断层活化与煤岩冲击失稳规律的实验研究

基于义马千秋煤矿21221回采工作面原型,设计了过断层的工作面回采相似模型实验,通过再现断层活化和煤体冲击失稳的物理过程,研究了采动影响下采场覆岩的运动规律和断层应力演化特征,分析了煤层开采引起断层活化的机理。研究发现:邻近断层活化时,其正应力和剪应力快速增加,断层滑移危险性增大;工作面沿上盘开采至距离断层25 m时,受采动影响断层出现活化;采动影响增加了断层活化的可能性,工作面煤体承载力的局部失效是引起断层滑移的重要原因,断层滑移对工作面煤体的作用形式表现为非稳态的冲击和加卸载作用。     

冲击地压的摩擦滑动失稳机理

论文通过对冲击地压矿井煤层的结构分析认为，煤岩层的层状结构及煤岩层间的薄软层结构的存在，是导致冲击地压发生的主要结构因素。在此基础上。分析了煤岩层摩擦滑动的基本形式，探讨了粘滑的产生机理，并以此解释冲击地压的发生机理。     

冲击地压的摩擦滑动失稳机理

论文通过对冲击地压矿井煤层的结构分析认为，煤岩层的层状结构及煤岩间的薄软层结构的存在，是导致冲击地压发生的主要结构因素。在此基础上，分析了煤岩层摩擦滑动的基本形式，探讨了粘滑的产生机理，并以此解释冲击地压的发生机理。     

冲击地压粘滑失稳机理的实验研究

开展了煤岩磨擦滑动实验研究，分析了煤岩的摩擦滑动性状及摩擦滑动的稳定性，用摩擦滑动中的粘滑现象解释了冲击地压的发生机理。结果认为，煤的摩擦滑动性状与岩石具有很大差别。砂岩－煤试样在一定围压下表现为粘滑特性，说明了结构形式对摩擦滑动特性的影响是显的；煤岩试样在摩擦滑动过程中，摩擦因数的变化是导致煤岩发生不稳定滑动或粘滑的主要原因；冲击地压是煤岩体结构摩擦滑动破坏的一种形式，表现为瞬时的粘滑失稳过程     

受载组合煤岩声发射效应研究

利用岩石试验系统,对单轴受压的不同煤岩组合试样进行声发射试验,得到不同组合试样在受载破坏过程中的声发射效应。研究表明煤岩体在采动过程中的冲击破坏倾向性可由其声发射效应反映。煤岩强度越大、直接顶厚度与采高的比值越大煤岩冲击破坏时的声发射计数率就越强。因此,采取弱化煤岩体中顶板及煤层的强度和局部区域降低采高等措施能有效控制采场及巷道围岩动力灾害现象。     

煤岩组合试件性质的数值研究

本文应用东北大学岩石破裂与失稳研究中心开发的RFPA^2D系统，对组合煤炭试块的应力应变关系进行了研究，并从强度、弹性模量和冲击地压方面对组合模型进行了研究讨论。     

“三硬”煤岩组合体冲击倾向性数值分析

采用RFPA2D对坚硬顶板、坚硬煤层、坚硬底板三体模型进行冲击倾向性数值试验研究。结果表明:坚硬顶板组合体峰值后突然失稳,易发生冲击地压;坚硬煤层组合体峰值前储存大量弹性能且瞬时释放,极易发生冲击地压;坚硬底板组合体峰后曲线呈现阶梯性缓慢下掉,不易发生冲击地压。组合体声发射能量释放分成3个阶段。坚硬顶板组合体和坚硬煤层组合体能量瞬时集中释放,坚硬底板组合体能量缓慢释放。虽然坚硬底板组合体释放总能量大于坚硬顶板组合体,但能量释放机制不同。     

煤岩动力系统失稳机理

为了计算不同冲击危险程度煤岩体的具体影响尺度,实现煤矿冲击地压的针对性预防和治理,提出了"煤岩动力系统"的概念,构建了"煤岩动力系统与冲击地压显现关系"模型。基于爆破理论和Mises屈服强度准则,提出了"煤岩动力系统"各区域尺度计算方法并建立了相应的评价指标体系。根据煤矿已发生冲击地压和"高能量"微震事件的震源位置和能量值,确定煤岩动力系统"动力核区"、"破坏区"、"损伤区"和"影响区"等各区域尺度的具体影响范围,判断不同尺度范围内煤岩体的冲击危险程度。将煤岩动力系统各区域尺度计算方法在老虎台煤矿进行了准确性验证,表明该方法具有较高的可信度和实用性,可以广泛应用在矿井冲击地压的预测与危险性评价工作中。     

基于层间摩擦滑动的煤柱冲击地压实验研究

冲击地压是矿山动力灾害之一,随着煤矿开采深度的增加,导致冲击地压事故频发,造成大量人员和财产损失.为了防治煤矿冲击地压事故的发生,本文基于岩层之间的摩擦滑动过程,开展煤柱冲击地压实验,探究冲击地压发生机理.通过设计弱夹层组合体煤柱模型,利用数字散斑的相关方法对组合煤柱体单轴压缩过程进行观测分析,研究轴向荷载下组合体煤柱...     

