级配饱和破碎岩石压缩变形与分形特性试验研究

综合利用MTS816.03试验系统与自制的破碎岩石压缩装置进行了不同岩性饱和破碎岩石的压缩试验,分析了岩性、轴向应力、粒径配比和加载速率4种影响因素下试样的压缩变形与分形特性。得出以下结论:1)矸石、泥岩和砂岩试样的压缩过程相似且可分为2个阶段,即为0~4MPa的快速变形阶段和4 MPa后的缓慢变形阶段;而灰岩试样的压缩过程变形速率均匀。2)在相同粒径配比条件下,随着轴向应力的增大,砂岩分形维数单调增大,岩石颗粒破碎程度加剧。轴向应力与分形维数之间关系可用指数函数拟合。3)在试样压缩过程中,Talbol幂指数越大,试样轴向位移越大;加载速率越大,试样轴向位移越小。4)在12 MPa轴向应力下,Talbol幂指数越大,试样压缩后的分形维数增量越大,被压碎的岩石颗粒越多;加载速率越大,试样分形维数越大,破碎程度越低。     

煤岩孔裂隙结构分形特征及渗透率模型研究

为探究煤岩孔裂隙结构与渗透特性的联动关系,采用扫描电镜、偏光和分形等手段分析煤岩孔裂隙结构分布特征,利用自主研发的出口端正压三轴渗流装置,开展恒定有效应力条件下孔隙压力升高的渗流试验。基于分形理论,考虑煤岩表面孔隙分布情况对煤岩渗透率的影响机理,建立考虑孔裂隙分形特征的煤岩渗透率模型,通过试验验证其合理性,对煤岩孔裂隙下分形维数和渗透率耦合进行定量分析。研究结果表明:①六盘水矿区煤岩表面含有一定数量的孔隙和裂隙,其中四角田7号煤层孔裂隙发育情况最好,具有2条清晰的宽度较大的裂隙,并伴有大量交叉微裂隙及孔隙发育,煤岩结构破坏严重;②通过盒维数法可得煤岩孔裂隙分布具有明显的分形特征,且煤岩孔隙率与分形维数呈正相关关系;③恒定有效应力条件下,煤岩渗透率随孔隙压力升高呈现先急剧降低后趋于平缓的趋势,受孔裂隙结构影响,在相同的孔隙压力下煤岩渗透率存在明显差异。煤岩表面孔裂隙结构越复杂其分形维数越大,有助于瓦斯运移,渗透率呈上升趋势;④考虑孔裂隙分形特征的煤岩渗透率模型计算值与实测值吻合度较高,与前人研究成果相比,无论理论机理的适用性还是对试验点的匹配方面都更加适用,且能较好地反映孔隙压力与渗透率的联动关系。     

薄基岩煤层覆岩裂隙演化的分形特征研究

为研究特厚松散层薄基岩煤层上覆岩层在采动影响下裂隙的发育演化规律,结合赵固一矿11011工作面地质条件和开采技术条件,采用相似材料模拟试验模拟了覆岩裂隙演化的全过程,并利用分形几何理论研究了裂隙网络分形维数与工作面推进度、矿山压力、覆岩下沉、上三带之间的关系。研究结果表明:采动所形成的裂隙网络可以较好的表征岩体的结构特征;裂隙的形成、发育、扩展、分布具有较好的自相似性和分形特征,可以用分形维数描述裂隙网络的二维空间特征;裂隙网络分形维数随着开采宽度的增加而增加,但增加趋势逐渐减缓;分形维数与矿山压力、覆岩下沉之间呈非线性关系;分形维数可以较好的表征上三带裂隙发育特征.     

