煤岩固-气耦合细观力学试验装置的研制

为从细观力学的角度出发研究含瓦斯煤岩变形破坏规律,研制一种煤岩固-气耦合细观力学试验装置,并对装置密封、透明视镜等关键技术难点进行深入分析.该试验装置主要由加载系统、充瓦斯系统、细观观测系统和声发射监测系统4个部分组成.与现有的细观试验装置相比,该装置具有以下特点:可提供单轴、平面应变、三轴σ2 =σ3)三种受力状态;试验测试方法多样化,可进行试验过程中的实时显微图像观测和应力-应变、声发射信号的采集;具有良好的气密性和耐爆性,创造具有瓦斯的试验环境,使煤与瓦斯突出机制的试验研究更加接近矿山实际;装置的结构简单,成本低,系统可靠性高.利用该装置进行瓦斯压力为1.0 MPa、围压为1.0 MPa(σ2 = σ3)下的煤岩细观力学试验,得到煤样受力破坏全过程的表观图像和声发射特征,以此分析试件破坏前后局部区域张拉裂纹的形成和扩展情况.初步的试验结果表明,该试验装置为固-气耦合条件下的相关试验研究提供新的测试手段,具有较大实用价值.     

含瓦斯煤岩细观剪切试验装置的研制及应用

 介绍自主研发的含瓦斯煤岩细观剪切试验装置,该装置主要由主体结构、加载系统、瓦斯充气系统、裂纹观测系统和声发射系统5个部分组成。该装置具有如下特点：(1) 可进行流固耦合作用下煤岩剪切力学特性试验,为从细观角度研究煤与瓦斯突出机制提供可靠的试验手段;(2) 具有良好的气密性,能保证煤样达到充分吸附瓦斯状态;(3) 设计侧向加载系统,能实现限制性及非限制性剪切试验功能;(4) 试验数据测试手段多样化,实现剪切力–剪切位移、裂纹细观图像及声发射信号的同步采集;(5) 整体设计上具有结构简单,加工成本低,可靠性好,操作方便等特点。采用该装置进行瓦斯压力分别为0.5,1.0,2.0 MPa下型煤试样的非限制性直剪试验,获得剪切力–剪切位移曲线及剪切面裂纹的细观演化过程,并依此分析直剪过程中煤样微裂纹的形成、扩展、贯通进而诱导失稳破坏的力学过程。试验结果表明,该装置具有较好的实用性和可靠性,为进一步研究煤岩剪切细观力学特性提供新的测试手段。     

不同瓦斯压力下煤岩声发射特征试验研究

利用自主研发的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置配合声发射监测系统，进行不同瓦斯压力作用下煤岩在常规三轴压缩下的声发射(AE)特征试验。研究结果表明，瓦斯压力对煤岩起到软化作用，随着瓦斯压力的增加煤岩在加载过程中的脆性减弱，延性增强，抗压强度和弹性模量随着瓦斯压力的增加呈现出减小的趋势。根据试验所得煤岩声发射特征与应力-应变以及声发射累积振铃数与应变关系，得出在常规三轴压缩破坏过程中不含瓦斯煤岩的破裂类型为突然破裂型，含瓦斯煤岩的破裂类型为稳定破裂型。在同时考虑应力和瓦斯压力引起煤岩损伤的基础上，建立不同瓦斯压力作用下，由声发射累积振铃数表示的煤岩损伤关系式，并对所建立的损伤关系式进行验证，验证结果表明建立的基于声发射的煤岩损伤关系式从某种程度上真实地反映了含瓦斯煤岩的破坏过程及强度特征。     

煤岩剪切–渗流耦合试验装置研制

详细介绍自主研发的煤岩剪切–渗流耦合试验装置的结构和功能。该装置系统包括伺服控制加载系统,流体源加载系统,剪切盒及其密封系统,控制与数据采集系统,煤岩断面三维扫描系统5个部分。其中,剪切密封系统可实现高性能综合试验条件下密封效果良好;伺服控制加载系统可提供常法向(剪切)荷载、常法向(剪切)位移加载方式以及不同荷载加载速率与不同位移加载速率的加载方式,并可通过控制与数据采集系统对试验全过程进行实时操控;流体源加载系统可提供高至5 MPa水头压力或气压,并保持稳定;试件剪切变形、法向变形采用位移传感器与变形传感器双重监测手段,可保证高精度条件下完成剪切–渗流耦合试验;煤岩断面三维扫描系统可采集煤岩断面三维信息,便于进一步研究断面特征与裂隙渗流耦合机制。利用该装置对完整砂岩进行试验,结果表明:该煤岩剪切–渗流耦合试验装置满足预期试验功能要求,试验过程稳定,操作简便,试验数据精度高。既可应用于研究裂隙岩体的水力学特性及岩质边坡滑坡机制,也可应用于开展原岩地应力状态及采动影响条件下煤层内部煤岩剪切破断过程及其与煤层瓦斯渗透性耦合机制的试验研究。     

