新元煤矿破碎煤体单轴抗压强度快速测定方法研究及应用

单轴抗压强度(UCS)是衡量煤岩体力学性能的基本参数之一,破碎煤体UCS一直是煤矿工程师面临的一个难题。以新元煤矿为工程背景,提出了一种基于原位钻孔触探法快速测定破碎煤体UCS的方法,为构建破碎煤体单轴抗压强度现场测定方法提供了一个新的思路。首先通过优化探针直径和改进动力源,现场对破碎煤体进行原位钻孔触探强度测定,然后采集破碎煤样进行实验室点载荷强度测定,同时根据钻孔触探法和点载荷法2种测试方法将测试数据分为两组,得到对应测试结果威布尔分布相关参数,其次运用数理统计软件SPSS分别对回归方程和回归系数进行显著性检验,建立临界载荷(Pc)与点载荷强度指数(Is50)的关系,在此基础上借助Is50与UCS的经验关系,建立破碎煤体UCS与Pc的关系,实现破碎煤体UCS的原位快速测定。研究结果表明:钻孔触探法与点载荷法测试数据对应的威布尔分布形状参数分别为:4.02,4.12,即2种测试方法的测试结果分布函数形状基本一致;新元煤矿破碎煤体钻孔触探临界载荷与点载荷强度指数的关系为:Is50=0.066Pc-0.002;新元煤矿破碎煤体UCS与钻孔触探临界载荷的关系为:UCS=0.807Pc+1.726;新元煤矿破碎煤体钻孔触探临界载荷为1.55~3.48 MPa,UCS为2.97~4.53 MPa;新元煤矿破碎煤体UCS测定结果与现场估算较为接近,表明所提出的破碎煤体单轴抗压强度测定方法切实可行。     

破碎煤体钻孔触探法原位强度测试与分析

由于破碎煤体取样效果差,很难获得标准煤样,一般采用现场原位测试煤体强度,而常用的原位测试方法钻孔触探法在测试破碎煤体强度时出现探针跃进不明显问题。在煤体裂隙较发育的新元煤矿进行试验,采用直径分别为6,8,10mm探针对破碎煤体进行钻孔触探法强度测试,对132mm钻孔不同直径探针载荷与油压测试数据进行拟合分析,直径6mm探针两者相关性差,随着探针直径增大,探针载荷与油压拟合度提高,直径10mm探针两者相关关系明显增强。对56mm钻孔测试,两类尺寸钻孔测试数据均表明增大探针直径能够显著提高探针跃进现象,测试数据有效率增长速率由大变小,此外受钻孔直径影响,大直径钻孔比小直径钻孔测试有效率高约10%。     

千秋煤矿煤的单轴抗压强度与冲击能量指数关系

 为了搞清煤体强度对冲击地压防治的影响,通过试验研究了千秋煤矿二号煤层试样单轴抗压强度与冲击能量指数之间的关系。结果表明煤样的冲击能量指数与单轴抗压强度呈较显著的线性关系。煤样的浸水软化试验证明煤的冲击能量指数随单轴抗压强度降低而减小。降低煤层的煤体强度可以消减煤的冲击倾向性,是防治冲击地压发生内因的有效措施。     

基于pfc铁矿石点载荷试验估算单轴强度的研究

用点载荷来测量岩石强度被广泛的应用在工程实践中。为对其精准性和反算岩石单轴强度进行研究,通过3D扫描获取矿石点载荷试件的外形特征,然后利用颗粒流软件PFC对点载荷进行与室内点载荷试验,再将其细观参数记录下来导入生成的标准单轴模型,直接模拟出该岩石单轴抗压强度。结果表明：数值模拟能够很好的还原点载荷试验的特征,利用点载荷数值模拟的细观参数能够直接模拟出该岩石单轴模型,并能够得出该矿石的单轴抗压强度,其强度标准差31.197小于通过点载荷所计算的单轴强度标准差 38.312,为利用岩石点载荷强度估算岩石单轴强度提供了一种方法。同时说明点载荷试验,因岩块外部形状和内部结构的不同,对其反算的单轴强度的精确性产生了一定影响。     

