深部巷道煤与瓦斯突出及冲击演化特征试验研究

为进一步揭示煤与瓦斯突出两相流冲击破坏机制,利用自主研制的真三轴煤与瓦斯突出巷道模拟试验系统,以阜新孙家湾突出煤层为研究对象,制作型煤试件,开展不同埋深(1 000,1 200,1 400,1 600,1 800,2 000 m)下深部巷道煤与瓦斯突出模拟试验,定义试验突出临界瓦斯压力状态下的相对突出强度为单位突出强度,分析临界瓦斯压力、单位突出强度与埋深之间的关系,得到临界瓦斯压力、有效应力与冲击参数(冲击力峰值、到达峰值时间、突出持续时间)之间的变化规律,基于突出冲击波阵面速度公式,反演冲击气流在模拟巷道内的传播速度。研究结果表明：(1)突出启动时,高压瓦斯裹挟煤粉剧烈喷出,不同埋深下突出煤粉均在距突出口0～6.45m区间聚集,随埋深增大,煤粉集中区质量占比增大,随突出距离增加,煤粉质量占比逐渐减小,表明突出能量随突出距离逐渐衰减,且突出后煤粉沉降具有分选特征;(2)随埋深增大,临界瓦斯压力减小,单位突出强度逐渐增大,且埋深越大,变化幅度越大,表明深部煤与瓦斯突出阈值低,易诱发和强度大的特性;(3)冲击力在巷道内演化经历了“上升→峰值→降低”过程,呈现“波峰效应”,冲击气流传播速度...     

石门揭煤中煤体塑性区跃迁特征与诱突机制

为了研究石门揭煤突出的发生机制,在分析石门揭煤中煤与瓦斯突出的岩体、应力环境和物理现象基础上,依据煤岩蝶形破坏理论,建立石门揭煤中煤体塑性区形态及其诱突机制的分析模型。研究发现石门揭煤中煤体塑性区大小和形态存在蝶叶跃迁现象,塑性区大小对于主应力比值和煤岩体强度的变化具有高度敏感性,主应力比值或煤岩体强度达到某一临界条件后的微小增量均可以引起煤体塑性区的大幅增加。进而提出石门揭煤中煤体塑性区蝶叶跃迁诱发煤与瓦斯突出机制,即石门揭煤过程中,主应力比值和煤岩体强度的变化,使煤体在极短时间内产生一定范围的蝶叶塑性区,引发煤岩体内弹性能和瓦斯能的叠加突然释放,发生煤与瓦斯突出事故。并据此对红菱煤矿6·20特大突出案例进行计算机重演,获得的煤体蝶叶跃迁形态、范围与灾害案例中的突出空洞形态、突出煤量具有很好的一致性,为研究石门揭煤突出的发生机制提出一种新思路。     

地应力在石门揭构造软煤诱发煤与瓦斯突出中的作用

 在基于相似模拟试验思想和地质力学模型试验新思路的基础上,在实验室搭建大型石门揭煤的煤与瓦斯突出试验平台,利用该试验平台研究石门揭构造软煤过程中煤岩应力的变化规律,同时结合数值模拟分析地应力在石门揭构造软煤诱发煤与瓦斯突出中的作用。结果表明：在石门揭煤过程中巷道前方围岩存在明显的应力集中,使煤体中积聚弹性潜能,增加煤体的瓦斯压力梯度,为突出的准备和孕育提供能量基础;发现地质构造断层附近存在明显的构造应力异常区并与由后期开挖导致的应力集中相互叠加,有利于形成自构造软煤向周围煤层深部扩展的大型突出。     

地应力场中含瓦斯煤岩变形破坏过程中瓦斯渗透特性的试验研究

 利用典型煤与瓦斯突出矿井松藻煤电集团打通一矿突出煤层原煤制备型煤试件,应用自行研制的含瓦斯煤样三轴瓦斯渗流试验装置,进行含瓦斯型煤试件的全应力–应变过程瓦斯渗透特性变化规律的试验研究。研究结果表明：恒定瓦斯压力时,在某一围压下,峰前渗流速度随轴向应力先减小后缓慢增大,到达峰值应力后,随轴向应力的减小而增大。全应力–应变过程曲线与渗流速度–轴向应变曲线具有较好的对应关系。煤样的峰值渗流速度随围压的增加而减小,呈现较明显的线性关系。对比试验表明,在一定的围压和瓦斯压力范围内,保持瓦斯压力不变增加围压可减小煤样渗透率,保持围压不变增加瓦斯压力可增大煤样渗透率。研究结果对于利用地应力场抽采瓦斯、通过瓦斯涌出量预测煤岩的变形破坏具有现实指导意义。     

