加载速率对煤岩抗拉强度参数影响程度研究

加载速率效应是岩石材料力学特征的一个重要性质。采用室内实验方法,对煤岩进行不同加载速率下抗拉强度的影响程度研究。结果表明,加载速率的变化影响煤岩的抗拉强度及破坏模式,煤岩抗拉强度较低,具有低强度高脆性的特征,且受加载速率影响很大。加载速率较低会造成煤岩破坏过程沿着内部缺陷、天然裂隙破碎,有明显的延性特征。而加载速率较高时,拉伸破坏过程伴随煤粉的产生,呈明显的脆性破坏特征。该结论对分析煤岩受拉破坏条件及煤层气开发工程具有参考意义。     

基于CT扫描的煤岩裂隙特征及其对破坏形态的影响

为了研究煤岩原始裂隙结构对其宏观破坏特征的影响,以河南城郊煤矿21304工作面的煤岩为研究对象,利用nanoVoxel-4000系统对不同围压作用下加载前后的煤样进行了CT扫描试验。基于图像处理软件对裂隙结构进行提取和三维重建,结合等效球体模型定量分析了煤岩内不同尺度原始裂隙在空间的分布特征。通过计算平面内原始裂隙与破裂主裂隙的裂隙组构张量,以及空间内原始主裂隙面与新产生主裂隙面的倾角,对比分析了不同围压下原始裂隙分布方向与破坏时新生成主裂隙方向之间的关系。研究结果表明:煤样试件内含有大量不同尺度的裂隙,等效直径小于1 000μm的裂隙数量多,体积小;等效直径大于5 000μm的裂隙数量少,体积大;当等效直径小于5 000μm时,随着裂隙等效直径的增加,裂隙的数目逐渐减少;在等效直径小于300μm时,裂隙体积分数随等效直径的增加而增大;等效直径在3 00～5 000μm的裂隙的体积分数整体呈现下降趋势,且等效直径在大于1 500μm以后波动较大。利用2阶和4阶裂隙组构张量计算得到的椭圆形分布规律,可以有效的描述裂隙的优势方向和劣势方向,且相比2阶张量,4阶对于平面裂隙分布规律的描述更全...     

锚固参数差异对砂岩破坏特征及抗拉强度影响的试验研究

为揭示砂岩抗拉强度与锚固参数差异的关系,采用砂岩圆盘试件进行巴西劈裂试验,分析探讨锚固参数差异对砂岩破坏特征及抗拉强度的影响机制。通过对比2种不同的锚固方式,发现全长锚固方式对试件的抗拉强度提升较大,强度提升率达到了39.77%,锚固效果更加显著;通过提升端锚试件预紧力发现,锚固预紧力可以有效提高试件的抗拉强度,抑制试件微裂隙的发育扩展,有效地增强试件的承载能力。     

煤岩热破坏对露头火灾的影响研究

论述了煤体与岩体的受热破坏特性,对露头煤层自燃火灾中煤岩体的热破坏机制进行了定性分析.提出对露头煤层自燃火灾发展过程的研究中应加强对煤体与岩体的破坏,尤其是热破坏的力学规律的研究.这对深刻揭示露头煤层自燃向煤层深部发展的动力学过程,自燃火灾的防治具有重要的意义.     

组合方式对煤岩组合体力学特性和破坏特征影响的试验研究

为探讨组合方式对煤岩组合体力学特性和破坏特征的影响,利用MTS815岩石力学试验系统,分别对岩-煤-岩(YMY)、岩-煤(YM)及煤-岩(MY)3种组合方式试件进行了单轴压缩和三轴压缩试验研究。试验结果表明,组合体试件破坏主要集中在其煤体部分,而与组合和加载接触方式无关;煤体部分损伤发展和破坏程度的加剧,在一定程度上会诱导岩体出现损伤和发生破坏。单轴加载条件下,3种组合方式均表现为以煤体部分拉张破坏为主的破坏特征,YMY组合的平均抗压强度为40.03 MPa,分别是YM和MY组合方式对应平均值的1.80和1.53倍;三轴加载条件下,均表现为以煤体部分剪切破坏为主的破坏特征;随围压压力增加,各组合方式三轴抗压强度平均值逐渐趋近。     