基于能量耗散的煤岩三轴受压损伤演化特征研究

在煤矿资源的地下开采工程活动中,煤岩处于轴压、围压和瓦斯气体相互耦合的复杂应力环境。为探究煤岩受压过程中的损伤变形及能量演化特征,利用含瓦斯煤热–流–固耦合三轴伺服渗流试验装置,开展煤岩在不同围压及不同瓦斯压力条件下的三轴压缩试验研究。基于连续损伤力学理论,从能量角度理论推导由非均质威布尔函数、能量耗散函数及塑性应变函数构成的损伤应力–应变函数,并在此基础上建立基于能量耗散的煤岩损伤本构模型。研究结果表明:(1)不同围压、不同瓦斯压力下煤岩应力–应变变化趋势及塑性变形行为具有阶段性特征。(2)对应不同的变形破坏阶段煤岩的能量演化趋势呈阶段性变化,应力峰值点处煤岩吸收的总能量随围压的增大而增大,弹性能及耗散能也呈现增大的趋势;随着瓦斯压力的上升,煤岩吸收的总能量和弹性能在应力峰值点处呈下降趋势,耗散能呈上升趋势。(3)构建围压及瓦斯压力效应下基于能量耗散的煤岩损伤本构模型,并通过试验验证该模型具有较好的合理性。(4)不同围压及瓦斯压力下煤岩能量耗散与损伤演化均呈"S"型演化趋势。     

瓦斯压力对砂岩力学特性影响的试验研究EI北大核心CSCD

利用自行研制的"煤岩热流固耦合试验系统(THM–2)",以砂岩为研究对象,进行不同围压和不同瓦斯压力条件下的三轴加载试验,探讨瓦斯压力对岩石力学特性的影响,结果表明:3 MPa瓦斯压力下三轴抗压强度和弹性模量均比无瓦斯条件下小;相同应力下,含瓦斯岩石的应变较大。瓦斯压力对岩石的力学特性起到了弱化作用,使三轴抗压强度表现出一定的非线性特征。采用抛物线型、Hoek-Brown(H-B)等型式的强度准则对岩石的非线性强度特征进行研究,提出考虑瓦斯压力作用的修改型H-B强度准则,经验证修正后的强度准则与试验数据吻合良好,可以作为瓦斯压力作用下岩石破坏的强度判据。     

煤岩全应力–应变过程中瓦斯流动特性试验研究

 利用AG–250kNI电子精密材料试验机,配合自制煤岩三轴蠕变瓦斯渗流装置,对煤岩全应力–应变过程中的瓦斯流动特性进行试验研究,得出煤岩在全应力–应变过程中瓦斯流动特性规律。试验结果表明：应变–瓦斯流动速度曲线与应力–应变曲线变化趋势具有相似性,且表现为少许滞后于应变的特点,这表明煤岩受载过程中的损伤演化决定着瓦斯在其内的流动特性,而瓦斯的吸附–解析过程及瓦斯在煤岩内流动需要时间是其表现出滞后性的主要原因。煤岩所受围压通过侧向压缩煤岩侧壁,导致其内部结构变化而对其所含瓦斯流动起到阻碍作用。进行2种不同粒径煤粉组成的煤岩比较试验,结果表明,其所含瓦斯流动特性差别较大,且颗粒组成较大的煤岩试件受外界条件影响较明显。     

应力-水流-化学耦合下岩石破裂全过程的细观力学试验

自行研制了应力–水流–化学耦合下岩石破裂全过程的细观力学试验系统,可以进行应力–水流–化学耦合下的多项岩石力学细观试验,实现了应力–水流–化学耦合下岩石破裂全过程的显微与宏观实时监测、控制、记录与分析的岩石力学试验。对不同化学溶液腐蚀的多裂纹灰岩试件,应用该系统进行了应力–水流–化学耦合下单轴压缩破坏全过程的试验。试验过程中试件一直浸泡在流速为513 mm/s 的相应的化学溶液中,对NaCl 溶液(0.01 mol/L,pH = 7)作用下裂纹的起裂、发展及贯通破坏过程进行了分析研究。与未受化学溶液腐蚀的相同裂纹排列方式试件的试验结果比较,受化学溶液腐蚀与未受化学溶液腐蚀试件裂纹扩展破坏过程差异的主要原因为化学溶液对试件产生了腐蚀及软化作用,而未受化学溶液腐蚀试件的破坏则为脆性破坏。试验研究结果证明了该系统的科学性和先进性。     

