煤样力学行为的结构敏感特性及干预机制试验研究

冲击地压的形成过程极为复杂,但本质是弹性能的大量积聚和剧烈释放。明确影响能量演化过程的客观要素和干预机制,将为指导实际防控工作提供基础认知。通过CT扫描重构了具有真实分布特征的煤样数值模型,并基于力学行为和加载环境密切相关的事实,开展了不同加载速率模拟试验。研究结果表明,应力环境变化时,相较于强度较小的煤基质,强度较大的夹杂质对于屈服、应力集中等响应表现出了更为显著的吸引作用,而屈服较晚的单元体在积聚弹性变形能的同时,整体逐渐形成了具有承载能力的空间骨架,并指出夹杂质、承载骨架或其他能够破坏介质均匀性的结构性要素,其空间分布模式对于能量或应力分布具有潜在控制作用。基于含人造结构面试样开展的不同加载速率力学试验验证了该结论,并提出有目的的人工形成特定的结构模式可实现对于煤岩宏观力学行为的选择性控制,进而为冲击地压的量化防控提供参考。     

不同冲击倾向性煤样力学特性与能量演化规律研究

为了研究不同冲击倾向性煤样在循环载荷下的力学特征及能量演化规律,对强冲击倾向性煤样、弱冲击倾向性煤样和无冲击倾向性煤样进行系统分析,并提出了弹性能释放速率及计算方法,得到不同冲击倾向性煤样循环载荷下应力-应变曲线的特征、应变变化规律及耗散能和弹性能转化规律,给出不同冲击倾向性煤样破坏与能量演化关系.研究结论如下:无冲击...     

基于CT扫描技术的煤试件力学特性及裂隙扩展规律研究

我国中东部矿区相继进入深部开采阶段,随着构造应力的增大与开采扰动效应的增强,工作面煤体内部裂隙发育程度逐渐升高,导致煤壁失稳现象频发。为研究煤体在高地应力环境下的力学特性及裂纹扩展规律,基于CT扫描技术实现煤试件内部各组分的精准识别,建立煤试件三维重构模型和精细化数值模型,并结合单轴压缩试验研究煤试件内部各组分空间分布特征对试件变形参数、峰值强度和裂隙扩展路径的影响。结果表明：原生裂隙倾角越大,试件初始模量值E_i降低,试件容易发生纵向劈裂破坏;原生裂隙倾角越小,试件峰值强度σ_c降低,试件容易发生拉剪混合破坏;高密度杂质体积占比越大,煤试件弹性模量值E_t增大,试件所呈现的脆性特征越强;原生裂隙体积占比越大,试件应变硬化特征明显,且试件压缩破坏后的裂隙体积占比与复杂程度也明显增大。煤试件裂隙的扩展路径主要沿着原生裂隙横向扩张和纵向延伸,由于裂隙的快速扩展,常常伴随着分叉裂隙的产生,且原生裂隙的倾向分布越复杂,产生分叉裂隙的数目就越多;当原生裂隙未经过高密度杂质时,裂隙扩展路径往往会绕过其位置扩展;当原生裂隙经过高密度杂质时,...     

动静组合加载下煤体损伤及力学特性研究

为了揭示动力扰动下煤体的冲击失稳机理,对动静组合加载下煤体损伤机制及力学响应特征进行定性研究。首先进行冲击矿井煤体力学性质测定试验,继而运用RFPA2D-DynamicStatic软件模拟分析了静力水平和动力扰动波形对煤体裂隙发育、损伤单元分布及声发射特征的影响,研究了动力扰动对煤体力学性能和能量演化特征的影响。研究结果表明:(1)动静组合加载下,煤体抗压强度与损伤度呈线性负相关性,弹性能储能极限与损伤度呈负指数关系。(2)在动力扰动作用下,煤体内部损伤不断加剧,煤体弹性能储能极限以[]13.71ln 36.33eU (28)-D (10)的趋势不断降低,冲击破坏损耗能不断减少,原本积聚在煤体内的弹性能会瞬间释放,导致煤体冲击破坏。(3)提出了增加煤柱的抗扰动能力和减少煤体中积聚的弹性能2种防治震动型冲击地压措施。     