饱和破碎砂岩压实过程中粒度分布及能量耗散

分别对不同级配(Talbot指数为0.2,0.4,0.6和0.8)侧向受限饱和破碎砂岩进行压缩,利用显微CT观察了试样内部孔隙结构的变化规律;基于分形理论,定量研究了粒度分布特征;通过计算应变能密度,分析了能量耗散特征。结果表明,在16 MPa轴向应力下,轴向应变为0.304 5~0.324 1;在压实初期,试样结构松散,颗粒间接触不稳定,孔隙尺寸较大且联通性好;而在压实后期,试样密实,孔隙形状多为稳定的三角形。粒度分布具有分形特征,分形维数范围为1.733 1~2.561 0。当轴向应力为0~4 MPa时,颗粒破碎发生急剧,分形维数快速增大;而在4 MPa后,颗粒破碎发生较少,分形维数缓慢增大。变形引起的能量耗散随着轴向应变和分形维数的增大而加速增大,当轴向应变大于0.17或分形维数大于2.1后,应变能密度急剧增大。初始粒径配比对粒度分布和能量耗散均有影响,相同轴向应力下,Talbot指数越大,分形维数越小;相同轴向应变下,Talbot指数越大,应变能密度越小。     

采动岩体裂隙分维演化规律分析

采用岩石破裂过程RFPA数值分析系统研究了具有初始裂隙的采动岩体裂隙演化过程和破坏模式,利用数值试验成果基于分形几何理论分析了采动岩体裂隙分形维数随开采宽度、初始损伤量的演化特征,揭示了采动岩体裂隙分维演化规律.分析证明,与采动岩体裂隙分布的分形维数存在明确对应关系的应为初始损伤量,而不是初始裂隙倾角,不同的初始损伤量对应不同的分形维数,在开采末期,采动岩体裂隙分维随初始损伤的增加而呈线性增加,回采结束时,初始损伤量越大,采动岩体裂隙分布的分形维数越大.研究结果为进一步探索裂隙随机分布时采动岩体分维演化规律提供参考依据.     

近距离煤层群围岩碎裂特征与裂隙分布关系

六家煤矿近距离煤层群裂隙网络发育,为了防止顶板及层内裂隙导水、邻空面瓦斯超限与煤体自然发火等隐患,基于分形理论,以巴西劈裂试验和现场窥视统计试验为研究手段,探讨了岩体碎裂尺度及均匀度对裂隙分形特征的影响。研究表明：劈裂块度分维值越接近2,则破裂后碎块尺度越均匀,表现为存在一条主裂隙将试样大致均分且裂隙面较平整;劈裂块度分维值与2相差越大,碎块尺度差距越悬殊,裂隙面越粗糙。劈裂块度分维值与裂隙分维值之间符合抛物线分布,劈裂块度分维值越接近2,则裂隙分维值越大,表明劈裂块体尺度越接近,岩层内裂隙条数越少、裂隙环越平整且与层面夹角越小;劈裂块度分维值与2相差越大,则裂隙分维值越小,表明劈裂块体尺度相差越悬殊,裂隙条数越多、裂隙面越粗糙且裂隙方位无规律。裂隙分布规律与劈裂碎块尺度大小无关,与碎块尺度均匀性密切相关。     

突出煤层表面裂隙特征与瓦斯吸附/放散特性关系实验研究北大核心

瓦斯吸附、放散特性对于煤与瓦斯突出灾害预测、检验与防治十分重要,且与煤体裂隙结构特征密切相关。选取东曲煤矿2#、4#、8#和9#煤层的煤体试样,利用分形维数表征煤体表面裂隙特征,研究了煤体裂隙分布与瓦斯吸附、放散特性参数之间的关系。结果表明:基于分形理论求解了煤体表面裂隙分布的分形维数,取值范围为1.4~1.5,原生裂隙发育程度为9#煤层>4#煤层>8#煤层>2#煤层;通过瓦斯吸附、放散实验测试分析了煤体等温吸附常数及瓦斯放散初速度,吸附常数a取值范围为34.180~36.920 m3/t,瓦斯放散初速度取值范围为12~18 mmHg,上述参数的大小顺序与分形维数值一致。统计分析了东曲煤矿煤体分形维数与瓦斯吸附、放散特性参数的相关性,结果表明二者呈显著正相关性,分形维数能够表征该煤矿煤体瓦斯吸附与放散的特性与能力。     

