瓦斯对冲击性煤样能量耗散的影响

基于煤的冲击倾向性分类及指数测定方法,进行了不同瓦斯压力下煤样冲击倾向性测定,应用能量积聚与耗散的方法,分析了不同瓦斯压力环境中煤样单轴压缩与循环加卸载过程中能量积聚与耗散关系。研究表明：随着瓦斯压力的增大,煤样的冲击倾向性指数减小,冲击倾向性降低;煤样破坏前储存的弹性能降低,破坏时耗散能增率呈非线性快速降低趋势;在循环载荷作用下,煤样在相同循环中耗散能随着瓦斯压力的增加而增加。在不考虑瓦斯膨胀能的情况下,瓦斯压力的增加降低了煤层冲击地压的破坏性。因此,高瓦斯矿井在深部开采中进行冲击倾向性评价时应考虑瓦斯因素。     

不同分级循环加卸载模式下岩石能量 演化规律研究

为了深入分析循环加卸载过程中岩样能量演化规律,设计了3种不同的单轴循环加卸载试验,详细分析了不同分级循环加卸载模式下的总吸收能、弹性应变能、耗散能、塑性变形能等参数的演化特征及其相互关系,建立了耗散能与循环应力等级、循环加卸载次数变化的演化方程。结果表明:1)随着循环加卸载应力等级的提高,耗散能Use和塑性变形能Ue呈现非线性增加的趋势;2)岩样在第3种循环加卸载模式下,整体上耗散能Use和塑性变形能Ue表现出"U"形变化的规律,在第Ⅰ级和第Ⅱ级循环荷载下强化效应突出,而在第Ⅲ级和第Ⅳ级循环荷载下扰动效应突出;3)循环加卸载上限应力不变,下限应力减小时,循环荷载对岩样的损伤效应比其强化效应明显;4)循环加卸载作用下岩样的耗散能Use与循环荷载应力等级、循环次数相关,可以采用非线性曲面较好的拟合,这为采用耗散能Use来定量分析循环加卸载过程中岩样的损伤奠定了较好的基础。     

循环加卸载下岩石变形破坏的损伤、能量分析

利用金川二矿区深部采集的含辉橄榄岩、花岗岩和混合岩进行了常规单轴压缩试验和循环加卸载试验,结果表明循环加卸载条件下的弹性模量值较常规单轴压缩试验小。运用损伤力学分析了循环加卸载条件下弹性模量降低的现象,结果表明应力—损伤呈线性关系,损伤—应变也呈线性变化,含辉橄榄岩的累积损伤最大,花岗岩次之,混合岩最小;基于损伤力学的"应变等效假说"算出了加卸载条件下弹性模量的理论值,与实测值比较发现偏差较大。对循环加卸载应力—应变曲线中的塑性滞环进行了能量分析,研究表明含辉橄榄岩的能量耗散值最大,花岗岩次之,混合岩能耗最小;能量耗散值与应力呈线性关系,后次循环加卸载所耗散的能量不等于前几次能耗值的累加,主要是由于岩石材料的缺陷和非线性的特征所致。     

加卸载条件下煤样应变与渗透性的演化特征

随着开采深度的增大,高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井,相继发生冲击地压或兼具冲击地压和煤与瓦斯突出特征的煤岩瓦斯复合动力灾害。在煤层开采过程中,采煤工作面前方煤体垂直应力陡增、水平应力卸除。煤层高瓦斯内能与煤岩系统地应力、支承压力的叠加为煤岩复合动力灾害的发生提供了力学条件。因此,为了研究气体压力和采动应力对煤岩变形和瓦斯流动状态的影响机制,利用煤岩变形-渗透率同步测试系统,采用轴向加载、径向卸载的加卸载实验方案模拟开采过程中支承压力和水平应力的变化特征,观测了煤样在不同气体压力下加卸载过程中的应变和气体流量。实验结果表明:加卸载初期差应力较低,煤样以压缩变形为主,其内部裂隙闭合,透气性降低;当差应力达到某一值时,相继出现气体流量由降低转为升高的拐点和扩容现象;扩容之后煤样产生塑性变形,其透气性进一步增大,更多气体从煤样中析出。大部分实验煤样发生扩容之前出现气体流量拐点,可见扩容之前,煤样内部的微裂缝已经开始延伸或者扩展。随着气体压力的升高,扩容起始点和气体流量拐点对应的差应力降低,因此高瓦斯压力会导致采动影响下煤体内部微裂缝扩展的应力门槛降低。气体压力较高(2.0 MPa)时,煤样扩容起...     