天池煤矿煤岩冲击倾向性的试验研究

按照煤岩的冲击倾向性指标，对天池煤矿１号和１８采区的煤岩进行了单轴（σ１〉σ２＝σ３＝０）和三轴（σ〉σ２＝σ３＝６ＭＰａ）冲击倾向性试验研究，结果表明，天池煤矿煤层具有有中等冲击倾向性，而顶，底板岩石具有强烈冲击倾向性。     

不同侧压条件下花岗岩巷道岩爆声发射特征实验研究

利用双轴伺服控制试验系统开展开挖卸荷扰动作用下花岗岩巷道岩爆模拟实验,采用声发射系统同步采集岩爆孕育及发生过程的声发射数据,研究不同侧压影响下花岗岩巷道岩爆声发射特征。研究结果表明:双轴条件下,轴压与侧压差值越大,开挖引起的卸荷作用越明显,孔洞内出现初次颗粒弹射的时间越提前;随着侧压的升高,岩爆释放的总能量逐渐增加,声发射累积能量进入"陡增"阶段的时间则相对滞后;声发射振铃计数率能够很好地反映岩爆发生阶段孔洞内应力调整过程,随着侧压的增加,振铃计数率在加载后期的波动模式逐渐由"较低水平波动并出现一定数量跳增点"向"较高水平波动并出现一定数量突降点"转化;结合声发射RA值和AF值可知,巷道岩爆过程即产生张拉破裂又产生剪切破裂,随着侧压的增大,岩爆破坏中剪切成分所占比例逐渐增多。研究结果为岩爆的预测和防治提供了实验基础。     

红砂岩变形演化及声发射主频特征实验研究

以声发射系统和数字散斑相关方法作为实验观测手段,开展红砂岩试件变形场演化及声发射主频特征实验研究。通过单轴加载方式,对一种红砂岩试件加载全过程中的变形场演化、声发射主频信息进行分析,研究红砂岩试件变形场演化与声发射主频分布范围、事件率对应关系以及声发射主频的能量特征。研究结果表明:低主频声发射事件在变形局部化启动时刻开始出现且数量不断增加,随着变形局部化带错动速率增大,声发射主频分布范围显著增加;在红砂岩试件变形局部化阶段,低主频声发射事件率与高主频声发射事件率的量值接近,但量值较小;在应力峰值点处,低主频声发射事件率远大于高主频声发射事件率;在界面滑动阶段,高、低主频声发射事件率量值均较大;红砂岩试件变形破坏过程中,高能量声发射事件主要分布在低主频范围内,低能量声发射事件在高、低主频范围内均有分布。     

逆断层下盘工作面回采扰动引发断层活化特征的试验研究

为分析逆断层下盘工作面回采对断层面错动失稳影响,在双轴等压加载条件下,试验获得了逆断层下盘煤层回采扰动下断层活化失稳特征。结果表明:回采工作面围岩由内向外形成采动卸压区、支承升压区、原始应力区的动态演化将诱发断层构造错动活化,且逆断层构造更易受回采工作面扰动区影响;双向等压条件下逆断层下盘煤层开挖,垂直方向扰动与水平方向扰动载荷比由1逐渐增加至6,断层面发生离层或剪滑失稳的危险升高;断层构造面附近应变呈不均匀分布,且煤层处应变明显高于顶、底板岩层;煤层开挖引发的声发射事件84%能量分布在10-13~10-10 J,主要分布于煤层顶板岩层,且跨越断层面声发射事件较少,表明断层构造对应力扰动有阻断作用;开挖煤层与断层面交叉处是声发射事件集聚区域,发生错动失稳危险性较高。对比赵楼煤矿1303工作面实际矿震数据,矿震震源与试验声发射源空间分布特征具有一定相似性,佐证了类逆断层组合结构岩石试验方法的可行性。     

单向扰动加载触发煤体冲击破坏特性试验研究

运用MTS-C64. 106型压力机开展纯煤试件的单轴动静组合加载试验。结合PIC-2声发射卡和高速摄像机的监测结果,分析了单向扰动加载下煤体的力学、冲击性能、声发射特征、动态破坏特征、碎片分形特征。结果表明,扰动加载应变率增大,煤体强度呈对数增加;冲击性能增强;扰动能量输入速率、声发射振铃计数、撞击数呈现"缓增—急增—突增"的转变,试件破裂形式经历"剪切破裂—竖向劈裂—爆裂"的转变;碎片质量分维与动载应变率呈二次方关系,存在动载应变率极值使试件破坏程度达到最大,试验显示的应变率极值为2. 8×10~(-3)s~(-1)。     

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)     

基于声发射能量值的煤岩试样损伤分析

试样内部微裂纹在压力作用下的萌生、分叉、扩展及贯通,最终导致了试样的破坏。声发射检测系统能实时检测获得试样在变形破坏过程中声发射信号,获得的声发射特征参数也因此包含了煤岩试样变形破坏过程中大量的损伤信息。通过利用试验获得的声发射特征参数对岩石变形破坏过程的损伤进行分析研究,得出岩石的声发射现象与岩石的损伤有密切关系。     