含瓦斯突出煤三轴压缩下力学性质试验研究

以典型煤与瓦斯突出矿井松藻煤电集团打通一矿7#突出煤层制备的型煤试件为研究对象,利用岛津AG-250伺服材料试验机和自行研制的三轴渗透仪,对不同外界应力条件下含瓦斯突出煤的力学特性进行试验研究.结果表明:瓦斯压力固定的情况下,围压对含瓦斯煤的力学特性起到强化和改善的作用.随着围压的增加,突出煤样的三轴抗压强度、弹性模量和峰值应变均呈线性单调增加;围压大小一定情况下,瓦斯压力对含瓦斯煤的力学特性起到弱化的作用.随着瓦斯压力的增加,突出煤样的三轴抗压强度和弹性模量分别呈线性和对函数形式单调递减,而峰值应变则呈线性单调增加;有效应力对含瓦斯突出煤的力学性质具有强化和改善的作用,随着有效应力的增加,含瓦斯突出煤的弹性模量、三轴抗压强度和峰值应变均单调增加.研究成果对采动影响下煤层瓦斯抽放和煤与瓦斯突出防治及预测具有重要意义.     

考虑有效应力的钻屑量理论分析及试验研究

考虑深部开采条件下水平地应力作用不能忽略,引入有效应力,推导得到新钻屑量公式,分析给出了有效应力与钻屑量间关系,提出了通过有效应力判断钻屑量方法。在此基础上以典型阜新孙家湾矿突出危险煤层为例,利用自主研制的三维应力煤体钻屑量检测试验装置,改变轴压模拟垂直地应力、围压模拟水平地应力、孔隙压模拟瓦斯压力作用,进行了实验室尺度下钻屑法模拟试验,研究了有效应力、煤层深度、瓦斯压力对钻屑量影响规律。研究结果表明:钻屑量与有效应力呈线性递增关系,试验值略大于理论值,平均误差为7.9%,与前人结论一致,验证了新钻屑量公式有效性及三维应力煤体钻屑量检测试验装置可靠性;随着煤层埋藏深度增大,钻屑量越大,钻屑量与煤层深度呈线性递增规律,且钻屑量随钻孔深度增加呈先减小、后递增、最后缓慢递减规律,在钻孔深度12.5 cm处钻屑量最大,表明此处为应力集中区;钻屑量随瓦斯压力增加,呈指数函数递增规律,瓦斯压力越大,孔壁裂纹扩展越明显,说明瓦斯对煤体软化作用越显著。上述研究结论对该矿深部煤与瓦斯突出预测和防治具有重要参考价值。     

基于离散元法的煤系土宏细观参数相关性分析

利用离散颗粒流对江西省萍乡地区高速公路沿线分布的煤系膨胀土三轴试验进行了数值模拟,从细观角度对煤系膨胀土的宏观力学特性和剪切位移场的形成和发展规律进行了研究。结果表明,煤系膨胀土颗粒间摩擦系数对试件宏观应力应变影响较大,试件偏应力峰值随着摩擦系数的增大而不断提高,偏应力达到峰值前,土体应力应变关系基本趋于线性变化;土颗粒间接触刚度与试件偏应力峰值呈双曲线变化,接触刚度比kn/ks增加,试件偏应力峰值逐渐减小,但对试件的残余强度影响不明显;围压对试件偏应力峰值和残余强度影响显著,当试验围压从0.2 MPa增大到1.2 MPa时,试件偏应力峰值和残余强度分别增加了2.14倍和5.11倍。     

突出煤渗透特性与应力耦合试验研究

 根据常规三轴具有突出倾向型煤的瓦斯渗流试验所获得的瓦斯渗流速度–围压和瓦斯渗流速度–轴压关系,分析具有突出倾向型煤中的瓦斯渗流速度变化与应力的耦合关系,建立一定瓦斯压力下瓦斯渗流速度与围压、轴压的关系式,建立应力–渗透系数方程。结果表明：瓦斯压力和轴压一定时,瓦斯渗流速度随着围压的升高逐渐降低,为二阶曲线关系;当瓦斯压力和围压一定时,瓦斯在型煤中的渗流速度随着轴压的升高呈四阶曲线关系,且型煤破坏后的瓦斯渗流速度大于型煤起始渗流速度。基于试验结果,提出瓦斯渗流困难应力点这一特征值,该参数对预防煤与瓦斯突出事故、提高瓦斯抽采效率具有一定意义。     