循环荷载作用下煤样疲劳特性的试验研究

在地下采矿工程活动中,煤岩体时常受到循环荷载作用致使煤体强度降低,从而减少煤柱及巷道的服务年限。本文借助MTS815岩石力学试验机、核磁共振(NMR)无损检测仪对不同应力幅值的煤样进行疲劳损伤研究。结果表明,随着应力幅值的增加,煤的弹性模量、泊松比、滞回环面积以及加卸载响应比均逐渐增加,该结果提供了有益的参考价值。     

不同应力路径下岩石能量耗散研究现状及分析

深部岩体在受力破坏过程中,能量耗散是引发岩石损伤、破坏的内在动力,可能导致岩爆等动力灾害,因此不同应力路径下岩石能耗问题的研究越来越重要。结合文献,对岩石在不同应力路径下的破坏过程中能耗问题的研究进行总结,表明：仅考虑一维应力条件下岩石破坏过程中的能耗问题是不全面的,需深入分析多维应力条件下岩石的能耗规律;能量耗散反映岩石微裂纹闭合演化程度,通过能耗判断岩石损伤特性是一种有效可行的方法;循环加卸载路径下的能耗演化工作量不足。而层状复合岩石是岩体结构的薄弱环节,对岩体稳定性具有重要影响,有必要进一步对其动力学特性及能耗规律展开研究,以正确综合评价岩石破坏的力学特性。     

循环加卸载下花岗岩能量演化及分配规律

为探究岩石损伤破坏过程中的能量演化及分配规律,以焦家矿区花岗岩为研究对象,利用ZTR-276三轴应力试验系统进行三轴循环加卸载试验,。研究结果表明：循环加卸载试验过程中,花岗岩的应力峰值和轴向应变量随着围压增加逐渐增大,表现出明显的围压效应;循环加卸载试验下,总能量密度,弹性能密度和耗散能密度在峰前阶段均与轴向应变呈正相关关系;随着围压增大,岩石储能效率增加,最大弹性能占比增大,最大耗散能占比却随着围压的增大而降低。研究结果可为循环扰动条件下深部巷道围岩损伤破坏失稳提供理论指导意义。     

基于离散元法的岩石细观能量转化特征及影响因素分析

为揭示荷载作用下岩石细观能量转化特征及查明其影响因素,基于离散元PFC2D软件建立砂岩数学计算模型,通过试错法匹配试验应力—应变曲线标定细观力学参数,对不同围压、加载速率和颗粒直径下砂岩受压试验进行离散元研究。分析砂岩变形破坏全过程细观能量演化及转化特征,探讨细观能量转化机制及细观能量转化影响因素。研究结果表明:细观线应变能和黏结应变能在峰值应力前随变形增大而增大,峰值应力后释放并逐渐平缓发展;摩擦耗散能随变形增大而增大,阻尼耗散能演化趋势与宏观贯通裂纹形成相关;以耗散能转化率为例,能量转化经历了4个阶段,与裂纹发展趋势一致,且其极小值对应岩石损伤应力;损伤应力后,围压、加载速率的增大降低耗散能转化及其增长速率,颗粒直径的增大仅降低耗散能转化率,不影响其增长速率。     

循环加卸载下煤岩变形特征试验研究

岩石变形特征与所受的应力状态以及加载历史密切相关。不同围压下控制轴向应变和控制环向应变的煤岩循环加卸载压缩试验表明:煤岩在循环加卸载过程中应力与应变不再是一一对应的关系,加载曲线与卸载曲线形成封闭的塑性滞回环;在变围压加卸载循环过程中,随着围压的增大,煤岩逐渐表现为线弹性性质;煤岩在反复加卸载过程中,其弹性模量几乎保持不变,而塑性应变却发生较大的变化;且随着循环次数增加,残余变形逐渐变小,泊松比逐渐变大。     

冲击载荷下煤样能量耗散与破碎分形的长径比效应

为研究不同长径比煤样动态压缩下能量耗散规律和破碎分形特征,采用?50 mm分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bars, SHPB)试验系统,以相同冲击气压0.35 MPa对直径50 mm,长径比分别为0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9和1.0的煤样进行单轴冲击压缩试验,定义了可判定应力平衡状态的指标——应力平衡系数ξ,发现了能量耗散的长径比效应并讨论了其与应力平衡的关系,分析了长径比和耗能密度对煤样破碎分形特征的影响。研究结果表明：不同长径比煤样应力-应变曲线形态基本一致,均包含弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段3个阶段,随长径比增加,曲线塑性阶段增大;根据应力平衡系数ξ确定煤样的临界长径比为0.6,低于临界长径比的试件易达到应力平衡,超过临界长径比试件将难以在破坏前达成应力平衡;煤样动态压缩破碎耗能与耗能占比的长径比效应表现为：随长径比增加分2个阶段,且其分界点接近临界长径比,各阶段内呈线性增加关系,阶段间呈台阶式下降;试件尺寸增加引起原生缺陷摩擦耗能增加和端部摩擦效应增强,超过临界长径比的试件应力达到峰值前其变形量降低形成了破碎耗能...     

