应用煤岩组合模型方法评价煤岩冲击倾向性探证

在大量实验室试验的基础上，总结、分析了煤岩组合模型的冲击倾向性，并与单一煤模型的冲击倾向性进行了对比分析。研究结果表明，采用煤岩组合模型测得的冲击倾向性指标均高于单一煤模型；同时考虑到实际煤岩层结构特点与覆存特性，建议采用组合模型来评价煤岩冲击倾向性。     

煤岩冲击倾向性研究

 基于大量试验数据,系统分析煤岩冲击倾向性各种指标的相关数据,并针对现有行业标准中关于煤岩冲击倾向性评价存在的问题,提出将煤的单轴抗压强度作为评价煤层冲击倾向性的新指标,并给出判据;对原煤矿顶板岩层冲击倾向性指标的适用性进行分析,并指出不足,提出并推导出新的基于简支梁模型的顶板岩层冲击倾向性计算公式及其界定指标;分析脆性系数、含水率等与冲击倾向性之间的相关性。研究结果表明,煤的单轴抗压强度可以作为煤层冲击倾向性评价指标;依据简支梁模型确定的弯曲能量指数的计算公式,其计算结果与现场实际情况相吻合。     

孙村煤矿－1 100 m水平深部煤岩冲击倾向性组合试验研究

冲击地压灾害防治是深部开采面临的重要难题之一。对孙村煤矿-l100m水平(埋深1310m)延伸时煤岩的冲击倾向性进行了试验研究。为探求煤-岩层相对厚度变化对深部煤岩体冲击倾向的影响，进行了7组不同高度比的煤岩组合试件力学性质与动态破坏特性的试验研究，获得了深部煤岩冲击倾向性评判结果；研究了浸水对深部煤岩强度与冲击倾向的影响，为该矿防治冲击地压提供了试验依据。     

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。     

组合煤岩冲击破坏电磁辐射规律研究

大量理论研究和物理试验已经证实煤岩变形破裂过程中会产生宽频带的电磁辐射信号,因此研究坚硬顶板–煤体–底板所构成的组合煤岩变形破裂电磁辐射规律对于预测预报煤岩动力灾害具有重要的意义。采用MTS815伺服加载以及Disp–24声电测试系统对组合煤岩变形破裂所产生的电磁辐射及声发射信号进行了测定,试验结果表明,试样在发生冲击破坏前,电磁辐射强度呈小幅度上升的波动趋势,且冲击破坏前兆会产生突变;而声发射信号计数率在试样冲击破坏时将急剧增加并达到最大值,随后产生突降。电磁辐射与声发射信号峰值位置出现的时间并不同步,电磁辐射信号的最大值出现在试样变形破坏的峰后阶段,而声发射信号的最大值位置则出现在试样的峰值强度处。电磁辐射信号出现峰值时声发射相对较弱,且声发射信号出现峰值时其电磁辐射强度也相对较弱。依此规律,可以对冲击矿压的危险性进行正确地评价和预测预报。     

瓦斯压力作用下煤岩的声发射非线性演化特征

研究含瓦斯煤岩的声发射演化特征对于揭示煤岩的变形破坏机制有着重要作用.利用渗流-应力耦合试验系统进行了含瓦斯煤岩三轴压缩试验,研究了瓦斯压力对声发射非线性演化特征的影响,并基于强度理论分析了瓦斯压力对煤岩强度的影响机制.结果表明:煤岩的声发射能量和体应变演化有较好的对应关系.随着瓦斯压力的减小,声发射能量快速增加阶段曲...     

单轴受压煤岩声发射特征的层理效应试验研究

层理对煤岩体宏、细观力学性质都有重要影响。为探究不同层理方向煤岩体的损伤演化规律及变形破坏中的声发射特征,分轴向平行层理和轴向垂直层理2种情况进行煤岩制样,采用MTS815岩石力学试验系统和PAC声发射仪,开展单轴加载条件下破坏全过程的声发射(AE)试验研究,揭示煤岩AE时序参数、能量释放规律、空间演化特征和AE振幅分布的层理效应。研究表明:相对于轴向垂直层理煤岩,轴向平行层理煤岩在整个受力过程中AE振铃计数和能量释放更强,但单位时间的AE振铃数和能量释放更平缓,轴向垂直层理煤岩呈现急剧猛烈的能量释放特征;轴向平行层理煤岩中,一定规模的AE事件在更低应力水平就会产生,其AE空间分布更加均匀,无轴向垂直层理煤岩的成核现象;在变形破坏全过程中,轴向平行层理煤岩AE振幅分布变化幅度较小,其b值更大,大尺度AE事件比例更低。研究成果在一定程度上反映了煤矿开采过程中工作面和上覆煤岩的层理方向对其声发射特征的影响,可对现场声发射监测围岩破坏情况提供借鉴和参考。     