低频机械振动含瓦斯煤孔隙率方程及其试验

为研究低频机械振动作用对含瓦斯煤孔隙率的影响,建立煤体孔隙瓦斯压力、吸附膨胀力、振动衰减挤压应力作用下振动动态孔隙率方程。采用前人得出的煤体孔隙率与单轴抗压强度变化规律,以及不同频率、不同时间振动型煤试件后的煤体单轴抗压强度变化试验对方程进行检验,结果显示:低频振动作用下,振动频率相同,振动时间越长,煤体单轴抗压强度越小,孔隙率越大;振动时间相同,振动频率越小,煤体单轴抗压强度越大,孔隙率越小,且30 Hz与20 Hz单轴抗压强度、孔隙率差值要小于20 Hz与10 Hz之差。表明振动使煤体孔隙率增大,从而减小了煤体单轴抗压强度,且振动频率从10,20,30 Hz逐渐增加,孔隙率逐渐变大,单轴抗压强度相应变小,计算孔隙率能正确反映振动后煤体单轴抗压强度变化规律。对比计算孔隙率和试验单轴抗压强度关系进一步得到前人得出的单轴抗压强度随孔隙率变化曲线呈现类指数变化规律,因此方程计算值能正确反映低频机械振动作用下不同振动频率、振动时间影响煤体孔隙率变化规律。     

煤体单轴抗压强度统计与分级研究

为了解决现有煤体单轴抗压强度(UCS)测试数据利用率低的问题,采用数据筛选与分析、数理统计、聚类分析的方法,提出一种能比较有效地分辨、衡量煤体强度差异,并能对UCS测试结果进行定量评价和分类的方法。通过搜集整理山西、山东、内蒙古、陕西、新疆等主要产煤省份及地区129座矿井的808组煤体UCS数据,分析煤体UCS数据分布特征及分布规律并对测试结果进行评价,为煤体强度分级及煤系地层有关工程设计提供重要参考依据;基于煤体强度测试数据统计分析,将煤体强度进行分级同时根据其煤体强度分级与评价结果初步对煤矿巷道围岩支护参数类型提供参考和预测评估。结果表明:所统计煤体UCS分布范围为1.37～55.48 MPa,平均值为16.11 MPa,标准差为8.93 MPa,且满足正态分布。对煤体UCS分级:Ⅰ(1～10 MPa)、Ⅱ(10～15 MPa)、Ⅲ(15～25MPa)、Ⅳ(25～40 MPa)、Ⅴ(40～60 MPa)。依据单轴抗压强度分级标准对其进行分值评价:非常差(0～10分)、差(11～20分)、较差(21～40分)、中(41～60分)、较好(61～80分)、好(81～95分)、非常好(96～100分)。对煤矿单轴抗压强度进行分值评价,同时与不同支护参数进行对应分类划分,所提供的支护参数可为煤巷支护基本参数提供参考。     

岩石点载荷强度试验中强度指数计算方法的选择

点载荷强度试验中,点载荷强度指数计算方法的选取直接影响岩石单轴抗压强度值。通过工程岩体分级方法、ISRM方法和传统经验计算方法比选,确定其合理的计算方法。此外,为定量化岩石浸水后其强度降低程度,分别测试典型岩性浸水3d和7d后的点载荷强度指数,对采用点载荷确定岩石单轴抗压强度值有积极的指导意义和参考价值。     