应力–水流–化学耦合下岩石破裂全过程的细观力学试验

自行研制了应力–水流–化学耦合下岩石破裂全过程的细观力学试验系统，可以进行应力–水流–化学耦合下的多项岩石力学细观试验，实现了应力–水流–化学耦合下岩石破裂全过程的显微与宏观实时监测、控制、记录与分析的岩石力学试验。对不同化学溶液腐蚀的多裂纹灰岩试件，应用该系统进行了应力–水流–化学耦合下单轴压缩破坏全过程的试验。试验过程中试件一直浸泡在流速为513 mm/s的相应的化学溶液中，对NaCl溶液(0.01 mol/L，pH = 7)作用下裂纹的起裂、发展及贯通破坏过程进行了分析研究。与未受化学溶液腐蚀的相同裂纹排列方式试件的试验结果比较，受化学溶液腐蚀与未受化学溶液腐蚀试件裂纹扩展破坏过程差异的主要原因为化学溶液对试件产生了腐蚀及软化作用，而未受化学溶液腐蚀试件的破坏则为脆性破坏。试验研究结果证明了该系统的科学性和先进性。     

型煤与原煤全应力–应变过程渗流特性对比研究

 利用自主研制的自压式三轴渗流装置对型煤和原煤试样进行三轴压缩渗流试验,得到不同围压下2种煤样的全应力–应变曲线,并利用流量计和环向引伸计自动采集整个试验过程中煤样的渗流速度和横向变形。从细观损伤力学的观点分析2种煤样不同的破坏形式以及煤样的变形破坏对渗流速度的影响;讨论渗流速度对外部变量的敏感性和煤与瓦斯突出的突发性。研究结果表明,2种煤样的全应力–应变曲线都可以分为5个阶段,并与渗流速度–轴向应变曲线具有良好的对应关系。由于型煤与原煤的结构特性不同,致使2种煤样受力以后具有不同的损伤机制,渗流速度–轴向应变曲线差异较大,尤其在破坏阶段。型煤变形主要在前2个阶段影响煤的渗流特性,而原煤在整个试验过程中都受影响;型煤的渗流速度对轴向压力和轴向变形最敏感,而原煤的渗流速度对体积变形和横向变形比较敏感。原煤全应力–应变–渗流试验的5个阶段可以较好地解释煤与瓦斯突出过程的准备、发动、发展和终止4个阶段,可以间接地利用煤体瓦斯渗流速度变化进行煤与瓦斯突出预测预报。研究结果对探索煤层真实的瓦斯运移规律具有一定的参考价值。     

冲击倾向性煤体破坏过程声热效应的试验研究

介绍自行设计的多系统、同步监测试验机构，并对冲击倾向性煤体分别进行单向加载和循环加载破坏试验。利用系统所具有的红外热像、声发射、应变等监测方式，分析两种加载条件下，冲击倾向性煤体破坏过程的声、热效应及破坏前的异常信息特征。对比研究不同监测方式下，冲击倾向性煤体中同一破坏事件的响应速度以及各自响应的灵敏度；获得冲击倾向性煤体的固有物理力学特性，并发现强冲击倾向性和非冲击倾向性煤体单轴压缩时的最终破坏前兆点分别为0．9和0．7个荷载强度比，也说明强冲击倾向性煤体的失稳破坏更突然、更难于预测。     