单轴循环荷载作用下砂岩变形特性与能量特征

为了研究单轴循环荷载下砂岩的变形与能量特性,利用WDT-1500多功能材料试验机,对砂岩进行不同应力振幅条件下循环加载试验,研究了循环加载过程变形3阶段的变形特性、循环软化与循环硬化及能耗特征,并且建立了耗散能随循环次数变化的演化方程。研究结果表明：① 循环荷载上限高于或者低于砂岩屈服应力时,在循环加载过程中的初始阶段和等速阶段砂岩的环向和轴向变形表现出不同的变形特性;② 单轴压缩条件下的屈服应力是砂岩在循环加载过程中循环硬化和软化特性出现变化的分界点;③ 在循环加载过程中的不同阶段能量耗散特征及其演化规律是不同的,其演化曲线呈现U形或者L形;④ 提出基于Lazan材料阻尼理论的耗散能演化方程,试验数据与计算结果对比显示该方程能够较好地反映砂岩循环加载过程中的能量耗散特征。     

煤单轴抗压强度特性的加载速率效应研究

为考察加载速率对煤单轴抗压强度特性的影响规律,利用TAW-2000型电液伺服岩石力学试验系统对取自山西省正利煤矿的4~(-1)号煤进行了不同加载速率下的力学性能测试,研究了峰值强度、弹性模量、轴向应变等与加载速率的关系,并探讨了试件可释放弹性应变能与耗散应变能随加载速率的变化规律。研究表明:1)与硬脆岩石不同,煤样的峰值强度随着加载速率的增大呈现先增高后降低的趋势。2)煤样的损伤应力与加载速率呈负相关。3)加载速率越快,试件轴向载荷增加越快,但当加载速率超过1.16×10~(-3) mm/s后载荷增加速度基本稳定。加载速率越快,试件损伤应力出现的越早,试件破坏越快。4)单轴压缩试验第Ⅰ阶段煤样耗散应变能转化速率均处于较低水平,且与加载速率呈负相关,第Ⅱ阶段耗散应变能随加载速率的增加大致呈先增大后减小的趋势,各煤样耗散应变能转化速率的最大值均出现在峰值点或峰后轴向应力陡然跌落点。     

循环荷载条件下原煤力学性质及损伤演化规律

对原煤试样分别进行了常规加载和循环荷载条件下的单轴和三轴力学强度试验,借助声发射技术,系统研究了单轴循环荷载及三轴循环荷载条件下原煤的损伤演化规律并对比分析。常规循环荷载试验结果显示:从循环初始至结束,煤岩内部损伤过程具有明显的3阶段,即初始损伤阶段,微裂纹扩展萌生稳定增长阶段,裂纹贯通破坏阶段;定量分析了应变峰值、卸载刚度及损伤变量在循环荷载过程中的变化规律,单轴循环试验初始损伤阶段的损伤程度较大,第3阶段损伤变量变化显著;三轴循环试验损伤过程中第1阶段最显著,而在损伤第3阶段,煤样临近破坏时损伤变量略微升高,与单轴试验损伤变量显著增加的情况不同;循环应力上限处声发射现象最强烈,说明循环过程中应力上限时的内部损伤程度最大。分级循环荷载试验结果显示:分级荷载增加初期应变回滞环较密集,声发射现象显著,试样破坏时声发射计数最大;各级循环也具有损伤不同阶段特征,达到损伤稳定阶段的损伤变量近似值与均值压力呈指数型变化关系。     

循环加卸载下含瓦斯煤能耗与渗流特性研究

以马兰矿8#煤层煤样为研究对象,进行不同围压下的采动轴向循环加卸载实验,研究煤体渗流特性及能耗损伤特征。结果表明:随着轴向应力的循环加卸载,σ1-ε1曲线呈现螺旋式上升,卸载曲线与下一次的加载曲线之间形成明显的滞回环,加卸载渗透率-应变曲线逐渐变为细长的"条带状"曲线,并在较低围压下出现交叉;随着加卸载次数的增加,渗透率绝对恢复率减小,最大降低率达20%左右,围压越大渗透率恢复越困难。随着加卸载上限应力的增大,煤体在加卸载过程中吸收的总能量、弹性能和耗散能均随着循环次数的增加而增加,煤体的损伤变量也在增大,但增加速率较缓;在循环加卸载结束至煤体屈服点阶段,渗透率随损伤增加呈对数函数减小,直至达到渗透率最低点;在屈服点至煤体破坏阶段,煤体损伤变量增加速率变快,渗透率随损伤的增加呈指数函数增大,煤体开始加速破坏。     

