不同煤试样冲击倾向性试验结果分析

基于5组不同产地煤样在RMT-150B岩石力学试验系统进行单轴加载、卸载压缩试验.分析结果表明：煤样的弹性变形指标K_E与弹性能量指标W_E之间线性相关;采用冲击能量指标W_N作为煤层冲击倾向性的判别是一种过高的估计,而有效冲击能W_Y能够较好地反映出煤样在压缩变形破坏过程吸收和释放能量的关系,作为煤层冲击倾向性的判别比较合理;动态破坏时间t_D相差悬殊,与其他冲击倾向性判定指标相关性不明显,以t_D作为煤的冲击性判定指标需要谨慎.     

姚桥煤矿7煤及顶板冲击倾向性试验研究

姚桥煤矿最大开采深度已超过850m,随着开采深度的增加,冲击动力灾害愈发严重,对姚桥矿7煤及顶板岩层冲击倾向性进行试验研究很有必要。本文利用室内岩石力学试验机对在7煤及其顶板岩层原位所取的煤岩样品进行单轴、单轴加卸载及三轴实验研究,通过对实验结果中煤样的单轴抗压强度、冲击能量指数、弹性能量指数及动态破坏时间,以及顶板岩样弯曲能量指数的计算与分析,得出煤样的平均抗压强度9.72 MPa,冲击能量指数13.667,弹性能量指数7.42,动态破坏时间19 ms,判定为强冲击倾向性煤层;顶板岩层总弯曲能量达到114.77k J,判定为弱冲击倾向性,接近强冲击倾向性指标。研究结果可对该煤层的安全开采及防冲技术提供基础依据。     

不同冲击倾向性煤单轴压缩下能量演化与损伤特征

为了研究不同冲击倾向性煤单轴压缩过程中的能量演化规律与损伤特征,基于实验室冲击倾向性等力学参数测试,通过颗粒流数值程序PFC2D获取能够较真实反映煤样宏观力学特性的细观参数,模拟分析了不同冲击倾向性煤单轴压缩下的能量演化规律与损伤特征。研究结果表明:不同冲击倾向性煤的能量演化规律相似,峰值强度前,边界做功主要转化为应变能,耗散能、滑动能与动能的占比则非常小;峰值强度后,应变能快速释放,耗散能、滑动能与动能开始迅速增长。随着冲击倾向性的增强,应变能释放与动能增长速率显著增大,提出应变能释放比率与动能增长比率2个指标,发现应变能释放比率、动能增长比率与冲击倾向性指标中的单轴抗压强度、冲击能量指数以及弹性能量指数具有很好的相关性,可采用该指标来辅助评判煤样的冲击倾向性。峰值强度前不同冲击倾向性煤样内部微裂纹演化规律近似,峰值强度点后微裂纹急剧增长,增速与冲击倾向性呈正相关关系。基于裂纹萌生与体积应变曲线的确定方法,得出煤的起裂应力水平主要分布在44.18%～51.67%,损伤应力水平在89.04%～93.86%。强冲击倾向性煤样的起裂应力水平与损伤应力水平均高于弱和无冲击倾向性煤样,起裂应力水平与损伤应力水平从细观损伤力学角度解释了强冲击倾向性煤样易积聚高弹性应变能并产生脆性冲击破坏的能力。     

层理角度对硬煤冲击倾向性影响的实验研究

冲击倾向性是煤矿井下发生冲击灾害的内在原因,层理角度对其有重要影响。为探究层理角度对煤样冲击倾向性影响,制备不同层理角度标准煤样,并测试其超声波速,利用GCTS RTR-4600高温高压岩石力学试验系统测定力学参数,计算各项冲击倾向指标,收集碎屑进行断口形态扫描电镜细观分析。研究表明:1)层理面与加载方向夹角对煤样力学参量影响显著,宏观破坏模式及细观断裂特征存在强烈层理效应;2)当层理面与加载方向夹角为90°时煤样冲击倾向性最强,0°时次之,45°时最弱;3)煤样声学特征各向异性明显,轴向垂直层理煤样波速比轴向斜交层理煤样高15.1%;4)同一层理煤样超声波速与弹性模量、单轴强度、冲击能量指数及冲击能量速度指数正相关,且线性拟合优度良好,为煤岩冲击倾向无损检测提供新思路。     