饱和煤样力学及损伤特征的加载速率微观作用机制研究

为探究煤层注水防冲解危后,工作面推进速率是否会对煤矿井下安全、高效生产造成二次影响,开展了不同加载速率下干燥及饱和煤样的单轴压缩试验,探究了饱和煤样的峰值强度、声发射能量及声发射的RA值与AF值、断口形貌、分形维数以及冲击倾向性特征的加载速率效应,揭示了饱和煤样损伤破坏特征的加载速率微观作用机制。研究表明：随加载速率增大,干燥及饱和煤样峰值强度先减小后增大,加载速率0.01 mm/s为导致强度转折的临界加载速率。不同加载速率下饱和煤样宏观破坏模式均为以剪切破坏为主的拉-剪复合破坏,最大声发射能量值先减小后增大,在临界加载速率时达到最小值。饱和煤样微观剪切裂隙占比先减小后增大,在临界加载速率达到极小值。饱和煤样破裂断口形貌由长槽状裂隙向完全不规则裂隙过渡,临界加载速率是大量不规则裂隙开始出现的转折点。随加载速率增大,饱和煤样破碎的小粒径煤屑质量占比减小,大粒径煤屑质量占比增大;干燥及饱和煤样分形维数均逐渐减小,拟合曲线满足幂函数规律,且饱和煤样较干燥煤样分形维数增大。随加载速率增大,干燥及饱和煤样的KE均存在先减小后增大的规律,在临界加载速率达到极小值。煤层注水对工作面冲击地压的抑制作用...     

基于细观结构铝电解阴极炭块的力学行为研究

从细观结构角度出发,基于蒙特卡罗法构建由炭骨料及沥青黏结剂两相组成的二维阴极炭块随机骨料模型,采用ANSYS软件对阴极炭块模型进行单轴压缩模拟试验,研究骨料的形状、含量以及级配对炭块力学性能的影响。结果表明,随着阴极炭块骨料级配减小、含量增大、圆度增大,阴极炭块模型裂纹萌生扩展越慢,受到损伤破坏越小。该模型数值模拟结果与实际试验结果基本一致,表明采用该模型对炭块的力学行为和破裂过程进行预测是合理和有效的。该模型可以作为对阴极炭块力学行为及破裂过程进行预测和分析研究的一种手段。     

基于CT扫描的煤样图像处理及裂隙形态表征

利用工业CT扫描设备对赵固一矿优质无烟煤进行样品取心和微观扫描分析;运用图像处理技术对原始图像进行降噪、增强对比度和二值化处理,借助阈值调节使图像信息得到准确表达;通过Avizo软件对CT图像进行重建,得到三维的裂隙结构模型。结果表明:基于工业显微CT扫描重建的三维数字煤心,能准确地反映真实煤心的内部裂隙结构;图像精细处理能够对煤样中错综复杂的裂隙网络进行精确表征,达到定量描述的要求。     

钙芒硝单轴压缩力学特性的试验研究

利用高精度μCT225KVFCB显微CT试验系统和JL型微机控制电液伺服万能试验机,对钙芒硝单轴压缩力学特性进行了研究。研究表明:钙芒硝压密阶段不明显,且存在刚性阶段;钙芒硝单轴抗压强度平均为7.54 MPa,属于软岩,其单轴抗压强度随着物质密度的增大而增大,随物质密度不均匀程度增大而减小,且与X射线衰减系数、衰减系数方差呈线性拟合关系。     

TC18合金动态力学行为的研究与分析

采用电子万能试验机对TC18合金进行了常温准静态压缩实验,得到合金在准静态下的实验数据,根据实验数据,选用分离式Hopkinson压杆对TC18合金在温度分别为298K、523K、773K和1023K,应变率分别为500s_-1、1000s_-1和1500s_-1下进行动态力学性能实验,得到了合金在高温动态压缩条件下的应力-应变曲线,分析了温度和应变率对TC18合金动态力学行为的影响。结果表明：在同一温度下,随着应变速率的增加,TC18合金的塑性应变明显增大,表现出一定的应变率增塑效应;在同一应变率下,随着温度的增加,材料的流变应力有显著的下降,表现出明显的热软化效应;在高应变率下的塑性变形过程中,应变率强化和热软化作用同时进行,当温度超过773K时,热软化作用大于应变率强化作用。     