煤岩变形破坏电磁辐射规律及其应用研究

大量的理论研究和实验室研究成果证实,煤岩受载荷发生变形破坏的过程中,会以宽频带电磁波的形式向外界辐射电磁能。根据这种现象,研究煤岩受载电磁辐射的变化规律,特别是发生变形破坏前的电磁辐射特征和规律,对于预测预报煤岩动力灾害具有十分重要的意义。采用刚性材料实验机和声电测试装置,对煤岩变形破坏时所产生的声发射及电磁辐射信号进行了测定,试验和测试结果表明,试样发生变形破坏之前,电磁辐射强度呈小幅度上升波动,变形破坏前兆会产生突变;而声发射信号计数率的变化也表现出相似特性。依此规律,可以利用电磁辐射规律进行冲击地压预测预报和防治效果检验。     

煤岩大巷围岩破坏特征与控制

为解决煤岩大巷围岩变形量大和维护投入大等问题,采用理论分析、数值模拟和现场实测等方法,对比研究了高家庄矿煤岩大巷围岩破坏特征。结果表明,巷帮煤层和走向厚度变化较大的基本顶岩层是造成围岩大变形的主要原因,巷帮及顶板支护强度不足是影响围岩控制效果的根本原因。通过综合对比研究,对支护方案进行了优化,增加了帮部支护、提出了不等厚复合顶板锚索支护技术。实践表明,大巷顶板岩层的大变形破坏得到了一定程度的控制,巷帮大变形得以降低,提高了巷道维护周期,减少了巷道维护投入。     

煤岩冲击破坏的电磁辐射多重分形特征研究

应用固定质量法对煤样冲击破坏过程中电磁辐射信号的多重分形维数进行计算。结果表明:煤样冲击破坏过程中产生的电磁辐射具有分形特征;曲线D_q-q的陡峭程度与试样的应力水平有密切联系,并用曲线斜率k来表征应力大小。分析发现斜率k的变化与煤岩失稳破坏过程具有较好的一致性,为电磁辐射预测预报煤岩冲击破坏提供了一种分析手段。     

煤岩特征及其对煤层气勘探开发的影响

煤岩特征分析有助于了解煤储层物性优势、优选富集高渗区域与评价单井开发潜力。基于黔西五轮山矿区煤岩和测井资料,采用地质理论与工程实践分析相结合等方法,研究了煤岩与测井响应特征,探讨了其与煤层气勘探开发的关系。结果表明,6-3,9,16号煤层机械强度可能相对于其它煤层较好,但16号煤层整体发育了碎粒煤—糜棱煤结构,显著降低了煤体结构强度及渗透性。采用直井压裂开发方案时,可选择3,5-3,6-3,8,16号等5个煤层分层射孔压裂,有利于排采增效。5号和8号煤层相对施工水平井较为有利,但单一薄煤层水平井作业可能提高产能有限,因此,煤层气井型选择应优先选择直井开发模式。16号煤层不利于水平井工程稳定性,如采用直井开采,应避开其构造煤分层。     

非均质结构含量对煤岩组合体强度及破坏特征的影响

为研究非均质结构含量对煤岩组合体强度及破坏演化特征的影响,基于离散元软件,建立了不同非均质结构含量的煤岩组合体模型,考虑非均质结构含量为10%、30%、50%、70%和90%这5种方案,对煤岩组合体的强度特征、裂纹发育扩展过程进行了研究,分析了其影响机理。结果表明：随非均质结构含量的增加,煤岩组合体强度参数整体呈下降趋势,煤岩组合体声发射平静期范围呈先减小后增大趋势,声发射骤增期呈上升趋势;非均质结构与煤岩颗粒的属性差异导致了局部应力集中;非均质结构含量变化决定了试样强度特征和最终破坏模式,随非均质结构含量增加,煤岩和非均质结构中的主要承载结构由煤岩转变为非均质结构。     