膏岩三轴压缩声发射特征及损伤演化研究

利用MTS 815岩石力学测试系统对膏岩进行不同围压下的三轴压缩试验,配合AE系统进行全过程声发射监测,展开了膏岩变形破坏过程的力学特性及声发射特征进行研究,并进一步探讨膏岩变形破坏过程损伤演化规律。试验结果表明:(1)膏岩是一种致密低渗岩石,气体孔隙度在1.30%~3.50%之间;(2)三轴加载条件下,膏岩的力学性质与声发射参数对围压的响应效果强烈,50 MPa围压较5 MPa围压下膏岩强度提高110.67%。高围压下声发射信号表现出明显的“滞后”效应,声发射集中分布区不断向后推移;(3)膏岩的临界围压为20 MPa。低围压下膏岩呈脆性破坏,破坏后形成宏观剪切面;临界围压下呈塑性破坏,破坏后形成共轭Y型剪切;高围压下呈延性破坏,破坏形态为鼓胀破坏;(4)膏岩损伤演化过程可分为初始损伤期、损伤快速发展阶期与损伤平稳期,能够与膏岩变形破坏阶段对应;损伤快速发展期为膏岩内部裂隙发展、贯通的主要阶段。     

不同强度煤体声发射特征研究

为研究不同强度煤承载的声发射特征,选取平均单轴抗压强度分别为30 MPa(大同矿区忻州窑矿)和10 MPa(双鸭山矿区东荣二矿)的煤体试样进行了单轴压缩条件下的声发射试验,对煤在单轴压缩过程各阶段声发射能量、振铃计数等进行分析.试验结果显示,不同强度的煤压缩过程中表现出的AE能量、振铃计数等存在着差异,尤其在线弹性阶段...     

单轴压缩下煤岩声发射及分形特征研究

为了研究煤岩在单轴压缩下的声发射及分形特征,利用RMT-150C 型岩石力学伺服试验系统和CDAE-1 型声发射检测仪对砂岩、砂质泥岩和戊组煤试样进行了实验研究。对砂岩、砂质泥岩和戊组煤的力学特性、声发射计数和累计计数以及声发射序列的分形特征进行了对比研究。研究结果表明:煤岩全应力-应变过程可分为四个阶段:初始压密阶段、准弹性阶段、塑性变形破坏阶段和残余变形阶段。初始压密阶段,声发射计数都比较低,累计计数增加的趋势特别缓慢;准弹性阶段,声发射计数有所增加,累计计数变化趋势相对较快;塑性变形破坏阶段,声发射计数都出现了跳跃式上升,声发射累计计数都出现了激增现象,但是砂岩的特别明显;残余变形阶段,声发射计数水平比较低,累计计数基本不增加了。煤岩破坏过程中声发射序列都具有分形特征,分形维值在煤岩破坏前会出现突降现象,可以作为预测煤岩动力灾害的前兆。     

煤岩体破裂过程中声发射行为及时空演化机制

 利用MTS 815试验机和声发射监测系统对单体岩石、单体煤和煤岩组合体进行单轴试验下的声发射测试,找出三者之间破坏机制的差异,从而为现场微震监测提供指导。试验结果表明,随着荷载的增加,单体岩石、单体煤及煤岩组合体的累积声发射数都增加,并且煤及煤岩组合体单位体积的声发射数要比岩石的声发射数高1个数量级,这主要是煤的强度较低且内部结构松软破碎所致。通过区分不同时段的声发射特征,得出三者破坏存在本质差异：随着荷载的增加,岩石的时段声发射数逐渐增多,煤的时段声发射数逐渐减少,而煤岩组合体的时段声发射先逐渐增加后逐渐减少。岩石的抗拉强度最高,煤的最低,而煤岩组合体的位于单体岩石和煤之间。对于煤岩组合体,岩石内部的声发射数约占声发射总数的10%～30%,煤体占70%～90%;并且声发射的空间分布主要受煤体结构及原生裂隙的影响。     

加载速率对煤样破坏力学及声发射特征研究

为了研究煤体破坏的加载速率效应,分别从煤岩力学性质、声发射特性和数值模拟角度进行了分析。采用RMT-150 C型岩石力学试验机构成的煤样单轴压缩实验系统,结合DS5型全信息声发射信号分析仪,研究了不同加载速率下煤样力学指标和声发射指标的演化规律,研究结果表明:加载速率由0.2 mm/s降到0.000 2 mm/s,煤样的抗压强度降低了58.7%,弹性模量降低了68.7%;声发射峰值计数降低了71.5%,声发射峰值能量降低了52.3%,声发射累计计数和累计能量却有所升高。从数值模拟结果分析:加载速率由0.2 mm/s降低到0.000 2 mm/s,声发射峰值计数降低了75.8%,声发射峰值能量降低了60.9%;声发射累计计数和累计能量均有所升高;煤样的抗压强度和弹性模量分别降低了62.3%和69.1%。数值模拟结果与实验结果规律相一致。     

