采动裂隙煤岩破裂过程热红外辐射异化特征

高应力强卸荷下煤岩动力破坏现象频发,明确煤岩破裂前兆信息是保障深部煤炭安全开采的重要内容。为定量研究采动裂隙煤岩破裂过程热红外辐射异化特征,采用实验手段分析受载下裂隙煤岩体损伤直至破裂过程热红外辐射温度时域演化规律与异常区域迁移特征,对比分析预制结构面对红外辐射异化特征的影响,揭示热红外辐射温度场与声发射耗散能量间的关系。结果表明:裂隙煤岩破裂过程热红外辐射温度时域演化规律划分为Tave的平静、小幅波动、快速增加和快速降低4个阶段。Tave极值出现在0.77σp,可作为煤岩临近破裂的前兆特征;热红外辐射异常区域的迁移特征可作为煤岩破裂的重要前兆现象,σ≥0.30σp开始出现大面积整体性升温,σ≥0.77σp温度仍保持整体性增加,但温度最大值开始降低,σ≥σp以热红外辐射低温异常区域为主;预制结构面的存在对裂隙煤岩的力学响应特征起到决定性作用,且平行结构面造成的强度劣化最为显著,对岩石工程的安全影响最大。裂隙煤岩破裂红外辐射异常区域集于制结构面附近,红外辐射温度异常区域迁移与声发射能量突变基本保持一致。     

潮湿煤体压缩破裂过程中红外辐射演化特征研究

为探寻水分对煤体破裂过程表面温度分布的影响,对不同含水率试样进行加载破裂试验,研究其表面红外辐射温度的演化特征,并以平均红外辐射温度AIRT、温度极差R、分形维数D、红外热像特征进行分析研究.结果 表明:干燥、潮湿试样表面平均红外辐射温度总体上均表现为随载荷增加呈下降趋势,但在临近破裂时出现了明显异常:干燥试样表现为升...     

复合煤岩受载破裂内部红外辐射温度变化规律

对由顶板岩、煤层、底板岩组成的复合煤岩体受载破裂内部的红外辐射温度的变化规律进行研究。分别在试样砂岩、煤样的中部不同方向钻孔,利用红外测温仪测量试样内部温度来研究其受载变形直至孔破裂过程中的红外辐射温度的演化特征。结果表明：复合煤岩在加载试验过程中均存在热弹效应和摩擦热效应。煤体裂隙面之间错动和摩擦产生的热量明显大于热弹效应产生的热量,导致内部温度上升0.17 ℃;而顶、底板砂岩的热弹效应起主导作用,温度升高分别为0.04,0.05 ℃。煤、顶底板砂岩的内部红外辐射温度和应变、应力和温度线性拟合后均呈较强线性正相关关系。     

煤岩全应力-应变过程中渗透特性的研究

选取安徽淮南张集矿的煤样,对加工成的9个标准试件(50 mm×H100 mm)进行全应力-应变过程中的渗透测试及CT扫描试验。渗透试验结果表明：煤岩的渗透率-应变曲线与应力-应变曲线具有相似的变化规律,且渗透率表现出应变滞后性,表明瓦斯在煤岩中的流动特性与受载过程中煤岩内部产生的损伤演化密切相关;围压使煤岩内部的瓦斯通道发生压密闭合,导致渗透率随围压的增大而减小。在渗透试验前后对试件进行CT扫描,结果表明,渗透试验前试件上基本观测不到有微观孔隙裂隙的存在,渗透试验后有明显的贯通裂缝产生,导致试件的渗透率在应力-应变峰后呈现急剧上升的趋势。     

岩石破裂过程声发射和红外辐射特性及相关性实验研究

通过对花岗岩、粉砂岩和煤岩进行单轴加载声发射和红外观测实验,研究岩石破裂过程中声发射和红外辐射特性及二者的相关性。研究结果表明:岩石破裂过程中,声发射和红外辐射具有阶段性的特征,二者的变化规律与力学的阶段性变化有良好的同步性;岩石破裂前,声发射平静期和岩性有关,花岗岩破裂前出现易识别的声发射平静期,粉砂岩和煤岩无明显声发射平静期;岩石从弹性阶段进入塑性阶段,岩石的增温速率降低,应力致热效应降低。提出:以声发射事件率和平均红外辐射温度的空间相关性由连续有规律向离散无规律转变,相关系数在时间上持续降低作为岩石破裂前兆特征。由于实际应用时岩石破裂的复杂性,故可将声发射和红外两种手段相结合,以提高现场岩体稳定性监测的准确性。     