瓦斯压力对煤样冲击倾向性的影响试验研究

以深部高瓦斯矿井复合动力灾害为研究背景,以瓦斯压力对煤样的冲击倾向性的影响为研究目的,以RMT-150C型岩石力学试验机为载体,研发含瓦斯煤岩单轴压缩条件下受载变形破坏实验装置,并结合XL2101C程控静态电阻应变仪组成含瓦斯煤单轴压缩实验系统,进行含瓦斯煤的冲击倾向性指标测定试验。试验结果表明:煤样在充气过程和吸附瓦斯过程均存在扩容现象,煤样体积随瓦斯压力的增大而增加,吸附过程煤样体积变化分为两个阶段:加速变形阶段和平缓阶段;随着瓦斯压力从0增加到2 MPa,煤样的动态破坏时间增加547.64%,煤样的弹性能量指数、冲击能量指数和单轴抗压强度分别降低85.29%,96.24%和58.78%,综合评价结果为冲击倾向性降低。     

SDS溶液改变无烟煤润湿性与冲击产尘粒径分布的实验研究

为了提高无烟煤层注水效果,采用不同浓度的十二烷基硫酸钠(SDS)溶液对无烟煤样进行了浸泡改性,并对浸泡改性前后煤样的表面基团、煤/水动态接触角、自然吸水率以及冲击产尘粒径分布规律进行了测试和分析。结果表明:SDS溶液浸泡改性使无烟煤样润湿性增强,煤/水动态接触角随SDS溶液浓度的增加呈指数规律降低;改性煤样的自然吸水率随着SDS溶液浓度的增加呈指数规律增加。自然煤样和改性煤样在饱水状态下的冲击破碎产尘粒径-质量分布具有分形特征,煤样的自然饱水率越高,受冲击产尘粒径-质量分布的分形维数越小;随着SDS溶液浓度的增大,其改性煤样的冲击产尘粒径-质量分布分形维数减小,即产生的微细粉尘总量减少。     

饱和含水率对煤冲击层理效应影响研究

煤岩体物理化学性质是能否发生冲击地压灾害的内因,煤的层理和割理都极为发育,含层理煤样在评估冲击倾向强弱时需考虑层理效应,且冲击倾向性指数随含水率增加而显著降低。但鲜有针对含水率与其层理效应相关联系的研究,广泛利用的4个冲击倾向性指数也未能将能量因素与时间效应兼容考虑。现运用可综合反映能量积散全过程及时间效应的有效冲击能量速率指标,制取不同层理倾角的试件在自然含水率和饱和含水率分别进行实验,探究对冲击倾向性层理效应的影响。实验结果表明：饱和含水率状态下,煤样不再具有层理效应,各层理煤样冲击指数大致相同。     

煤的冲击能量指数实验研究

为了研究煤的冲击能量指数对冲击倾向性的反映机理和煤的冲击能量指数影响因素,对薛湖煤矿二2煤层煤样进行了单轴压缩实验,得出煤的物理力学性质和节理裂隙发育程度对煤的冲击能量指数的影响机理,得出煤的冲击倾向性可以从改变剩余能量的量和改变弹性能转化为动能的效率两方面来影响煤的冲击能量指数。     

红阳矿区7~#煤层及顶板冲击倾向性试验研究

红阳矿区主采的7#煤层最大采深近1 000 m,冲击动力灾害越来越严重。为了解其发生机理,利用RMT-100型岩石力学试验机对7#煤层及顶板进行冲击倾向性试验研究。结果表明:煤样的冲击能量指数1.553,弹性能指数2.586,动态破坏时间221.25 ms,具有弱冲击倾向性,煤层顶板总弯曲能量达到532.08 k J,具有强冲击倾向性,得出煤样单轴抗压强度分别与冲击能量指数和弹性能指数呈现正相关性,而与动态破坏时间呈现负相关性。     