“顶板-煤层”结构体冲击倾向性演化规律及力学特性试验研究

针对单纯以煤层或顶板岩层进行煤层冲击倾向性判定存在"低估"问题,以典型的冲击危险矿井为背景并结合煤层赋存的实际情况和冲击地压的显现特征,建立"顶板-煤层"结构体模型。通过对纯煤层、顶板岩层及2种不同高度比下的"顶板-煤层"结构体冲击倾向性试验和不同顶板强度、厚度、均质性及接触面角度的冲击倾向性数值试验,研究不同顶板特性对"顶板-煤层"结构体冲击倾向性的影响。研究发现,"顶板-煤层"结构体冲击倾向性高于纯煤层或岩层测定结果,更接近实际。随着顶板强度、厚度、均质性的增加,"顶板-煤层"结构体冲击倾向性增强,随接触面角度的增大,其单轴抗压强度降低,峰后塑性变形阶段越来越明显。在接触面角度一定的情况下,随着顶板岩体强度的增加,随"顶板-煤层"结构声发射累计释放能量减弱。随"顶板-煤层"结构体冲击倾向性的增强,其峰后声发射累积能量呈减小的趋势。     

沁水盆地典型煤矿区煤的流速敏感性实验及控制机理

采用沁水盆地3个典型煤矿中、高煤阶煤样,开展了实验室煤样流速敏感性实验,分析了不同流速条件下煤样渗透率的变化规律,建立了煤储层渗透性与流速之间的关系和模型,揭示了中、高煤阶煤储层流速敏感性的控制机理。研究结果表明,煤样渗透率随流速发生变化,且存在一个临界流速。在临界流速之前随着注入流量(或流速)的增加煤样渗透率增加,当流速超过临界流速后,煤样的渗透率随着流体流速的增加反而减少。煤储层流速敏感性主要受控于煤储层物性和煤中速敏矿物。随着煤储层孔隙度、渗透率和流体流量的增高,煤储层速敏损害率按对数函数关系增高。实验煤样黏土矿物占矿物质含量为66.63%~99.89%,主要以高岭石、伊利石为主,存在潜在的速敏伤害,速敏实验结果表明,本区实验煤样存在不同程度的速敏损害,煤样速敏损害程度由弱至中等偏强,临界流速低。随着煤中黏土矿物含量的增加,煤储层速敏损害率也增高。在煤层气井排采过程中,寺河煤矿和西山煤矿煤层气井排采降速应为赵庄煤矿的6倍左右。     

亭南煤样自燃极限参数实验研究

利用大型煤自然发火实验台模拟了亭南煤的自燃过程,测算出煤样自燃特性参数,结合现场实际条件,推算出下限氧浓度、上限漏风强度和最小浮煤厚度等极限参数,为该矿煤自燃预测及防治提供了重要的依据。     

煤颗粒与气泡黏附行为的试验研究

浮选微观模型认为,颗粒与气泡的黏附是实现浮选的关键步骤,对颗粒与气泡黏附规律的直接研究非常重要。采用自行设计搭建的颗粒与气泡碰撞、黏附行为测量装置,以内蒙古公乌素原煤为试验对象,直接观测了不同密度级的0.1~0.15 mm粒级煤样的黏附行为,并采用自行开发的多目标追踪软件进行分析。结果表明:煤颗粒在与气泡碰撞前会发生绕流,速度大小和方向均会改变,当煤颗粒与气泡碰撞时,煤颗粒的速度降为最低。煤颗粒在气泡表面的滑动速度先是逐渐增大,在气泡"赤道"位置处达到最大值,越过"赤道"后,煤颗粒的滑动速度逐渐减小,并最终黏附在气泡底部。煤颗粒与气泡的黏附效率随碰撞角的增大而降低,在碰撞角相同时,随煤样密度级的增大,黏附效率降低,临界黏附角减小。随煤颗粒沉降末速的增大,煤颗粒与气泡的黏附效率降低,临界黏附角减小。     

Experimental study on influence of coal structural anisotropy to gas permeation

Based on “true triaxial coal rock permeability of coal sample test system”, the permeability under different gas pressure to coal specimen in bedding plane and the vertical bedding directions are tested. The results show that coal structural anisotropy has a greater impact on gas permeability properties, differences in experimental coal permeability are roughly one order of magnitude. In view of the differences of the gas flow characteristics in the coal bedding plane and vertical bedding, established series and parallel choked flow model of coal sample gas seepage, and made a theoretical analysis to the influences of the bedding structure to gas permeability properties.     