煤块受载破碎过程中的细观力学特性演变研究

利用电子万能试验机对4种典型煤种的煤块进行单轴压缩破碎实验,并用高速摄像仪记录破碎过程中煤块表面结构演化的图像,对破碎特性和细观力学特性演变开展研究。结果表明,单轴应力载荷下煤块呈现出以沿纵向主裂隙劈裂破坏为主的组合破坏形式。同煤种煤块的力学特性呈现出较明显的各向异性,这是由于煤块内部孔隙、裂隙等缺陷分布的不均匀性;不同煤种之间表现出整体差异性,受煤种组分、孔隙结构、孔径分布、变质程度等内在因素影响。微米级孔隙的孔径大小、含量与破碎过程力学特性有明显关联。孔隙率越大,孔径越大,孔隙含量越高,弹性模量与抗压强度越低。应力-应变曲线的压密段长短受样品孔隙率及煤层堆积方向与受载方向的影响。应力-应变曲线的峰值波动现象主要由其内部孔隙并合所造成。     

煤层注水对煤体力学特性影响的试验

为了研究注水对煤体的力学特性的改变规律,采用MZS-300型煤岩注水试验台进行了煤体的注水试验。试验结果表明:煤体的单轴抗压强度随着注水含水率的增加而减小,煤体的弹性模量随着注水压力的增加而减小,而且均可以用线性通式进行描述。此外,还得出了注水对煤体抗剪强度有降低的影响,且从机理上得出注水煤块较干煤块抗剪强度降低的综合表达式。运用预注水方法处理硬或中硬煤层,可以达到弱化煤体的目的,为综放开采顶煤进行预注水提供了理论基础。     

石灰石单轴抗压强度与点荷载强度的相关性研究

岩体分级对各类工程设计具有重要的指导意义,其分级指标主要依靠单轴抗压强度划分,通过点荷载强度试验可以在工程现场快速确定岩石单轴抗压强度,该方法简单可靠,得到了广泛的应用,故研究两者的相关性十分必要。本文以四川省某石灰石露天矿为工程背景,通过点荷载强度试验与单轴抗压强度试验,探究了轴向和径向加载的点荷载强度与单轴抗压强度的相关性,并建立两者的转换关系式。结果表明:轴向与径向加载获得的点荷载强度与单轴抗压强度均存在较强的相关性,且采用指数函数拟合时得到的计算关系式相关度较高,应用效果较好。     

数字钻探随钻参数与岩石单轴抗压强度关系

针对常规的现场岩石单轴抗压强度测试方法周期长、成本高的问题,提出一种基于数字钻探测试岩石单轴抗压强度的方法。根据岩石钻进过程中的受力特点,基于能量分析法,推导了岩石单位切削能与随钻参数的关系式。同时,基于自主研发的多功能岩石钻探测试系统,开展了砂岩及不同强度砂浆试件等完整岩石的数字钻探试验,通过试验结果分析,建立了随钻参数与岩石单轴抗压强度的定量关系模型(DP-UCS模型),并对其进行了验证,结果表明:DP-UCS模型预测的单轴抗压强度与单轴压缩试验测定的单轴抗压强度的差异率平均值小于10%,证明了该模型的有效性。     

基于数字钻探和机器学习预测岩体单轴抗压强度的方法

以岩体的单轴抗压强度为研究对象,采用传统数字钻探技术所建立的模型在低抗压强度阶段拟合优度不高。在传统模型的基础上引入钻压指数α、疲劳破碎阶段和表面破碎阶段总时间tp以及钻进系统旋转破碎单位体积能耗μp构建新模型,对岩体单轴抗压强度进行拟合。研究表明,在岩体质量较差的情况下,实际岩体单轴抗压强度与预测的岩体单轴抗压强度的拟合优度R2为0.7034,新模型的拟合优度R2为0.8807,对比表明在岩体单轴抗压强度低的情况下,新条件下的关系模型优于原关系模型。     