模量指数评价煤的冲击倾向性的实验研究

为研究模量指数评价煤的冲击倾向性的可行性,选取4组冲击倾向性强弱不同的煤样试件,测定各组煤样试件的模量指数、冲击倾向性评价指标和声发射信号,分析模量指数同其它冲击倾向性评价指标和评价结果的相关性,模量指数对煤加载过程中内部能量释放特征的影响。研究结果表明:模量指数同其它冲击倾向性评价指标具有相关性,同单轴抗压强度之间的相关性最强;各组冲击倾向性相同的煤样,各试件模量指数大小的变化范围较小。各组冲击倾向性不同的煤样,各试件模量指数大小的变化范围很大。煤样模量指数的大小和煤的冲击倾向性强弱相关,煤的冲击倾向性越强,模量指数越大。依据模量指数评价煤的冲击倾向性的结果,同其它评价指标的评价结果具有一致性;不同冲击倾向性煤样的软化模量是决定煤的模量指数大小的关键因素,弹性模量对模量指数大小的影响较小;煤样内部能量的释放特征和模量指数的大小相关。模量指数小的煤样在全程加载过程中声发射事件频繁出现,模量指数大的煤样在破坏前后阶段没有明显的声发射事件出现,但在临近载荷曲线峰值的冲击破坏阶段集中出现高能量的声发射事件。模量指数可用于评价煤的冲击倾向性,模量指数对煤样能量释放的影响规律可用于指导现场监测。     

化学腐蚀作用下煤矸石混凝土力学特性试验

探究煤矸石混凝土在化学腐蚀条件下的力学特性,以不同pH值化学溶液浸泡过的试样为研究对象进行三轴压缩试验,通过浸泡过程中试样质量变化、溶液pH值变化及三轴压缩试验结果,分析不同pH值化学溶液对煤矸石混凝土力学特性的影响。结果表明：随着浸泡时间的增长,每种试样都有质量损失,而且溶液的pH值都稳定趋于碱性;围压大小与溶液pH值都是影响煤矸石混凝土力学特性的重要因素,在围压相同的情况下,随着溶液pH值的增大,试样三轴压缩试验的强度随之增加;在溶液pH值相同的情况下,随着围压的增大,试样三轴压缩试验的强度随之增加;并进一步分析了化学溶液对试样的腐蚀机理。     

煤层冲击倾向性与危险性评价指标研究

针对冲击倾向性指标不能完全反映实际煤层冲击危险程度的问题,提出了考虑时间效应的冲击能量速度指标、临界软化区域系数、临界应力系数3项新的指标,并与动态破坏时间、弹性能指数、冲击能指数和单轴抗压强度等4项传统的冲击倾向性指标结合,用于判断与评估煤层冲击危险性。煤样试验表明,其一定程度上解决了冲击倾向性判别结果误差大、离散性等难题,提高了煤层冲击危险性评判的精确性与可靠性。     

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。     

水浸煤岩体强度变化研究

以李家壕煤矿地下水库为背景,从3^-1号煤层取煤岩样进行加工,对煤岩样浸水处理,采用CMT5305微机控制电子万能试验机对煤岩样进行抗压强度和抗拉强度实验,得出平均值。根据煤岩样自然状态和浸水一周平均抗压和抗拉强度实验数据分析水对煤岩的软化作用,得出煤岩的颗粒构成、矿物成分、坚硬程度等因素决定了水对煤岩强度的损伤及其软化程度,煤样和岩样浸水弱化表现不同,岩样较煤样强度弱化程度更大。煤岩遇水后强度降低的现象为水对岩石的软化作用,软化作用形成的原因有化学作用、物理作用或力学作用。分析水浸煤岩体的强度,对水库坝体的稳定性和水库建成后安全运行具有重要的意义。     

化学腐蚀下深部巷道高强围岩力学性能的实验研究

深部巷道复杂的地质条件是影响巷道围岩力学性能及其稳定性的重要因素.文章模拟深部巷道复杂的地下环境,配制了不同离子浓度和酸碱度的化学溶液,将岩样放置在上述溶液中浸泡,然后开展高强岩石的轴压实验.实验得到不同条件下的岩石强度和基本力学参数.实验结果表明,水浸泡、中性盐和碱性溶液对高强岩石的力学性能影响不大,而酸性环境对岩石的强度影响较大.另外,酸性越强,影响越明显;浸泡时间越长,影响越明显.     