煤岩串联组合模型及冲击地压机理的研究

用两体相互作用理论和RFPA2D系统对煤岩组合模型的变形与破裂过程进行了理论和数值试验研究。理论分析表明利用煤岩组合试样可以反映冲击地压过程中的基本力学现象。数值试验考虑了煤岩组合模型中岩石体积含量对于两体最终破裂过程的影响,得到了组合试样的应力-应变曲线和破裂过程中应力场和声发射的分布规律,并把数值和理论结果进行了对比分析。最后,应用数值模拟系统对矿柱示例进行了模拟分析。     

煤岩多孔介质及其充瓦斯后的电特性研究

电性质是煤岩的重要物理性质。开展煤岩多孔介质及其充瓦斯后电性质的研究，对煤与瓦斯动力灾害的有效预防及煤层气的勘探开发具有重要的意义。研究了煤岩多孔介质及其充瓦斯后的交流导电性。研究表明：煤岩多孔介质电导率随瓦斯压力的增大而增大，不含瓦斯时的电导率明显低于含瓦斯时的电导率：无论是否含瓦斯，电导率都随温度的升高而增大，并且相同条件下，含瓦斯比不含瓦斯的电导率要大；电导率与外加电压无关：随着频率的增大，电导率也相应增大，煤的交变电导率与频率问存在分形关系。     

基于表面分形特征的煤岩冲击倾向性评价

对于煤岩体冲击倾向性的评价,目前主要采用煤的冲击能量指数K_E,弹性能量指数W_ET和动态破坏时间D_t三种指标。由于煤岩体的孔隙越发育(也就是孔隙率大、孔隙数量多、结构复杂等),则一般情况下其宏观力学强度就越低,岩体内积聚的能量容易通过塑性变形或破裂消耗掉,冲击倾向性就越低;同时,通过研究煤岩扫描电镜(SEM)图像,计算其孔隙特征参数和分形维数,发现煤岩体具有良好的分形特征,并且孔隙发育程度可以很好地被分形维数所描述,因此引入分形维数D_f来描述煤岩冲击倾向性是合适的,一般来说分形维数越大则冲击倾向性越小。     

一维动静加载下组合煤岩动态破坏特性的试验分析

依据动载诱发冲击地压是动静组合加载下煤岩体结构失稳这一科学认识,采用改进的霍普金森杆,开展一维动静加载下组合煤岩动态破坏特性的试验研究.选取强度和碎片分维作为特征参数,采用4种典型轴压,进行不同应力波能量下的冲击试验.获得组合煤岩的动态强度和碎片分维随动静载荷的变化规律,从而揭示裂隙数目、煤岩结构特性及动静载荷对组合煤岩破坏失稳的影响.结果表明:组合煤岩试样的动态强度和碎片分维随应力波能量的增大而增大,随静载的增大呈现先增大后减小的趋势.含有裂隙越多的组合煤岩对高动载的抵抗能力越强,而破坏的剧烈程度越低,说明煤层卸压措施不但能增强煤岩体结构对高动载的抵抗能力,还能降低冲击发生的剧烈程度.煤岩体结构特性增强了煤层对动静载荷的抵抗能力以及煤层破坏的剧烈程度;同时结构特性削弱了高动载对煤层的作用效果,而加强了高静载的作用效果,其原因在于动、静载荷作用的时间尺度差异较大.     