连续级配饱和破碎岩石压实特性试验研究

为研究满足连续级配的饱和破碎岩石压实特性及压实前后岩石粒径的分布规律,利用MTS816.03岩石力学试验系统及自制装置对满足Talbol分布的饱和破碎岩石进行压实试验研究。分析了Talbol指数对割线模量、切线模量、孔隙率、碎胀系数和压实度的影响,讨论了分布系数r随Talbol指数和轴向应力的变化规律,建立了一种反映颗粒粒径分布变化的破碎岩石应力-应变关系。研究表明:破碎岩样在承载过程中,割线模量、切线模量、孔隙率、碎胀系数、压实度与Talbol指数n呈负相关关系。分布系数r随轴向应力的增大而减小;且在轴向应力小于单轴抗压强度的50%时,分布系数r随n呈增大趋势;当轴向应力大于单轴抗压强度的50%时,破碎岩样分布系数r与n的关系出现波动;当轴向应力达到单轴抗压强度的90%后,不同n的破碎岩样分布系数r趋于一致。     

超应力卸载作用下煤样冲击破坏试验研究

煤矿采深进入千米以后,采掘工作面围岩应力普遍超过煤体单轴抗压强度,呈现围岩应力超过煤体强度的超应力现象。基于调研分析,得到煤层单轴抗压强度的分布特征以及开采深度、原岩应力与煤层单轴抗压强度之间的关系,提出了超应力集中系数的概念。采用声发射和被动CT成像技术相结合的研究方法,开展了煤样真三轴超应力卸载作用下冲击破坏试验研究,从而探究声发射波速演化与煤样宏、微观破裂的关系,揭示深地围岩对煤层的超应力加载作用及方式。试验结果表明:(1)不同的应力卸载路径下煤样冲击破坏具有显著的时间延迟效应,应力路径变化越大,其时间延迟越短;(2)三轴卸载状态下煤样的破坏形式复杂多变,多为剪切、拉伸等耦合破坏形式;总体破坏模式表现为首先沿着与轴压方向分布的主裂隙进行扩张破坏,其次在试样表面分布着许多沿轴压方向的小张拉裂隙;(3)在加载初期,煤样内部波速变化范围较小,出现少量高、低波速区;随着载荷初步增加,煤样内高波速区转移与扩展,同时波速异常区明显扩大;当载荷进一步增加,煤样内出现大面积低波速带,波速极小值不断降低,高波速区、波速异常区迅速变化转移;(4)试样宏观破裂面和波速异常丰富区、微观裂隙演化和低波速贯通区形成了较好的对应。     

用点荷载强度试验测定岩石抗压强度

岩石点荷载强度试验可以求得岩石点荷载强度指数,由强度指数与抗压强度之间的关系可以换算出岩石的单轴抗压强度。该文通过点荷载试验实例,介绍了点荷载试验机理、以及具体的试验步骤,并得出岩石抗压强度,在一定程度上验证了有关点荷载试验公式的可靠性。     

超声波功率对煤体损伤特性及能量演化规律的试验研究

为研究超声波致裂对煤体力学损伤特性及能量演化规律的影响，利用电子万能压力试验机、声发射系统、对不同功率超声波致裂煤体进行单轴压缩试验，获得了不同功率超声波致裂煤体力学损伤参数，探究了声发射信号与不同功率致裂煤体损伤参量相互关系，采用盒子分形维数分析了煤体表面裂隙分形特征，阐明了超声波不同功率致裂煤体损伤劣化机制。试验结果表明，随着超声波致裂功率增大，煤体单轴抗压强度、弹性模量逐渐降低，煤体单轴抗压强度损伤参量、弹性模量损伤参量与致裂功率呈线性相关；单轴压缩过程中声发射振铃计数可分为平静期、上升期、波动期3个阶段，随着超声波功率增大，裂纹扩展孕育期时间越短，相对时长占比越小，裂纹扩展增长速率越大，对煤体强度的弱化效果逐渐增强，声发射信号突增现象明显，煤样终态破坏更加破碎，破坏特征随着致裂功率的增大煤体从弹脆性向延–塑性转化；煤体孔裂隙扩展贯通，煤体表面裂隙分形维数损伤参量与致裂功率呈线性正相关，分形维数损伤参量越大，表明煤体裂隙形态越复杂；基于声震参数分析了煤体损伤参量与声发射归一化参数的关系，具有较好拟合关系。以上结果表明，超声波致裂作用对煤体结构造成损伤，使煤层破坏变形，形成复杂的渗...     