花岗岩破裂渗水过程红外辐射与声发射特征研究

通过声发射仪、红外热像仪观测有水压条件下的花岗岩试样单轴加载实验,研究加载过程中试样的声发射与红外辐射特征以及花岗岩破裂与渗水的红外及声发射异常前兆。研究结果显示：随着应力的逐步增加,试样的红外辐射表现为早期均匀上升、中期局部高温异常、后期渗水区低温异常;在破裂及渗水过程中,红外辐射表现为高温辐射场包围低温辐射场;花岗岩破裂-渗水的红外异常前兆为渗水点出现明显的“先升后降”红外辐射现象; 32～128 kHz频段是花岗岩破裂渗水时声发射信号的特征频带,且在渗水前夕该频带能量呈百分比下降趋势,并在渗水发生时降至最低点。上述实验结果对巷道开挖过程中透水事故的遥感监测预警具有重要的意义。     

压缩应力下超高分子量聚乙烯的红外辐射研究

对超高分子量聚乙烯 (UHMWPE)材料进行了单向压缩的热红外辐射探测实验 ,研究结果表明 :在整个压缩过程中 ,红外辐射温度 (AIRT)随应变增加而变化的趋势包括变化幅度较小、随应变增加而近似线性增加、增长速度减缓 3个阶段 ;AIRT增长范围、增长趋势受加载速度的影响 ,加载速度越大 ,IRT增幅越高     

拉伸应力下超高分子量聚乙烯的红外辐射研究

对超高分子量聚乙烯 (UHMWPE)材料进行了单向拉伸的热红外辐射探测实验 ,分析了在 5mm min、5 0mm min、1 0 0mm min、5 0 0mm min 4种加载速度下的UHMWPE材料应力与应变、平均红外辐射温度与应变、平均红外辐射温度与机械功之间的定性关系。实验结果表明 :平均红外辐射温度变化与应变和加载速度正相关。在拉伸的初始阶段 ,UHMWPE材料的红外辐射温度先降后升 ;拉伸至断裂过程中 ,UHMWPE材料的平均红外辐射温度随机械功增加而增加     

饱水粉砂岩破裂失稳过程中红外温度突变异常

岩石加载条件下微破裂的发育将引起岩石表面红外温度发生变化,临破裂岩石微破裂的加剧发育可能导致其红外温度发生突变异常。为从红外温度突变的角度探寻岩石受力灾变前兆,进行了粉砂岩单轴压缩红外-声发射实验,对热图像序列按1 s/帧进行重采样与差分处理,并从升温和降温2个过程、幅值和规模2个角度对受力岩石的红外温度突变特征进行研究。结果表明,临破裂粉砂岩存在红外温度突变异常前兆,包括突升异常、突降异常前兆与突变极值异常、突变点量异常前兆;对于低强度的粉砂岩,因张破裂较为发育而导致红外温度突降异常前兆的出现概率普遍高于突升异常前兆;突升异常、突降异常前兆之间具有负相关性,突变极值、突变点量异常前兆之间具有正相关性,4种形式的红外温度突变异常前兆既能相互补充,又能相互验证。     

矿井巷道中损耗媒质对红外辐射的影响

红外辐射在空直巷道中损耗极小,近似作自由传播。在直的矿井巷道中,红外辐射的主要损耗来自于水汽、粉尘、各种对红外辐射吸收性强的气体分子。在地球大气红外辐射传输特性的理论基础上,研究了矿井中损耗煤质对红外辐射的影响。通过数值模拟,初步得出了红外辐射透过率与矿井巷道中各损耗媒质间的变化规律。     