穿层爆破各煤层动态应力分布与抽放效果探讨

穿层深孔爆破在石门揭煤及局部地段防止瓦斯突出有重要作用,由于爆破区域跨越多层煤、岩介质以及扇形布孔造成孔口孔底最小抵抗线不相等因素影响,穿层深孔爆破研究较为困难。在大量矿井试验基础上,利用三维数值模拟方法,研究有代表意义的穿层深孔爆破相关理论问题。建立穿层爆破计算模型,获得不同位置抽放孔有效应力随时间变化规律;探讨各抽放孔有效应力随距炮孔水平距离增加而衰减,以及不同抽放孔轴线方向两层煤中应力分布的差异。计算结果表明:复合介质孔口、孔底煤层中爆破裂隙贯通范围分别为1.4,1.8 m;孔底由于锥形波的叠加和应力波反射双重作用影响,在相同距离时孔底有效应力平均值较孔口大73%;煤–岩复合介质中煤层爆破效果优于单煤层爆破效果,同等情况下,复合介质煤层中孔口处有效应力极值较单煤层增加17%～42%,孔底增加6%～24%。现场实践表明,当作用在抽放孔轴线的平均有效应力由7.12 MPa增到12 MPa后,瓦斯抽放总量增加3倍以上。     

石门揭煤突出过程的数值模拟研究

运用岩石破裂过程分析RFAP^2D系统，对急倾斜含瓦斯煤层中的石门揭煤突出过程进行了数值模拟研究，模拟结果再现了含瓦斯岩中裂纹的萌生、扩展，贯通直至煤岩抛出的突出全过程，并通过含瓦斯煤岩变形，破裂过程中的应力场演化说明了地应力、瓦斯压力以及煤体力学性质对诱发突出的综合作用。     

三维应力下煤与瓦斯突出模拟试验研究

 煤与瓦斯突出实质是开采扰动下含瓦斯煤体在三维应力作用下突然发生的力学失稳破坏,严重威胁着煤矿安全生产。以典型高瓦斯矿井-阜新孙家湾煤矿突出煤粉压制而成的型煤为研究对象,利用自主研制的煤与瓦斯突出仪,进行煤层埋深－600 m,在轴压、围压、孔隙压三维应力条件下煤与瓦斯突出模拟试验,以探求煤与瓦斯突出规律。试验再现煤与瓦斯突出孔洞口小腔大、突出煤粉分布具有分选性等突出特征现象,验证煤与瓦斯突出模拟仪的可靠性。通过对试验结果分析,划分6个突出区域,得到以下新认识：突出煤粉质量分布具有区域性特征,存在煤粉质量极值区和均值区。突出试验现象表现为瓦斯–煤气固两相射流特征,为引入射流理论研究煤与瓦斯突出机制提供新思路。突出煤粉量极大值区域位于突出中远区,是瓦斯–煤气固两相射流突出破坏能量的耗散阶段区域。不同粒径突出煤粉分布具有明显的波动分布特性。煤粉质量极大值区以较小粒径煤粉为主,煤粉质量极小值区以较大粒径煤粉为主,突出末端区域以较小粒径煤粉为主。指出高压瓦斯是突出发生的动力源和煤体粉碎粉化的破坏源,煤与瓦斯突出能量释放具有波动性特征。试验结论对煤与瓦斯突出的机制认识具有重要参考价值。     

瓦斯压力对突出煤瓦斯渗流影响试验研究

 以典型煤与瓦斯突出矿井松藻煤电集团打通一矿7#突出煤层制备的型煤试件为研究对象,利用自行研制的三轴渗透仪,进行固定轴压和围压情况下的变瓦斯压力突出煤瓦斯渗透试验。试验结果表明：在轴压和围压固定的情况下,突出煤样的瓦斯渗透速度随着瓦斯压力的增大而增大。突出煤样瓦斯渗透速度随着瓦斯压力的增加,呈幂函数规律变化。随着瓦斯压力的增加,突出煤样两端的瓦斯压力梯度增大率会逐渐减小,最终趋近于零。而突出煤样的瓦斯渗透速度增加率则随着瓦斯压力的增大而减小,最终趋近于一恒定值附近。研究成果对提高突出矿井瓦斯抽采率有重要意义。     