尾砂胶结充填体试样早期强度与孔结构关联规律研究

本文为研究尾砂胶结充填体试样单轴抗压强度与其孔结构的关联规律,开展了不同类型胶结剂、不同浓度硫酸盐条件下共8组配比试验,并对养护龄期为28d的所有充填体试样进行了单轴抗压强度测试和压汞法孔结构测试(MIP),系统分析了尾砂胶结充填体试样早期强度和孔隙结构的关联规律,研究结果表明:(1)密封恒温养护条件下,不同配比的尾砂胶结充填体试样具有不同的单轴抗压强度、孔隙率和孔径分布;(2)尾砂胶结充填体试样的28d抗压强度与其孔隙率存在一定的线性相关规律,即在总体上表现出孔隙率越高强度越低的趋势;(3)尾砂胶结充填体试样中直径大于0.2μm的多害孔体积与其单轴抗压强度的线性相关性比孔隙率与其单轴抗压强度的线性相关性更为显著,说明试样强度的降低主要与多害孔体积增大有关,得了到尾砂胶结充填体试样充填体试样28d强度与多害孔总体积相关性方程。     

王村煤矿煤柱稳定性和煤柱尺寸优化研究

采用实验室测试和数值模拟方法对王村煤矿护巷煤柱的稳定性进行了分析研究。通过煤样单轴抗压强度试验估算出煤体强度介于1.9~12MPa之间,煤样宽高比与其抗压强度有显著正相关关系,实验数据拟合了王村煤柱强度公式。通过数值模型分析可知,12m煤柱可以兼顾煤柱稳定性和提高采出率的要求,实际应用情况理想。     

大尺寸节理煤体单轴压缩力学行为的离散元模拟研究

为研究结构面对节理煤体单轴压缩力学行为的影响,首先基于结构面实测与参数标定试验构建合成煤体模型,然后分别针对REV尺寸煤块与煤体进行不同加载方位的单轴压缩数值试验,分析结构面对节理煤体力学行为的影响机制以及裂隙的形成机制。结果表明:① 所构建的合成煤体模型可表征研究煤体,其REV为1.0 m×1.0 m×2.0 m;② 结构面弱化煤体单轴抗压强度与弹性模量,增大煤体单轴压缩变形,弱化/增强程度取决于加载方位与结构面的方位关系;③ 结构面决定煤体单轴压缩破坏方式,煤体表现为平行加载方向的劈裂破坏,加载方位不同劈裂形态不同;④ 提出了可量化评价基质破坏与结构面活化对节理岩体破坏贡献程度的指标:基质破坏贡献比和结构面活化贡献比;⑤ 平行加载方向的结构面在加载力作用下激活为活化原生裂隙,并在其端部发育出翼裂纹,形成压致拉裂裂隙组合。对于包含非贯穿结构面的煤体,裂隙组合彼此连通形成劈裂裂隙;对于包含贯穿结构面的煤体,贯穿的活化原生裂隙直接形成劈裂裂隙。     

不同加载速率下煤体强度与破碎特征实验研究

通过AG-Ⅰ250 kN万能实验机对滇东矿区煤体试件进行单轴压缩实验,探讨了突出危险煤体在不同荷载速率环境下的强度特性与破碎特征。结果表明：煤体应力—应变曲线经历线弹性、塑性、峰后破坏3个阶段,弹性特征随加载速率的增加愈发明显;随着加载速率的增加,煤体峰值应变增大,弹性模量与加载速率呈线性关系;煤体在单轴压缩条件下的破坏形式多表现为脆性破坏,随着加载速率的增加,破碎煤样的折算直径减小,新增表面积增大,整体破碎程度随加载速率的增加而增大,与宏观煤体破坏剧烈程度吻合;不同加载速率下煤体强度特征符合Coulomb准则,峰值强度与达到破坏时间与加载速率呈线性关系。