含瓦斯煤体加载破坏声-电前兆信息试验研究

针对含瓦斯煤体加载破坏前兆信息难以识别、提取的研究现状,自行研制了含瓦斯煤体加载声-电监测装置,对含瓦斯煤体加载全过程进行实时监测以获取声-电前兆信息。试验结果表明：声-电监测系统能够捕捉到含瓦斯煤体产生的电荷与声发射信号,加载过程中部分电荷信号先于声发射信号变化,声-电信号的产生与煤体内部裂纹扩展相关;煤体内部自由电荷与声发射信号的产生具有本质上的区别,前者是在压电效应、摩擦作用、微破裂新生表面电荷分离以及瓦斯运移携带电荷等综合叠加作用下产生,而后者是煤体内部裂纹扩展以脉冲波形式释放应变能的过程;通过划分含瓦斯煤体加载破坏声-电前兆信息异常区域,确定了声-电监测技术应用于矿山动力灾害预警的可行性。     

煤与砂岩复合岩声发射统计效应的试验与最大似然理论

岩石类材料破裂损伤的声发射统计效应近年来在理论、试验和模拟方面已开展了大量研究,并且近年来以声发射为实验基础,采用统计物理学的方式分析声发射信号,继而关于材料内部损伤机制的相关研究也得到了发展,但是针对不同材料声发射统计效应及其相互作用与临界行为研究还较为缺乏。为此在实验室条件下采用日本岛津AGI-250高精度材料试验机对由分别取自内蒙古和重庆地区的煤与砂岩组成的复合岩开展了单轴压缩试验,利用DISP系列全数字声发射工作站采集压缩条件下试样中煤与砂岩层位的声发射信号,对信号进行了概率密度分布分析,并建立了考虑叠加效应的幂律指数最大似然估计方法。研究发现:复合岩在单轴压缩条件下煤层和砂岩层的声发射信号与纯煤和纯砂岩表现出了不同的统计性质,其整体声发射能量概率密度分布受煤层影响较大,砂岩层整体服从单幂律分布,而煤层则服从双幂律分布;叠加效应的幂律指数最大似然估计方程由上下限幂律指数α,β,与声发射数量比例x三参数控制,方程预测结果与试验中拥有较低幂律指数层位的分析结果一致,且随着声发射能量的增加逐渐趋近于下限幂律指数值;随着声发射能量级的增加,复合岩中煤层对整体统计结果的影响程度逐渐增加,而砂岩层的影响程度变化不明显。     

煤体结构全程演变过程中渗透特性试验研究及意义

在引入地质强度指标(GSI)实现煤体结构定量表征的基础上,通过平行煤样在应力应变不同阶段的结构特征、声发射和渗透率等参数的观测和拼接,得到煤体结构全程演变过程中渗透特性变化趋势。结果表明:煤体结构(GSI)改善阶段,煤样由压密向弹性变形过渡,声发射强度由弱变强,孔裂隙逐渐闭合导致渗透率降低;煤体结构(GSI)脆性破坏阶段,煤样发生屈服和破裂,声发射强度逐渐增强,随着裂缝充分扩展,渗透率增加滞后并达到最大值;煤体结构(GSI)塑性降低阶段,先期形成裂隙的凹凸部分被剪切和磨蚀,连通性变差,煤样逐渐粉末化,声发射计数明显增加但强度较小,随着应变增加,应力曲线缓慢上翘,达到重新压实效果,渗透率急剧下降。     

含水率对泥质粉砂岩强度损伤及声发射特征影响的研究

煤系沉积岩体原生及采动裂隙为水-岩作用提供了渗流通道,且受其组分和胶结类型等因素的影响,水作用下煤系沉积岩体力学性质改变显著。采用X射线衍射仪、无损浸水试验装置和煤岩力学性质测试系统,分析了泥质粉砂岩矿物组分,测试了其含水率随时间变化规律,并探讨了含水率影响下泥质粉砂岩强度损伤演化特征。研究结果表明:泥质粉砂岩中高岭石、伊利石和绿泥石等黏土矿物占矿物成分的62%;根据岩样含水率随浸水时间的变化趋势,将其划分为快速增长(0~25 h)、缓慢增长(25~85 h)及恒定(85 h~)3个阶段;由干燥到饱和,岩样的单轴抗压强度降低了47.72%,弹性模量降低了18.36%;随着含水率的增加,岩样破坏形式由剪切破坏逐渐向拉张破坏转化;应力、累计AE计数与时间变化关系曲线能阐明裂隙扩展的各个阶段,其中,裂隙不稳定扩展阶段和峰后阶段声发射活跃;除含水率1.6%的岩样外,声发射定位结果与岩样实际破坏迹线大致相符;加载初期,岩样内部在中心位置产生剪切裂隙并扩展,裂隙和能量逐渐向外围扩散,后期产生拉剪复合裂隙。研究成果对于煤矿地下水库坝体设计、富水巷道顶板岩层控制等工程中涉及的水岩作用问题研究提供了有益参考。