地应力对煤层开采底板破坏控制效应实验研究

为了研究地应力对深部煤层开采底板破坏深度的控制效应,论述了地应力随地层埋深不断增加而增大的分布规律,分析了地应力、矿山压力和底板突水的内在关系,通过室内岩石应力、应变和破坏特征实验研究,结合国内现场底板破坏深度统计资料分析,得出了地应力对深部煤层开采底板损伤破坏深度具有明显的控制效应,并提出了深部煤层开采底板破坏深度计算公式。     

采动过程中煤岩电磁辐射影响因素研究

电磁辐射法是一种能够有效预测预报煤岩动力灾害的地球物理方法,利用KBD7电磁辐射监测仪对红菱矿1200,1204工作面回风巷煤岩采动过程进行了连续监测,探讨了采动过程中煤岩电磁辐射机理,并分析了电磁辐射信号与采掘工艺、地质构造及防突措施等影响因素的关系。     

分段水力压裂技术提高煤层块煤率的试验研究

为了解决陕北侏罗纪厚硬煤层综采能耗大、块煤率低的问题,采用水力压裂造缝技术提高煤层开采的块煤率、降低煤尘。以陕北某国有煤矿为例,在矿区回采工作面进行水力压裂试验及分析,并对试验段和非试验段的块煤率、煤层截割比能耗、含水率和工作面粉尘浓度进行现场统计,得出:水力压裂技术在煤层中的起裂压力、时间及扩散半径等参数。通过回采试验区和非试验区的对比,得出采用水力致裂煤层后,采煤块煤率、工作面粉尘浓度具体的改善程度。研究表明,对煤层进行超前水压预裂,具有清洁高效、提高块煤率及降低煤尘等优点,采用分段水力压裂技术可大幅度提高单孔的造缝率,具有很好的推广价值。     

Test study on rupture process and permeability properties of coal-rock in simulating mining stress effect

A test system was designed by using a set of self-made experimental devices of coupled coal-gas in simulating mining stress effect, combining the equipment with RMT-150B rock mechanical experimental system, monitoring the rupture process of coal-rock with an acoustic emission (AE) device and collecting gas-flow rate and gas-stress data in real-time automatically with a gas flow-meter and gas pressure sensor. The fracture process and permeability properties test of the coal-rock in mining stress effect was carried out. Test results indicate that AE events and variation of stresses have the same variance tendency and the rupture process of coal-rock can be monitored by AE. The relation curves among stresses, parameters of AE and permeability properties demonstrate that the permeability of coal-rock decreases gradually at quasi-elastic stage, increases gradually at plastic damage micro-fracture stage, rises suddenly near the peak point and has multi-variation at post-peak slip stage. From the results, such conclusion can be drawn that the variation of permeability can be monitored by AE parameters or stress change. Supported by Significant Public Welfare Project of Henan Province (08110091500); the Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education (20070460001); National Nature Science Foundation of China(50478061)     

力热耦合作用下煤岩吸附及渗透特性的试验研究

利用等温吸附试验仪器与含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,为模拟深部煤层瓦斯开采过程,分别进行不同温度下等温吸附试验与孔隙压力升高的渗流试验,建立考虑过剩吸附量修正的吸附模型并修正吸附膨胀模型,探究力热耦合作用下煤岩吸附与渗流变化规律。结果表明:瓦斯吸附量在不同温度下随瓦斯压力升高均呈增大趋势,随温度升高吸附量逐渐降低。在高压下需考虑过剩吸附量造成的误差,修正的Langmuir模型比原模型计算结果精度更高;建立了考虑温度与过剩吸附量修正的吸附变形模型与吸附膨胀模型,煤岩吸附应变随孔隙压力升高而减小,且温度越高应变变化量越小。随孔隙压力升高,煤岩渗透率及吸附膨胀与滑脱效应导致的渗透率变化量均呈下降的趋势,且随温度升高3者逐渐增加;吸附膨胀是引起煤岩渗透率减小的主要因素,吸附膨胀与滑脱效应对渗透率的贡献率随孔隙压力升高逐渐下降,其贡献率均随温度升高逐渐增加。     