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。     

含水煤层底板岩层力学性质分析:以小纪汗煤矿为例

在陕北榆林小纪汗煤矿实际建井开采过程中发现了煤层为矿井主充水含水层这种特殊的水文地质现象,为对这种特殊现象下底板岩层的力学性质进行分析,对现场底板岩样进行岩石矿物成分测试、岩石膨胀性测试及水作用下岩石强度弱化规律测试等一系列试验研究。研究发现:1)小纪汗煤矿煤层为裂隙含水层,且为矿井主充水含水层,底板岩层长时间受水侵蚀,岩体易于软化、变形,易造成岩层裂隙扩展及其稳定性破坏;2)底板岩样中含蒙脱石、伊利石等膨胀性矿物是底板岩层膨胀变形的微观影响因素;3)底板岩样浸水膨胀变形经过急速膨胀—变形缓慢—变形结束3个阶段,岩样浸水2 h内的膨胀变形已占总变形量73.3%,浸水2~12 h,变形量占总变形量的24.7%,浸水12 h后,试样基本不变形;4)岩样与水作用后其单轴抗压强度、弹性模量、劈裂抗拉强度随饱水时间的延长、含水率的增大而不断降低,总体呈指数关系递减;5)岩样浸水12 h后,岩石单轴抗压强度、弹性模量及抗拉强度降低值占总衰减值分别为71.6%,72.3%和65.4%,煤层裂隙水对底板岩层的侵蚀软化作用明显。     

煤岩重复加载力学特性试验研究

利用MTS815.03电液伺服岩石试验系统,对运河煤矿煤岩试件在重复加载作用下的特性进行研究。研究结果表明,在重复加载作用下,煤岩强度极限较常规单轴压缩强度极限降低约23.65%;二次加载时弹性模量较初次加载时弹性模量增大约21.08%。由于煤岩含有大量原生损伤裂隙并且强度较低,在重复加载过程中,煤岩内部原生裂隙和新生裂隙的闭合与张开以及不可恢复的宏观裂纹的产生为煤岩弹性模量的增大、强度极限的降低给予较为合理的解释。在重复加载作用下,有超过1/3的能量以内部裂隙的闭合,材料的屈服、破坏、损伤、断裂以及裂隙面的滑移摩擦等形式消耗掉。煤岩的破坏过程经历了从压密、应变硬化到软化的变化过程。     

压水试验定量评价注浆效果研究

注浆后岩体渗透性和力学强度是反映岩体注浆效果的重要参数,为定量评价注浆堵水工程效果,以安徽某矿奥灰特大突水抢险注浆堵水工程为例,提出采用钻孔高压压水试验方法,对C53太原组灰岩堵源注浆效果进行定量评价。针对高压压水试验过程中岩体渗透性的剧烈变化特征,提出采用紊流渗透定律计算岩体渗透系数。研究结果表明:C53太原组灰岩注浆后表现出良好的隔水性能,阻水性能呈现出高阻弱渗的特点,渗透性等级属极微~微透水,与注浆前弱~中等透水的渗透性等级对比,渗透性能显著变弱,说明堵源注浆效果良好;可根据临界抗渗强度来评价C53太原组灰岩注浆后抵抗水力劈裂的力学强度,经计算其临界抗渗强度为1.83 MPa/m,依据阻水系数消能试验测试原理,注浆后C53太原组灰岩足以抵抗5.64 MPa奥灰水的劈裂破坏,可以消除煤层底板奥灰突水威胁,能够达到堵源注浆工程目的。