坏时间与冲击能量指数之间存在明显的负相关性,在动态破坏时间较小时,两指标符合乘幂关系;冲击倾向性实验中可根据拟合结果由其中某一指标值确定相关的另一指标。在其他区间内,数据的离散程度较大,相关性较差,实验中应当适当增加样本数量,提高结果的准确性。     

河西矿煤岩组合冲击倾向性及声发射特征试验分析

为分析河西煤矿的煤岩组合冲击倾向性和声发射特征。在实验室应用SANS材料实验机,对煤、岩煤组合、岩煤岩组合和注水软化煤四种试件进行试验测定。对实验测得的数据进行分析,得出:河西煤矿的煤岩组合具有弱冲击倾向性,煤层注水后在一定程度上可以降低煤层冲击倾向性,但未改变其煤层的冲击倾向性类别。河西煤矿煤岩体声发射具有凯撒效应,声发射的脉冲数和声发射信号强度与载荷、加载速率及变形速率成正比。     

低加载率范围内煤岩组合体冲击倾向性的率效应试验研究

以煤岩组合体为研究对象,进行4种不同量级下的低加载率(10-3~100MPa/s)单轴压缩试验,以抗压强度、弹性模量、冲击能量指数、弹性能量指数、归一化动态破坏时间为参量,考察加载率对煤岩组合体冲击倾向性的影响。研究结果表明:随着加载率的提高,煤岩组合体的承载失效结构由煤体转化为煤岩组合体,并存在明显的临界加载率现象。煤岩组合体的抗压强度和弹性模量在临界加载率以下保持在较低值,在临界加载率以上保持在较高值;冲击能量指数随着加载率的提高先增加后减小,在临界加载率附近出现最大值;弹性能量指数随着加载率增加而提高;修正动态破坏时间在临界加载率之前降低幅度较快,在临界加载率之后缓慢下降然后趋于平稳;综合判断煤岩组合体的冲击倾向性随加载率的增加划分为两个比较明显的水平,并且在临界加载率附近表现出较为明显的冲击倾向性突变。临界加载率效应可为现场条件下确定合适的工作面推进速度提供参考。     

单轴压缩下冲击倾向性煤样声发射特性的实验研究

利用岩石力学试验机和PAC声发射信号采集系统对冲击倾向性煤样进行了单轴压缩声发射测试,研究了其变形破坏过程中的声发射能率及b值的动态变化特征。试验结果表明,冲击倾向性煤样和无冲击倾向性煤样的声发射能率活跃点分别为峰值应力的90%和50%,声发射能率特征体现了冲击倾向性的本质,煤样破坏前声发射b值可以作为冲击倾向性煤样失稳破坏的前兆信息。     

赵固二1煤样冲击倾向性与声发射特征的试验研究

煤矿冲击地压是煤矿灾害之一,煤岩体冲击倾向性指数是煤岩体的自然属性,利用RMT-150B伺服试验机对赵固二1煤样进行冲击倾向性指数测试,在加载过程同步进行声发射信号检测,分析煤样冲击倾向性指数、关联性及声发射特征.试验结果表明:在煤样受载变形破坏过程中始终伴随着声发射事件,当载荷接近煤样峰值强度时宏观裂隙逐步形成,声发...     

三轴循环加卸载作用下煤样的声发射特征

利用RMT-150B岩石力学试验机对煤样进行常规三轴、三轴循环加卸载作用下声发射试验,对不同加载条件下煤样的声发射特征进行分析。分析结果表明：在常规三轴压缩过程中声发射能量、累计计数和累计能量随时间变化趋势基本一致,均能较好反映煤样内部的破坏过程;在煤样循环加卸载过程间隔出现声发射信息,其能量、计数和幅值变化趋势一致,与煤样所受应力相吻合;煤样在常规三轴和循环加卸载破坏过程中声发射突变点在峰值应力的85%左右,可以作为判定煤样破坏的前兆;在循环加卸载过程中Felicity效应较明显,Felicity比值FR远小于1,随着循环应力水平提高,FR值不断降低,表明循环加卸载过程中声发射记忆具有超前特征,Kaiser效应的记忆效果较差,Kaiser效应作为煤体稳定性指标需谨慎。     

三轴加载充填体围岩耦合体声发射特征研究

根据矿山开采状况设计了三种不同采场规格尺寸的充填体围岩耦合体模型,采用双轴试验机、拟真三轴装置结合声发射系统对耦合体进行了三轴加载下的破裂演化监测,研究了耦合体破裂过程声发射特征。结果表明：AE事件率和AE能量在塑性阶段前处于“平静期”,塑性阶段出现突增现象,突增现象可作为应力峰值附近宏观破裂预警;AE事件率峰值、AE能量峰值随着侧压增加推迟产生,耦合体稳定性随着侧压增加逐渐增强。AE事件率峰值、AE能量峰值随着规格尺寸的增加则与之相反;AE能量峰值随着侧压增加逐渐增大,随着规格尺寸增加逐渐减小。AE能量预警阶段突增值随着侧压增加逐渐降低,随着规格尺寸增加逐渐增大;Kaiser效应出现在耦合体应力峰值的70%～85%范围内,Kaiser效应点对耦合体塑性阶段宏观破裂具有一定的预警作用。研究结果有望为充填体与围岩作用机理研究提供参考。     

瓦斯对冲击倾向性能量指标影响的数值模拟

为探究瓦斯对煤冲击倾向性能量指标的影响,基于含瓦斯煤的受力特点,建立含瓦斯煤样气-固耦合控制方程,并植入COMSOL数值模拟软件,开展瓦斯对弹性能量指数和冲击能量指数的影响研究。结果表明:伴随瓦斯压力的增加,煤样中塑性应变区域扩大,且塑性应变程度有所增加,煤样储存弹性应变能的能力下降;煤样变形破坏过程中消耗能量增加,煤样完全破坏后盈余能量减少,导致冲击能量指数和弹性能量指数降低;瓦斯弱化了煤的冲击倾向性,在含瓦斯煤层冲击倾向性鉴定和冲击危险性评价过程中应充分考虑瓦斯对煤冲击特性的影响。