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。     

单轴加载作用下花岗闪长斑岩声发射特性与破坏前兆研究

准确判别岩石产生失稳破坏是当前研究的热点。本文通过花岗闪长斑岩试样单轴加载声发射试验，并分析其受载作用下失稳破坏全过程声发射的幅值、振铃计数率和b值变化特征可知：振铃计数率与b值的整体变化趋势具有高度相似性，均能反映岩石承载作用下其内部新裂缝的产生、发育、贯穿直至失稳破坏的变化规律。进一步发现，当加载应力达其峰值强度的 80%～90% 时，不仅振铃计数率进入大幅度反复振荡的非稳定期，而且声发射b值的峰后“断崖式”回落中出现“波动中值”，此现象可作为岩石失稳破坏前的判据。研究成果可为岩体变形破坏预测预警提供理论依据。     

率效应影响下煤的冲击特性评价方法及应用

加载速率的变化能够影响煤的强度表现,进而影响煤的冲击特性。选取属性相近(出自同一煤块)煤样进行多加载速率力学试验,得到试样的部分冲击特性评价指标(单轴抗压强度和冲击能量指数)随加载速率的变化规律,结果表明,上述指标随加载速率的增加先升高后降低,即存在临界加载速率,其冲击倾向性评价结果出现从无到强的全部可能性,且临界加载速率对应最强冲击可能性,提出描述该特性的“加载速率敏感度”指标和避免临界加载速率的方法,基于现场监测设计工作面推进速度与试验室加载速率的转换流程,实现了试验室结论向现场的应用,应用表明该方法具有较好的适用性。     

基于SPH的煤岩单轴加载声发射数值模拟

基于SPH(光滑粒子流体动力学)数值计算方法,研究了非均质煤岩材料的单轴压缩试验声发射效应,揭示了煤岩的声发射效应随着均质度m的变化规律。研究表明:随着均质度m值的增大,试件的声发射效应由群震型逐渐变为前震—主震—余震型、主震型;试件积聚能量的能力逐渐增强,材料属性由理想弹塑性材料向极端脆性材料转变,破坏模式由塑性流动破坏逐渐变为脆性破坏,其破坏形式越来越剧烈。     

循环载荷作用下煤体渗透率演化的实验分析

多期次载荷作用下的煤体,其孔隙结构会发生复杂变化,渗透率也随之改变。然而,不同加卸载速率与循环周期决定着煤体渗透率变化路径,影响其应力敏感性,开展循环载荷控制下煤体渗透率演化规律研究,对于解释复杂应力场下煤层渗透率的各向异性特征有理论支撑作用。借助于煤层渗透率应力敏感模型分析,研究了影响煤体渗透率变化的关键表征参数及其函数关系;为验证关键参数对煤体渗透率影响,采用预定轴压和气压、加卸载围压的方式开展煤体三轴循环变载气体渗流实验,分析在不同围压(2.0～12.0 MPa)下煤体渗透率和体应变的演化规律;为研究煤体孔隙结构变化对渗透率的影响,通过低温氮气吸附实验和荧光显微镜煤样观测统计,完成了循环载荷加卸载前后煤体孔隙结构变化对比。研究结果表明,煤体加载/卸载过程中渗透率变化趋势与围压变化负相关,总体可以分为线性段、指数段和稳定段等3个阶段;随循环加载次数的增加煤体应变逐步增大,而渗透率却随之降低;相同条件下,煤体渗透率随体应变增加而升高,增幅在16.79%以上,而渗透率恢复率逐步降低,且与围压变化负相关;3次循环加卸载实验导致煤体孔隙结构发生了显著变化,微孔体积提高71.79%,比表面积增加52.19%,而平均孔径降低32.06%,但循环载荷没有改变煤体的最可几孔径;孔隙结构变化的数据表明,微孔体积增加是煤体渗透率劣化的重要标志之一。对比循环载荷作用前后的孔隙结构实验数据发现,影响气体吸附-解吸的孔隙结构变化,决定了"迟滞环"面积,而决定"迟滞环"形状的关键因素是由煤体最可几孔径控制的突变压力。另外,煤体应变包括裂隙体积变化和孔隙体积变化两部分,其中裂隙影响重要度指标(χ)反映了裂隙体积变化在煤体应变中的权重关系,χ变化随围压升高而降低。