多功能煤与瓦斯突出模拟试验系统研制与应用

基于模块化思路,自主研制了多功能煤与瓦斯突出模拟试验系统,由试件腔体和五大模块(加载模块、渗流模块、诱突模块、巷道模块和采集模块)组成,试件腔体尺寸φ200 mm×700 mm、密封气压10.0 MPa、轴向应力20.0 MPa,巷道内径200 mm、长10 m、透光率94%,突出口径25,50,100 mm可选,集型煤一次性成型、渗透性测试和突出两相流可视化等多功能于一体。以煤与瓦斯突出灾害较为严重的河南龙山煤矿为工程背景,开展突出模拟试验,结果表明：(1)测试得到型煤试件渗透率为9.88×10^-3μm~2,诱突过程达到毫秒级,突出启动后,高压气体裹挟煤粉持续抛向巷道,形成煤‐瓦斯两相流,突出煤粉9 540.0 g,相对突出强度47.7%;(2)突出过程中,巷道空气受压缩产生多道以正相压和负相压交替向前传播的冲击波,冲击波超压峰值在巷道中部5.5 m处达到最大,为15.41 k Pa,同时产生向后运动的稀疏波,导致试件腔体内煤层气压上升21%;(3)突出煤粉流受突出阵发性和突出煤粉解吸气体影响,出现多次再加速过程,在第二次加速后达到速度峰值42.6 m/s,冲击...     

含节理大理岩变形和强度特性的试验研究

 锦屏二级水电站处于高地应力区域,引水隧洞开挖后岩体变形和稳定问题十分突出。从辅助洞取样制备含节理试件,采用MTS815.03岩石三轴试验机,开展了含天然节理大理岩试件的常规三轴压缩试验。试验中,节理面与最大主应力夹角θ为29.3°～56.0°,围压为5～40 MPa。通过试验结果分析,主要得到如下结论：(1) 试件共有两类破坏形式：穿切节理面破坏和沿节理面滑移。试件破坏形式主要取决于节理面与最大主应力夹角大小。在试验围压范围内,围压高低对试件破坏形式没有影响。(2) 试件变形特征取决于节理面与最大主应力夹角的大小,并受围压高低影响。(3) 试件轴向变形曲线均具有较好的线性段,但其轴向等效弹性模量均显著低于完整岩石弹性模量。(4) 试件强度首先取决于θ的大小,θ＞40.0°的试件破坏强度与完整岩石相当;θ＜40.0°的试件破坏强度较完整岩石有显著降低,不同节理强度差异是导致不同试件破坏强度差异的主要原因。     

钢管高性能混凝土轴压短柱的静力性能(Ⅱ):机理分析及承载力

研究钢管高性能混凝土轴压短柱中钢管和混凝土的应力、应变等的分布规律,发现圆试件中截面混凝土纵向应力在圆周方向均匀分布,而方试件中截面混凝土的纵向应力在弯角处最大。试件在受荷过程中,中截面钢管首先屈服,然后逐渐向试件两端发展。典型算例的分析结果表明,圆钢管对混凝土的约束作用好于方钢管的,圆钢管对混凝土沿圆周方向均匀约束,而方试件在截面弯角处的约束力最大。所有试件在中截面约束力最大。黏结强度对于试件的轴压承载力基本没有影响。普通钢管混凝土轴压短柱的承载力计算式同样适用于钢管高性能混凝土轴压短柱的承载力计算。钢管高性能混凝土轴压短柱与普通钢管混凝土轴压短柱在静力性能方面并无本质区别。     

基于声发射能量分析的煤与瓦斯突出前兆特征试验研究

煤与瓦斯突出是煤矿开采过程中最严重的动力灾害,其突出机制不清制约了灾害预警的可靠性和有效性.采用声发射监测技术,以阜新孙家湾突出煤层为研究对象,利用自主研发的真三轴煤与瓦斯突出模拟试验装置,结合DS5系列全信息声发射信号分析测试系统,开展深部矿井不同埋深下煤与瓦斯突出相似模拟试验,分析煤与瓦斯突出能量演化过程,建立声发...     