不同动载对煤岩块的破坏作用数值模拟

以HJC本构模型进行数值模拟,分析动载作用下煤岩块的应力场、应变场及能量场动态变化过程。结果表明:载荷变化率的改变对煤岩块的破坏形态影响最大,其次是载荷的最大压力值,最后是作用时间;5种载荷压力形式下,煤岩块的动能、内能和总能量3种能量随时间变化趋势一致;煤岩块未破坏时,3种能量随时间增加;煤岩块发生破坏时,动能最终降为0,内能有所降低;煤岩块破坏越严重,3种能量降低的程度越大。煤岩块达到临界应力时只是发生轻微破坏,随后达到最大总能量时才发生严重破坏。压力和作用时间达到一定值时煤岩块才发生破坏,载荷变化率方向的改变增大了煤岩块的破坏能力。     

浸水耦合作用对煤体强度影响试验研究

采用试验研究的方法,以新疆小红沟煤矿B3、B4煤层为研究对象,分析浸水耦合作用对煤体强度的影响。通过煤样天然含水率和吸水性的测定试验,研究煤样的含水率与浸水时间的相互关系;对浸水的煤样进行超声波检测试验及单轴压缩试验,分析浸水对煤岩体物理力学性质的影响。研究结果表明:煤样的含水率随着浸水时间的增加而增大,煤样在浸泡3 d后达到饱和状态含水率不再增大;随着浸水时间的增加煤样弹性模量、剪切模量和单轴抗压强度均减小;浸水后的煤岩体试件在第1次达到峰值强度后,还存在一定的承载能力,煤样的弹性降低塑性增强,同时伴随着强度的降低。     

成庄矿煤岩破坏电磁辐射特性及其应用研究

利用电磁辐射信号采集试验系统,研究了晋煤集团成庄矿煤岩在单轴压缩、拉伸、剪切破坏条件下的电磁辐射和声发射特性。试验结果表明,煤岩变形破坏过程中有电磁辐射信号产生,受载煤岩产生的电磁辐射与变形破裂过程紧密相关,基本成正比关系;经过与同步测试的声发射信号相比,发现电磁辐射信号更丰富。现场利用煤岩破坏的电磁辐射监测技术可以定量研究工作面推进基本顶来压、顶板周期来压的动态变化规律。     

基于细观结构的不同浸水时间对煤岩特性的影响

为研究浸水对煤岩特性的影响,提高综放效率,通过选取煤样利用X射线衍射(XRD)和荧光光谱(XRF)测试进行不同浸水时间的煤岩成分分析,并通过超声波测试系统研究了浸水时间对煤岩细观结构演化特征的影响。XRF测试结果表明,随着浸水时间增加,硬质矿物方解石颗粒脱落或溶解于水中,造成其含量下降,从而使高岭石含量呈相对上升趋势。XRD测试结果表明,随着浸水时间的增加,煤体内细颗粒之间的粘结力将进一步减弱,孔隙变大、裂隙变深,水与煤之间的接触范围增大,相互作用更为强烈,如此反复,使得煤体内软弱结构面产生间隙,煤岩强度减弱,增加顶煤冒放性。超声波测试结果表明,随着浸水时间增大,煤样超声波纵波波速显示出先增后减的规律;浸水前期,孔隙逐渐被水分充填,超声波传递能力增强,波速上升;浸水时间达到4d左右,较大孔隙系统已接近吸水饱和,小孔隙吸水时产生的"水楔作用"增大了煤颗粒间距,再加上内部孔隙系统不断发育连通,纵波传播速度下降。该研究可为放顶煤开采现场确定顶煤注水的最佳时间提供理论依据。     