基于声发射试验与线弹性能判据的玲南金矿岩爆研究

 以玲南金矿深部赋存的中粗粒二长花岗岩、蚀变带矿石为研究对象,现场取样并使用GAW–2000型微机控制电液伺服刚性压力试验机进行单轴压缩破坏试验,借助AE21C声发射检测系统对试件的加载破坏全过程进行声发射响应信号记录;通过对试验结果进行分析,揭示玲南矿区深部赋存两种岩石的破坏及声发射响应特征;在室内岩石力学试验与现场调研的基础上,结合线弹性能判据,确定玲南金矿十九中段不同岩石的岩爆倾向性,并通过将判别结果与声发射结果、现场情况进行对比,发现中等岩爆倾向的岩石的声发射能量累积计数是低等岩爆倾向值的15倍以上,因此对于借助室内声发射测试技术的能量累积计数率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。     

单轴压缩下煤岩宏观破裂结构及声发射特性研究

为了研究煤岩在单轴压缩下的宏观破裂结构特征和煤岩破裂过程中的声发射特性,对不同煤矿的煤岩进行了单轴压缩破裂实验和声发射监测实验。结果表明:单轴压缩下煤岩的宏观结构特征可以分为6类,分别为:(1)圆锥型破裂裂纹;(2)“八”字型裂纹;(3)“Y”和偏“Y”型破裂裂纹;(4)多个“I”字型裂纹;(5)“X”型破裂裂纹;(6)“S”型破裂裂纹。提出了煤岩单轴压缩下应力应变全过程可分为6个阶段:初始压密阶段、准弹性阶段、新裂隙渐生段、新裂隙速生段、裂隙扩展贯通段和残余变形段。研究表明在各个阶段声发射特征各不相同,分别为一定量、少量、明显增多、激增、最大值和微量,声发射特性能够较好地反应煤岩的破裂过程。     

含层理岩石的AE特征分析及基于Kaiser效应的地应力测试研究

 针对煤矿沉积岩系地应力测试需要,通过单轴压缩声发射实验,分析顶板含层理沉积岩系岩石试件的破坏特征、声发射特征,研究Kaiser效应点的综合判断方法及基于声发射Kaiser效应的地应力计算方法。研究表明：(1) 单轴荷载作用下,无层理岩石试件破坏过程为：加载→完全破坏,表现出脆性破坏特征;含层理构造的岩石试件的破坏过程为：加载→局部滑移剪切破坏→加载→剪切带失稳、岩石试件破坏。(2) 无层理岩石试件的AE总计数随时间的增长趋势表现为“缓慢增长→急剧飙升”型,而含层理岩石则呈现出“台阶状”上升趋势,分析认为产生这种不同规律的根源在于岩石内部损伤破坏过程的差异性。(3) 通过研究AE特征提出Kaiser效应点综合判断方法,并完善Kaiser效应法地应力计算方法,最终得到测点地应力为： = 25.06 MPa, = 13.75 MPa, = 8.07 MPa,验证表明：计算结果在大小及方向上均具有一定的可信度。故提出的Kaiser效应点判断方法和地应力计算方法可用于Kaiser效应法地应力测试,该实验研究方法和结果可为工程实践或类似研究提供借鉴和参考。     

含隐裂隙柱状节理玄武岩单轴力学特性研究

 对含原生隐裂隙的玄武岩试样开展单轴压缩试验,并同步采集岩样变形破坏过程中的声发射信息,结合试样的结构特征对试验结果进行系统分析,研究结果表明：(1) 隐裂隙影响试样的压缩破坏特征,试样受原生隐裂隙的切割,其压缩变形破坏模式为隐裂隙尖端裂纹的扩展、裂隙面之间的剪切滑移以及由裂隙面剪切变形而引起张拉破裂等构成的剪切–张拉型变形破坏模式。(2) 受原生隐裂隙的影响,试样在变形破坏阶段,应力–应变曲线呈“锯齿”状;(3) 含隐裂隙的玄武岩天然平均单轴抗压强度为106 MPa,低于同场地完整的隐晶质玄武岩;且试样中隐裂隙越发育,其强度越低;(4) 加卸载过程中,不同类型的变形所引发的声发射信号特征不一样,永久应变所引发的声发射信号幅值比弹性应变所引发的高;(5) 试样在破坏之前,内部破裂较少,声发射数保持平稳,进入变形破坏阶段后,声发射数激增;试样中的隐裂隙对声发射能量具有吸收效应,而当隐裂隙闭合时,吸收效果减弱。