煤与瓦斯突出物理模拟试验研究现状及展望

煤与瓦斯突出是煤矿井下开采活动中较为常见的动力灾害,严重威胁着矿井安全绿色生产。鉴于现场煤与瓦斯突出的不确定性、突发性和危险性,物理模拟试验成为了研究煤与瓦斯突出机制的有效手段。通过查阅大量文献发现：(1)突出模拟试验装置由单轴向双轴、常规三轴、真三轴迭代升级,试件尺寸由小到大,数据采集由单一到多元化,各种大型多功能真三轴可视化、模块化试验系统的成功研制,为煤与瓦斯突出发生机制的定量研究提供了有效平台;(2)开展大量围绕“三要素”的煤与瓦斯突出物理模拟试验研究,探索地应力、瓦斯压力、煤体物理力学性质对突出的影响程度,通过煤层温度和两相流冲击演化反演突出强度,基本掌握突出的发动条件及致灾机制,形成了具有我国特色的煤与瓦斯突出理论体系。然而,随着我国煤矿开采深度不断增加,深部煤与瓦斯突出机制变得更加复杂。针对新形势下煤与瓦斯突出研究存在的不足,对未来的研究方向提出建议和展望,旨在完善煤与瓦斯突出机制体系,突破定性假说研究阶段,对灾害孕育、发生、发展阶段的定量条件进行探索,为现场煤与瓦斯突出预测与防治提供可靠的理论基础。     

石英云母片岩加卸荷力学特性及其卸荷本构研究

为揭示丹巴水电站石英云母片岩在不同应力路径下的力学性质,针对平行片理组和垂直片理组试件,利用MTS815岩石试验系统分别进行常规三轴压缩试验和升轴压、降围压卸荷试验,系统研究石英云母片岩在加、卸荷应力路径下的力学特性。试验结果表明,常规三轴试验下,平行组试件变形大于垂直组,变形表现出明显的各向异性特性;常规三轴试验下,垂直组试件破裂面形成时先产生主裂纹,再与次裂纹贯通、连接,平行组试件则直接由次裂纹贯通、连接,两组试件破坏面形成方式不同;加、卸荷条件下,峰值强度和残余强度均随围压的增大而增大,且垂直组高于平行组;与三轴压缩试验应力应变曲线不同,卸荷曲线具有明显的跌落段,试件表现出脆性破坏;卸荷条件下两组试件的M-C强度参数明显低于加载试验。结合石英云母片岩的卸荷特性,采用强度各向异性系数表征试件卸荷过程中的各向异性软化,建立横观各向同性岩体的卸荷本构关系,并对其合理性进行验证。研究表明,所提出的本构关系与试验结果具有很高的吻合度,能很好地表征石英云母片岩的卸荷过程。     

地应力场中煤岩卸围压过程力学特性试验研究及瓦斯渗透特性分析

应用MTS815力学试验机,对典型煤与瓦斯突出矿井松藻矿务局打通一矿突出煤层原煤制备的型煤试件进行型卸围压试验研究。研究结果表明:(1)位移控制方式卸围压将导致试件的扩容损伤,力控制方式卸围压将导致试件的破坏。(2)用位移控制卸围压时,在某一初始围压下,试件的轴向应力随围压的降低而减小,轴压减小的速率越来越大,屈服阶段卸围压曲线比弹性阶段卸围压曲线更加非线性;随初始围压的加大,屈服阶段卸围压曲线的非线形特征更加明显。(3)用力控制方式卸围压时,在某一初始围压下,试件的轴向应变随围压的降低而增大,轴向应变增大的速率越来越大,屈服阶段卸围压时轴向应变的增大比弹性阶段卸围压时更为迅速;随初始围压的增大,屈服阶段卸围压时试件加速破坏的趋势更加明显;通过轴向应变可计算分析卸围压过程中试验机对试件作的功。根据试验结果,结合全应力-应变过程煤岩瓦斯渗透特性的试验结果,推导出卸围压过程瓦斯渗透特性曲线。根据以上结果,应用损伤理论和Mohr-Coulomb强度理论推导含瓦斯煤岩卸围压过程中试件的损伤和强度的计算公式。研究结果对预测预报瓦斯涌出和预测卸围压过程中煤岩的破坏具有现实指导意义。     

基于地应力实测的深部软岩巷道稳定性研究

唐口煤矿埋深较大,地压显现剧烈,在回风石门大巷、西翼辅助运输石门等不同构造部位布置3 个地应力测点,采用YH3B-3型环氧树脂三轴空心包体应变计按应力解除法进行了现场地应力的测试,获得了矿井地应力的大小、方向及分布规律。采用FLAC 3D 研究巷道轴向与水平构造应力呈不同夹角时对深部软岩巷道围岩稳定性的影响,为巷道的合理布置与支护设计提供了可靠依据;当最大水平应力方向与巷道轴向近似平行时,巷道围岩的变形量和塑性区范围较小,巷道变形破坏相对较小;当最大水平应力方向与巷道轴向垂直时,巷道围岩的变形量和塑性区范围最大,巷道变形剧烈、变形破坏严重。