覆压下煤的孔渗性实验及其应力敏感性研究

采用沁水盆地南部煤样,通过覆压下煤的孔隙度和渗透率实验分析,建立了高煤级煤样孔隙度、渗透性与有效应力之间的相关关系和模型;采用渗透率损害率和应力敏感系数分析了高煤级煤储层的应力敏感性。研究结果表明:煤样孔隙度和渗透率随着有效应力的增加按负指数函数规律降低。在有效应力小于5或6 MPa,煤储层应力敏感系数变化较大,且煤储层应力敏感系数随有效应力增加而快速下降;渗透率损害率随有效应力的增加而快速增大,应力敏感性强;而在有效应力大于5或6 MPa时,煤储层应力敏感系数随有效应力的增加下降速度整体减缓,且存在一定波动变化,应力敏感性减弱,同时渗透率损害率随有效应力的增大而增加较为缓慢。     

延长烟煤与玉米秸秆共热解实验研究

为研究内在碱(土)金属对煤炭、生物质共热解过程的影响,对原料进行酸洗脱灰处理,探索内在碱（土）金属对共热解的影响作用机理。在热重分析仪中对玉米秸秆（CS）,延长烟煤(SM)单独以及两者混合共热解的热解特性进行研究。实验结果表明,两者在共热解过程中发生了协同作用。对玉米秸秆,延长烟煤进行酸洗脱灰分处理,考察两者内在碱（土）金属对混合共热解的影响。采用Coats-Redfern法对玉米秸秆,延长烟煤以及两者共热解过程的主要阶段用一级动力学反应过程进行描述,计算其动力学参数。对比酸洗玉米秸秆（DECS）与延长烟煤,酸洗延长烟煤(DESM)与玉米秸秆的共热解实验,酸洗后的共热解过程中,其活化能增加,指前因子下降,证明了生物质中的碱(土)金属对共热解过程起到了催化作用。     

Experimental study on dimension-form effect for compressive strength of coal

The uniaxial compression tests of cylinder standard specimens and different dimension cube specimens of No.13 coal seam of Jianxin Colliery were carried out using MTS, and the basic mechanics parameters of Jianxin Colliery 13 coal were studied. The dimension-form effect of uniaxial compression strength was analyzed. The exponent formula σc=6.928＋130.269 8 exp（-0.105 95D）of dimension effect was fitted. While the side length of specimen reaches 80 mm, its unaxial strength tends to a stable value which is called to be the strength of coal mass. Studies indicates that since the cube specimen suffered more shake than the cylinder one during machining and processing and the stress is centralized at four corners of cube during compressive experiment, the coal strength of standard cylinder specimen is higher than that of cube one.     

高突低渗煤层立体网状穿层压裂防突技术试验研究

为了解决单一低渗高突煤层瓦斯治理难题,运用弹性力学和断裂力学的理论,提出立体网状穿层压裂增透消突技术,建立计算目标煤层起裂压力的模型。集成配套了井下压裂成套设备,首次利用SF6 气体示踪剂确定立体网状穿层压裂范围。结果表明：技术实施后,缝隙网络发育、瓦斯抽采效果提高了1.69~1.83倍,煤层膨胀率达到0.581%,电磁辐射预测突出指标降低了35%~45%,增透消突效果显著。大范围、区域化实施立体网状穿层压裂技术,能够实现技术优越性。     

伊泰矿区井下地应力测量及应力场分布特征研究

采用小孔径水压致裂地应力测量装置在伊泰矿区3个煤矿完成了10个测点的原岩应力测量。实测数据表明：矿区应力场属于低地应力值区域,构造应力占绝对优势,最大水平主应力方向以北东方向为主;由于受埋藏深度、地质构造和地形地貌影响,各矿地应力值差别较大,最大水平主应力方向亦有所偏差。基于实测数据,得出最大与最小水平主应力,最大水平主应力和垂直应力的差值普遍较大,导致岩体内剪应力较大;分析了地应力随埋藏深度的变化规律,并得出水平主应力与埋深之间的关系。