大理岩颗粒及试样尺寸对冲击倾向影响的试验研究

试样的冲击倾向是反映岩石发生冲击地压难易程度的重要参数。对4种不同颗粒和5种长径比的大理岩试样进行了单轴压缩试验，通过分析应力．应变全程曲线发现，大理岩冲击倾向指标Et/ER随矿物颗粒的增大而逐渐增大，随试样长径比的增大却逐渐减小，这种趋势随颗粒和长径比的变化而逐渐变缓，不同颗粒的大理岩表现程度有所不同。大理岩强度随试样长径比的增大逐渐减小，试样强度与颗粒的关系比较复杂，没有明显的规律。     

断层冲击地压失稳瞬态过程的试验研究

 以白光数字散斑相关方法作为试验的观察手段,采用双轴加载方式对一种花岗闪长岩进行直剪摩擦滑动试验,通过搭建高速数据采集系统对断层冲击地压失稳瞬态过程进行研究,观测和分析冲击失稳过程中断层位移演化时间和空间的特征。试验结果表明：(1) 断层冲击地压发生与侧向压力量值有关,断层冲击地压发生需要满足一定的侧向应力条件,当侧向压力较小时,断层发生稳滑,不会发生冲击地压;(2) 随着侧向压力的增加,发生断层冲击的峰值应力增加,断层冲击地压发生时的应力降增加;(3) 冲击失稳过程中断层位移演化在时间上表现出间隔滑动特征,并且滑动间隔时间随着侧向压力的增加而增加,断层第一次失稳滑动的距离和滑动速度大于第二次滑动的距离和滑动速度;(4) 冲击失稳过程中断层位移演化在空间上表现出滑动的差异性特征,断层不同位置处的失稳滑动量值和滑动演化特征不同,表现出断层观测点的滑动量值随着与加载端的距离增加而增加的趋势。     

煤岩冲击前兆微震频谱演变规律的试验 与实证研究

冲击矿压造成煤矿巷道及开采空间的破坏,其主要原因是冲击震源产生的振动波传递并扰动处于极限应力状态的煤岩体而诱发能量的突然释放.微震监测技术通过反映煤岩体变形破裂释放的能量以及频谱特征而实现冲击矿压的监测预报,其前兆信息研究是识别冲击矿压危险程度的关键.利用TDS–6微震采集系统测试三河尖煤矿组合煤岩试样变形破裂直至冲击破坏全过程的微震信号,发现在循环加载的后期,冲击前兆微震信号的低频成分增加,频谱向低频段移动,振幅较低,而试样冲击破坏诱发主震信号的高频成分增多,且振幅达到最大值.现场冲击矿压监测表明,前兆微震信号频谱中低频成分增加,且振幅开始逐渐上升.当冲击矿压发生时,主震信号的振幅达到最大值,频谱相对于前兆信号而言,高频成分明显增多.由此,微震信号的频谱向低频段移动,且振幅逐渐增加可以作为冲击矿压发生的一个前兆信息,这一结论对于利用微震监测系统监测预报冲击矿压具有一定的借鉴意义.     

急斜特厚煤岩体耦合致裂应用研究

 为达到更好的煤岩体致裂效果并弥补爆破与注水方式的缺点,提出耦合致裂工艺及其分析方法与流程。以急斜特厚煤岩体耦合致裂为工程背景,完成复杂环境下煤岩体耦合致裂方案设计,采用BP神经网络对耦合致裂后煤体的可放性(U)进行预测,对比分析不同方法间U的差异,最后采用微震监测的方法分析岩体的卸压效果。结果表明：耦合致裂工艺是提高急斜特厚煤岩体冒放性和解除应力集中的有效方法,煤岩体耦合致裂分析流程实现了耦合致裂效果的评估。BP神经网络预计在高阶段煤体和常规阶段煤体交叉区域预测的数据仍具有一定的可靠性,可以实现煤体耦合致裂效果的评估。注水期间、注水后以及爆破后,低等级的微震事件次数略有上升,但高等级事件数下降的能量远大于新增低等级事件数的能量,注水后释放能量仅是注水前的12.5%,地面爆破后释放的总能量与爆破前相比降低了51%。耦合致裂效应突出表现在将高等级的微震能量转化为较多低等级能量事件的缓慢释放,降低了动力灾害的频次和程度,促使高压力缓慢释放、主动诱导→集中释放,实现了动态灾害显现向静态缓慢释放的转变。实践结果反映出在煤岩体的耦合致裂措施下,顶煤的冒放性和动力灾害问题均得到较好的控制和解决。     