基于分形理论的高煤阶煤层气储层气-水相渗计算方法及应用

通过理论推理和室内实验,研究了利用分形理论计算高煤阶煤储层气-水相渗的方法,结果表明:煤样孔、渗物性越好,最大进汞饱和度越高,两相渗流区越大,等渗点水相饱和度越小;通过分形理论利用毛管压力曲线计算煤岩气-水相渗曲线是可行的,实验样品相渗曲线的计算值与实验值非常接近;分形维数主要影响水相渗透率,分形维数越大,水相渗透率曲线越向右偏移,且气水两相等渗点饱和度越大。这表明,煤储层分形维数越大,水相渗流难度越大,应控制井底流压在解吸压力以上,避免两相流出现,充分排水,扩大煤层气井降压、解吸面积。     

采动裂隙动态演化定量分析及其应用研究

合理定量分析覆岩裂隙动态演化特征对于采动损伤评价尤为关键。以任家庄煤矿110903工作面为工程背景，运用相似材料模拟试验，计算不同开采进尺下的裂隙分形维数，分析覆岩裂隙数量、倾角、长度、宽度等参量，定量研究了覆岩裂隙发育扩展情况，并通过同等试验条件对比分析了冒落区充填前后裂隙发育特征。研究结果表明：随着2层关键层的破断，覆岩裂隙分形维数呈现上升—稳定—上升趋势，分形维数变化与压力峰值变化一致，可反映出覆岩运移及压力显现变化规律；依据裂隙演化情况可将采场覆岩裂隙划分为离层区裂隙，压实区裂隙，垮落带裂隙，左、右侧竖向破断裂隙，离层Ⅱ区裂隙等，其中，竖向破断区裂隙倾角分布为0°～90°;垮落带裂隙复杂，裂隙倾角分布为0°～360°,裂隙贯通性好；离层区裂隙倾角近水平，裂隙贯通性较差；通过对比试验展现未充填和充填裂隙扩展规律，表明开采过程中及时在垮落带充填能有效控制覆岩裂隙发育。     

基于混沌-分形理论的煤矿采动裂隙发育规律研究

以贵州某矿为研究对象,用混沌-分形理论对该矿裂隙规律进行分析研究。从能量的角度解释首先产生的是横向离层裂隙。从下层岩层到上层岩层,裂隙数量减少,两邻边呈锐角发育。最后对裂隙进行分形计算,运用数学拟合裂隙数与推进距离的关系得出纵截面岩体裂隙分形维数值在0~2变化,基于分形维数对煤与瓦斯突出机理进行分析,预测出当纵截面岩体裂隙分形维数无限趋近于2时,易产生煤与瓦斯突出。     

采空区破碎岩石承压变形及分形特征研究

为了研究采空区破碎岩石的承压变形及分形特征,利用自主研制的大尺寸破碎岩石变形-渗流试验系统分别对不同岩性、不同轴向应力和不同粒径级配条件下的采空区破碎岩石进行了承压变形试验。试验结果表明:破碎岩石压实后,大粒径岩块质量减少,小粒径岩块的质量增多,处于中间粒径区间的岩块质量变化趋于稳定,岩块整体体积逐渐减小;岩石的强度与岩石压缩后分形维数呈负相关关系,岩石强度越低,抗变形能力越差,压实后分形维数越大;随着轴向应力的增大,大粒径岩块质量减少速度趋于缓慢,分形维数不断增大,分形维数的增长速度逐渐减小,最后趋向于0;破碎岩石试样中的大尺寸岩块含量越多,压实后岩石试样的分形维数增量越大,岩石破碎程度较为剧烈。     

冻融后花岗岩孔隙发育特征与单轴抗压强度的关联分析

为了研究冻融后岩石的孔隙特征与力学性质之间的关系,对冻融后的花岗岩进行了核磁共振测试和力学试验,分别分析了NMR孔隙度和谱面积与单轴抗压强度之间的关系,并将岩石核磁共振成像结果与力学破坏特性进行了关联分析。研究结果表明：孔隙的发育程度对岩石的力学损伤有重要的影响,岩石的NMR孔隙度和谱面积与单轴抗压强度之间的关系式均为指数分布,岩石内部的孔隙分布情况与其力学性质和宏观破坏特征之间存在一定的联系;采用分形理论对冻融后花岗岩的孔隙发育特征进行了描述,得出了冻融花岗岩孔隙发育的分形维数。分析表明,冻融作用下岩体内的裂隙产生及其演化具有自相似性,分形维数值越大,孔隙越发育,其单轴抗压强度就越小。     