煤岩破坏裂纹演化特征及本构模型研究

本文借助细观颗粒流PFC2D软件平台探讨了煤岩损伤破坏过程中裂纹演化特征,基于裂纹特征分析了煤岩损伤演化本构模型。研究结果表明:在煤岩损伤各阶段,裂纹的扩展演化过程不同,裂纹的出现主要集中于峰值前后的阶段。基于裂纹参量特征的煤岩单轴压缩损伤本构方程拟合的应力-应变曲线与实际数值曲线具有良好的一致性。     

煤岩振动破坏过程中自振频率变化特征研究

动力扰动促使煤岩破坏失稳是其导致煤岩动力灾害事故频发的主要原因,分析外界扰动对煤岩稳定性的影响对灾害的预测与防治具有重要意义。利用大型振动试验装置和自振频率测试系统,对煤岩体在底板扰动破坏情况下自振频率的变化特征及其与稳定性的关系进行了研究。结果表明：在振动影响作用下,煤岩体裂隙扩展,损伤程度加大,造成刚度系数的降低和阻尼比系数的上升,进而导致试件整体自振频率呈现下降趋势,且下降的速率与动力扰动的加速度和频率密切相关,并出现煤岩结构体与其中煤体分层自振频率不一致的现象。根据试验结果从调整扰动源和煤岩体两个角度提出了防止或减弱动力扰动对煤岩动力灾害诱发影响的合理化建议。     

单轴受压条件下煤岩非均质性对其破坏特征的影响

以忻州窑14号煤为研究对象,基于波速测试、CT扫描和三维重构技术,分析了煤岩内部原生裂隙、孔隙以及矿物夹杂分布的非均质特征,研究了单轴受压条件下,沿不同方向加载时,煤样内部结构分布的非均质性对煤岩破坏特征的影响。研究发现,煤样内部原生裂隙、孔隙以及矿物夹杂分布方向的非均质性是造成不同加载方向上煤岩破坏特征差异性的原因:煤样内部原生裂隙、矿物夹杂沿层理方向分布和延伸,造成沿垂直层理加载煤样的单轴抗压强度、总声发射计数等参数的均值高于沿平行层理加载的煤样;割理的横向截割作用使沿垂直割理加载煤样整体性低于沿平行割理加载煤样,并造成其单轴抗压强度,总声发射计数等参数的均值以及加载过程中声发射现象的规律性略低于后者;煤样单轴抗压强度与纵波波速呈指数函数关系,煤样内部非均质性对其单轴抗压强度的影响可由非均质系数表示,且2者呈负相关。     

煤质特征对煤岩表面润湿性的影响研究

在煤层气的产出过程中,煤岩的润湿性对煤岩孔隙中气和水的分布有较大的影响:控制着煤岩裂隙中毛管力的大小和方向,同时对煤岩微粒的运移有一定的作用。通过测试煤岩的煤质特征和煤岩表面的润湿性,分析了煤岩的灰分、挥发分、水分、固定碳含量对煤岩表面润湿性的影响规律。研究认为:随着煤的灰分、固定碳含量的增加,接触角减小,煤岩中水分含量越大,煤岩表面越容易被润湿,而挥发分对煤岩的润湿性影响较小。     

煤岩破坏流变模型的研究

根据煤岩流变力学以及前人研究成果建立了煤岩体广义流变模型，分析研究了煤岩流变过程各阶段变化规律。     

煤质特征对煤岩表面润湿性的影响研究

在煤层气的产出过程中,煤岩的润湿性控制着孔隙中气、水的分布,决定着岩石孔道中毛管力的大小和方向,影响煤层微粒的运移。通过测试煤岩的煤质特征和煤岩表面的润湿性,分析了煤岩的灰分、挥发分、水分、固定碳含量对煤岩表面润湿性的影响规律。研究认为:随着煤的灰分、固定碳含量的增加,接触角减小,煤岩中水分含量越大,煤岩表面越容易被润湿,而挥发分对煤岩的润湿性影响较小。