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。     

高应变率下煤力学特性试验研究

利用Φ50 mm分离式霍普金森(Hopkinson)压杆(SHPB)试验系统,对煤进行单轴冲击压缩试验,明确煤的力学特性随应变率的变化规律。试验气压等级设计为0.30,0.35,0.40,0.45,0.50,0.55 MPa,为试样提供相应的6组不同应变率。试验结果表明:高应变率下煤应力-应变曲线大致分为压密阶段、弹性变形阶段、微裂纹演化阶段、裂纹非稳定扩展阶段以及卸载阶段;应变率升高缩短压密阶段,延长弹性变形阶段;随着应变率的升高,煤动态弹性模量与峰值应力近似呈对数形式增加,而峰值应变近似呈对数形式降低;煤试样的破坏程度随应变率的升高而增加,应变率由68.666 s-1增加到79.751 s-1,煤破坏程度对应变率的敏感性最为显著。研究结果可为采矿工程割煤参数的确定提供依据。     

冲击载荷下煤样动态拉伸劈裂能量耗散特征实验

为研究煤样动态拉伸变形破坏过程中的能量耗散规律,利用分离式霍普金森杆冲击加载系统,对煤样进行冲击条件下巴西圆盘劈裂试验,探讨了冲击速度、层理倾角及饱和含水对煤样总吸收能密度、总耗散能密度和损伤变量的影响;同时将煤样破碎后产生粒径为0~0.2 mm和0.2~5 mm的碎屑进行收集,并对不同尺寸碎屑的分布特征进行了对比分析。研究表明:同一层理倾角的自然煤样损伤变量随着冲击速度的增加呈近似线性增加,饱水煤样损伤变量整体随冲击速度增大呈指数函数增加;相比于自然煤样,饱水煤样粒径为0~0.2 mm的碎屑量减少了14.1%~31.3%,粒径为0.2~5 mm的碎屑量减少了33.7%~53.0%;但当层理倾角为45°时,饱水煤样碎屑量质量百分比反而比自然煤样要大。     

岩石强度对于组合试样力学行为及声发射特性的影响

为研究岩石强度对煤、岩体整体失稳的影响,测试并研究了不同组合煤岩试样单轴压缩过程的破裂形式、应力应变特性、试样强度、声发射特性等规律,分析了岩石强度对于组合试样力学行为的影响。结果表明:组合试样应力-应变曲线位于煤体和岩石之间,更加靠近煤体;随着岩石强度的升高,组合试样从屈服到达峰值的速度越来越快;煤体相同条件下,岩石的强度较低时,组合试样裂纹会向岩石内扩展,同时岩石发生拉伸破坏,岩石强度较大时,破裂主要发生在煤体内;组合煤岩试样屈服点和峰值的应力比值相差不大,屈服点和峰值的应变比值随岩石强度的升高不断升高,两者比值和岩石强度呈线性关系;组合试样峰值应力处声发射信号能量值和脉冲值随岩石强度的增加呈线性升高。     

矸石膏体充填料浆力学性能实验研究

该文在分析岱庄煤矿矸石膏体充填原料选择来源的基础上,根据岱庄煤矿3上煤层条带煤柱回收对膏体充填材料的要求具体选择材料性能参数,并通过对矸石膏体充填料浆流动性能、可泵送时间、静置泌水率、单轴抗压强度等力学性能的实验研究,探索在岱庄煤矿充填原料条件下的材料配比,实现条带煤柱的安全回收。     

Experimental study on the type change of liquid flow in broken coal samples

A test system of the permeability of broken coal samples mainly consists of a CMT5305 electronic universal test machine, crushed rock compaction containing cylinder and a self-designed seepage circuit, which is composed of a gear pump, a reversing valve, a relief valve and other components. By using the steady penetration method, the permeability and non-Darcy flow β factor of broken coal samples under five different porosity levels were measured, the grain diameters of the coal samples were selected as 2.5–5 mm, 5–10 mm, 10–15 mm, 15–20 mm, 20–25 mm and 2.5–25 mm, respectively. After measuring the permeability under each porosity, the overfall pressure of the relief valve continuously increased until the coal sample was broken down. In this way, the flow type of liquid inside the broken coal samples changed from seepage to pipe flow. The correlation between breakdown pressure gradient (BPG) and porosity was analyzed, and the BPG was compared with the pressure gradient when seepage instability occurred. The results show that, ① the non-Darcy flow β factor was negative before broken coal samples with six kinds of diameters were broken down; ② the BPG of coal samples with a grain size of 2.5–25 mm was lower than that of the others; ③ the BPG of coal samples with a single diameter under the same porosity increased as the grain size increased; ④ the BPG could be fitted by an exponential function with porosity, and the exponent decreased as the grain size increased for coal samples with a single diameter; ⑤ the BPG was slightly less than the seepage instability pressure gradient. The change in liquid flow type from seepage to pipe flow could be regarded as the performance of the seepage instability.