单轴压缩条件下饱水粉砂岩红外温度场的分形特征研究

为探寻单轴压缩下饱水粉砂岩破裂过程中的红外辐射特性,引入分形理论,通过盒维数法计算出饱水粉砂岩红外温度场的分形维数,结合方差对单轴压缩下饱水粉砂岩的分形特征进行分析。结果表明:红外温度场的分形维数不仅能够表征饱水粉砂岩变形过程中裂纹发育的几何特征,同时也体现了裂纹发育过程中的动力学特征;较方差而言,分形维数对岩石加载过程的红外温度场变化更为敏感;分形维数在弹性阶段以及表征饱水粉砂岩试样破裂的红外前兆方面刻画效果优于方差。     

煤体破裂分形特征与声发射规律研究

探究离散性影响下煤体力学行为演化机制及失稳预测方法是有效提高冲击地压预测准确性的关键,开展煤受载破坏声发射监测试验并对破碎块体筛分统计,获得了强度、块体分形特征、声发射信号规律及其相互关系。研究结果表明:受裂隙及夹矸等影响煤体内部形成承载结构缺陷区导致其强度具有显著离散性,含有夹矸或裂隙越多,煤体受载过程弹性区越短承载能力越低,破碎后完整性较高,峰后软化特征明显,煤体单轴压缩破坏块度分形维数为2.08~2.60略高于岩石,碎块分形维数随峰值应力增加而升高,将质量频率分布曲线的斜率定义为碎块密集度(k),碎块密集度越小煤体分形维数越大,破碎块体的数目越多体积越小破碎程度越高;煤体受载过程声发射能量、信号密集度和能量累积量随强度正相关变化,声发射累积量正比于分形维数,结合试验统计结果,深入分析了声发射能量与分形维数间的内在联系,并建立了声发射累积总能量随分形维数变化的经验公式,研究成果为定量的分析声发射信号与煤体力学行为间相互关系提供指导。     

缓倾斜煤层开采下伏煤岩裂隙动态演化规律

保护层开采可以有效地预防煤与瓦斯突出,研究保护层开采过程中的应力演化、围岩变形特征和裂隙演化可为开采被保护层提供理论保障。 选取青东煤矿 7 煤作为上保护层,8 煤作为下伏煤层。 通过 FLAC^3D、UDEC 建立伏岩应力模型,采用盒分形维数的方法对工作面开挖后煤体裂隙发育程度进行定量分析,并结合现场试验研究上保护层开采对被保护层影响。 结果表明：工作面回采后,采空区应力得到充分释放,围岩出现膨胀位移,在充分卸压区域最大垂直位移 15.26 mm;对比盒分形维数数据,随着巷道开挖,裂隙发育复杂程度逐渐增加,各阶段煤层开挖顶板裂隙发育优于底板。 顶底板分形维数由 1.99 增加到 2.37, 增长率达到 19%, 底板分形维数从 1.92 变化到2.24,增长 16.6%;通过试验,上保护层开采有助于瓦斯卸压通道的形成,使得卸压区内瓦斯压力降低了 65.4%,煤层透气性系数增大 76 倍。     

煤体破碎过程中分形特征与能量耗散规律研究

利用DDL600电子万能试验机和自主研发的破碎岩石压实装置,采用分级加载方式对不同相对湿度下的级配破碎煤样进行单轴侧限压缩试验,通过筛分和称重各粒径煤样计算出粒度分形维数,分析各级轴向应力下破碎煤样的粒径分布特征,并根据能量耗散模型计算出破碎能量耗散率,探究加载过程中破碎煤样的能量耗散率规律。结果表明:煤样破碎过程中分形维数与加载应力满足对数关系,初始级配对分形维数变化的影响随加载应力的增大而减小,且相对湿度的增加会降低分形维数;相对湿度通过减少破碎发生而减小了煤样的能量耗散,其能量耗散率的变化区间为30%～42%;煤样的能量耗散率随分形维数呈先增大后减小的趋势,且湿度越大能量耗散率到达峰值时的分形维数越小,能耗率变化越突出。     