刚–柔–刚支护防治冲击地压理论解析及实验研究

 冲击波在巷道围岩–多孔金属材料–钢支护构成的刚–柔–刚(R-F-R)支护结构的传递过程可简化为一维应力波在结构中传播问题,通过对R-F-R支护结构防治冲击地压理论分析,得到岩块冲击多孔金属材料–钢支护结构时多孔金属材料对冲击波压力的衰减情况以及多孔金属材料厚度、密度对冲击波压力衰减的影响。采用落锤冲击实验方法,对3种类型支护结构进行冲击实验研究,分析冲击波在R-F-R支护结构中的传播和衰减规律,实验结果表明,R-F-R支护结构具有良好的缓冲和吸能作用。理论计算与冲击实验结果对比可知,计算结果表明钢板冲击R-F-R支护结构时作用在钢支架表面的冲击波压力为钢板直接冲击钢支架时的30.7%,钢板冲击R-F-R支护结构时可吸收能量值约为总能量的94.8%;冲击实验结果表明,作用在R-F-R结构钢支架表面的冲击波压力为钢板直接冲击钢支架时的50%左右,钢板冲击R-F-R支护结构时吸收能量值约为总能量的70%以上。     

岩爆实验碎屑分类及其研究方法

 利用中国矿业大学(北京)岩爆过程模拟实验系统,进行一系列的应变岩爆实验。对岩爆碎屑不同尺度,可以采用不同方法提取其信息,包括对面积约为100 mm2的中粒碎屑SEM(扫描电子显微镜)扫描,粗粒碎屑的断口表面形貌三维激光扫描和岩爆碎屑颗粒的尺寸特征测量。测量参数为质量、长度、宽度和厚度。为了便于对不同尺度的岩爆碎屑进行研究的方便,将岩爆碎屑分为粗粒、中粒、细粒和微粒4组,对不同粒组采用不同的研究方法。以花岗岩为例,介绍不同方法计算分形维数的过程及结果。采用倍分长度区间、SEM裂纹图像处理的二值法及小岛法进形分形维数计算时,其线性关系都较好,但不同方法计算获得的分维值不同。根据不同粒组的分形结果,可以分析不同尺度下的岩爆碎屑破碎程度,并为进一步研究岩爆过程的能量变化特征提供基础。     

辉绿岩脉复合灌浆试验加固效果研究

 选择代表性试验区,采用高压水泥–化学复合灌浆技术,对辉绿岩脉的灌浆加固处理开展灌浆工艺、加固效果和机制等试验研究。试验中对微细裂隙发育的辉绿岩脉进行高压水泥灌浆后再进行化学复合灌浆,水泥浆液采用普通硅酸盐水泥,化学浆液采用固结性能良好的CW系环氧树脂。复合灌浆后的辉绿岩脉单孔纵波速度可达5 153 m/s,变形模量为11.4～21.8 GPa,试验区岩体的连续性、整体性及均一性改善显著。复合灌浆达到预期效果,辉绿岩脉力学指标满足建坝要求,灌浆工艺参数合理,可直接指导大岗山水电站基础处理施工。经初步探索,该复合灌浆加固岩体的实质可归纳为：固结灌浆改善了岩体结构面力学特征及其组合关系,使其整体刚度增大;微细裂隙的良好胶结,使其端部应力集中被降低或消除,岩体屈服极限增大,强度提高。     

基于当量钻屑法的冲击地压监测预警技术研究及应用

 针对济三煤矿现场监测数据,通过分析和数值计算,建立钻屑量、支承压力以及钻孔应力的关系,在此基础上,研制冲击地压实时监测预警系统。通过应力测量代替钻屑量作为冲击地压危险性主要监测指标和实时监测工作面前方应力场的变化规律,实现冲击地压危险区及危险程度的实时连续监测预警。自主开发的分析预警软件可以实时显示随工作面推进的支承应力动态云图和测点应力柱状图,设定报警阈值,以判断危险区域及其危险程度,预报发生冲击地压的可能性。通过多个冲击危险矿井的应用,表明该系统能准确地预报冲击危险区及其危险程度,实现高冲击危险工作面的安全开采。