构造煤裂隙及渗流孔隙分形特征研究

构造煤的孔裂隙系统对煤层气吸附、运移以及瓦斯突出均具有控制作用,选取淮北朱仙庄矿12块不同变形类型构造煤进行显微镜观测和压汞测试,并利用分形方法对样品裂隙系统、渗流孔孔隙系统及二者的关联性进行研究,结果表明:样品显微裂隙信息维数分布于1.2~1.9,孔隙分形维数分布于2.6~3.0;随着煤体变形程度增强,显微裂隙分形维数Dl线性增大,渗流孔隙分形维数Dk在脆性变形阶段变化不大,脆-韧性和韧性变形阶段呈线性减小。Dl增大,样品渗流孔孔容和比表面积呈指数增大,平均渗流孔孔隙直径减小,渗流孔发育程度提高,渗透性增强。孔隙分形维数随裂隙分形维数增大呈抛物线形式减小,以Dl=1.6为界,可根据Dl值将变形环境分为小于1.6的脆性变形环境以及大于1.6的脆-韧性/韧性变形环境。     

煤体微生物厌氧发酵对裂隙发育的响应规律

基于二维承载条件的煤岩变形过程中的裂隙空间空气渗流试验、梯度含氧水平的煤体微生物厌氧发酵影响试验、与不同煤体粒径的微生物发酵试验,测试了煤体比表面积、裂隙含氧量对煤体厌氧发酵的影响关系,推演了不同深度煤体裂隙发育对厌氧微生物的生物活性影响规律与关键控制因素。结果表明:空气渗流大于1%的煤体中,空气渗流导致的厌氧环境的破坏作用,是抑制煤体厌氧发酵的主控制因素,而且煤体裂隙发育越迅速,空气渗流作用越强,煤体厌氧发酵抑制受控范围越大;空气渗流小于1%的煤体中,在兼氧菌对少量渗流空气缓冲作用影响下,裂隙发育对煤体比表面积的扩大作用是促进煤体厌氧发酵的主控因素,裂隙发育越充分,煤体比表面积越大,煤体的厌氧发酵速率提升越高。     

基于声发射定位的三轴受压帷幕体试样裂隙演化分析

利用TAW-3000电液伺服岩石三轴试验机和PCI-II声发射监测系统对以研山铁矿东帮卵石制作的帷幕体试块进行不同围压三轴压缩条件下的声发射(AE)测试,结合声发射空间定位、AE事件能率对不同应力阶段帷幕体裂隙空间演化规律进行了分析,并对分形维数的变化规律进行了研究。试验结果表明：围压越大,帷幕体试块的抗压强度越高,到达峰值荷载所用时间越多,对应的时间-应力曲线的曲线上升段越长、曲率越小,帷幕体塑性特征越明显,累计AE定位点数越多。分形维数变化基本特征为升维、降维、再升维模式。AE事件能率和定位点数骤然增多以及二次升维标志破坏前兆。同样的应力状态下帷幕体内卵石和砂浆的结合面先起裂,其次是砂和水泥浆的结合面开裂,最后裂缝进入硬化水泥浆。     

基于分形理论的上覆煤岩裂隙发育规律研究

为研究近距离保护层开采上覆煤岩裂隙发育规律，以熊家湾煤矿C8和C9煤层为工程研究背景，基于分形理论和数值模拟技术分析近距离保护层开采上覆煤岩时裂隙发育和应力变化等特征。研究表明：C9保护层开采后，裂隙网络分形维数整体呈下降—上升—稳定趋势，表征上覆煤岩裂隙发育分为新生裂隙发育到顶板垮落压实、顶板垮落压实到压实裂隙发育和压实裂隙发育到整体稳定3个阶段；随着工作面推进，上覆煤岩的应力与裂隙网络分形维数变化整体相似，可用裂隙网络分形维数表征应力变化趋势；结合“三带”经验计算公式和数值模拟结果，得出裂隙发育高度为20 m左右，高于煤层间距，C8煤层裂隙发育。相关研究结果可为黔西地区相似地质条件上覆煤岩裂隙发育规律研究提供参考。