松软煤体巴西劈裂试验研究及应用

为了获得厚径比和含水率对松软煤体劈裂强度的影响规律,以淮南矿业集团新庄孜煤矿66207工作面松软煤体为研究对象,进行不同厚径比和不同含水率条件下型煤的巴西劈裂试验,并将实验结果代入考虑垫条与试样接触角的抗拉公式计算。试验结果表明:含水率相近时,随着试样厚径比的增大,抗拉强度逐渐减小,厚径比-抗拉强度曲线下降趋势不断减缓,厚径比大于0.6后曲线近似水平;厚径比相同时,随着含水率增加,煤样抗拉强度总体呈下降趋势。     

含水率影响下煤体巴西劈裂特性与弱化机制

利用废弃矿井采空区作为储水空间对矿区生态环境和经济发展具有重要作用,但在不同含水率影响下,煤岩体强度会出现一定的弱化,进而影响地下储库的稳定性。以关闭的大台矿井-710 m开采水平3^#煤层煤样为研究对象,研究不同含水率煤样巴西劈裂强度弱化程度、劈裂破坏特征和声发射演化规律;借助CT扫描浸水前后煤样孔隙特征,探究其内在影响机制。研究结果表明：干燥煤样圆盘表面的主要裂纹沿劈裂面存在,而饱和煤样的裂纹偏离劈裂面,形成许多不规则的剪切裂纹。随着含水率的增加,圆盘表面劈裂裂隙平整度降低,从干燥到饱和,裂隙分形维数由1.066升高至1.298;煤样抗拉强度随含水率增加呈线性减小,但峰值应变则呈先增大后减小的抛物线变化;煤样声发射累计计数随含水率增加而逐渐减小,破坏阶段低含水率煤样产生张拉为主的拉剪复合裂隙且尺度较大,高含水率煤样产生小尺度张拉裂隙。煤样浸水后原生裂隙扩张,孔隙率提高2.55%,煤样孔隙率升高使煤样损伤发育加速,进而导致在劈裂过程中更易形成贯通裂隙;水的存在弱化了原生裂隙胶结强度,使劈裂裂隙沿强度较小的节理裂隙面扩张,初始劈裂面粗糙度增加。新增裂隙的减小也同样使...     

松软煤体钻孔坍塌控制技术研究

以阳煤五矿8410松软煤体瓦斯抽采钻孔失稳变形为研究对象,利用数学模型对瓦斯抽采钻孔坍塌失稳开展理论研究,并设计研发了松软煤体钻筛一体化技术及装备,提高了下筛管长度,抽采效果明显。     

不同岩石巴西劈裂强度的尺寸效应

通过对3种厚度在20～50mm不等的圆柱形岩石试样进行巴西劈裂试验,采用统计和回归的方法分析了试样厚度对岩石劈裂强度的影响,得出单轴抗压强度越大的岩石,巴西劈裂强度的尺寸效应越明显;不同岩石劈裂强度的尺寸效应各有不同,白色大理石劈裂强度随试样厚度增加呈线性减小,硅质砂岩劈裂强度随试样厚度增加呈线性增大,炭质泥岩劈裂强度随厚度增加呈指数增大.拟合这3种岩石劈裂强度与厚度关系的函数,相关系数都在0.99以上.试验结果还表明,不同岩石劈裂时横向应变和轴向应变也受试样厚度的影响,存在明显的应变尺寸效应.     

松软破碎煤体取制样与剪切试验系统研制及应用

研究松软破碎煤体力学性质对巷道支护和煤与瓦斯突出预测等工作具有重要意义,但当前缺乏有效的松软破碎煤体取样、制样及力学特性分析装置。为此,研发了一套松软破碎煤体取制样与剪切试验系统,主要由取样装置、制样装置和力学特性参数测试系统组成,各部分具有以下主要功能与特点：(1)取样装置中的单动三管取芯器包含脑袋总成、外管总成及内管总成3部分,内外管间设置稳定环,保证内外管同心,内管总成腔体内部设置衬管用于储存煤心,取芯钻进时内管不随外管旋转;当钻取的煤心充满衬管后,退出取芯器,拆卸取出衬管,将煤心连同衬管一并取出并进行封装。取样装置灵活、轻便、易拆装携带。(2)制样装置包含脱模仪、切割机、冰箱、热风枪4部分,脱膜仪用于脱去煤心外层衬管,切割机、冰箱和热风枪用于对煤心进行切割、冷冻和热缩;制作标准煤心试件分为打孔润湿、冷冻切割和热缩脱模3个步骤,采用端头局部冷冻切割、脱模与热缩均匀同步等技术,实现多种标准尺寸试件制备,制样方法完善、成功率高。(3)力学特性参数测试系统包含主体结构、伺服油源控制装置和软件系统3部分,能实现限制性及非限制性直剪试验功能,主要用于开展松软破碎煤体标准试件不同法向应力下直...     

含软弱结构面石灰岩巴西劈裂破坏模式研究

以湖北省秭归县某矿山石灰岩为研究对象,进行了不同软弱结构面倾角θ的巴西劈裂实验,研究了石灰岩中软弱结构面倾角对岩石试样破坏模式的影响,并探讨了相应的破坏机理。结果表明:软弱结构面对试样的劈裂破坏模式具有控制性作用,随着结构面倾角增大(0°～90°范围内),试样破坏模式可分为4种,其中,θ为0°和15°时为岩石基质以及结构面拉裂破坏,θ为30°时为岩石基质的拉裂破坏以及结构面的拉裂和滑移破坏,θ为45°和60°时为结构面的剪切滑移破坏,θ为90°时为结构面的拉裂破坏;同时发现,当θ为45°、60°和90°时,结构面对试样破坏机理的影响与层理面类似,而当θ为0°、15°和30°时,试样的破坏机理会更为复杂。     

极松软煤体高压吸附过程中变形特性试验研究

突出煤层中大都存在层理紊乱、煤质极其松软的软分层,软分层吸附瓦斯和释放瓦斯的能力比硬分层大许多,突出危险性更大。为分析软分层在高压条件下的吸附变形特性,研制了煤层瓦斯吸附解吸变形动态测试装置,并利用该装置进行了恒温定容条件下煤样吸附、解吸瓦斯过程中吸附量与应变的同步测试。研究结果表明:等温吸附曲线、等温解吸曲线和等温吸附应变曲线均服从朗格缪尔方程,等温解吸应变曲线服从改进的朗格缪尔方程;软分层吸附—解吸过程可逆,吸附—解吸变形不可逆;吸附瓦斯量与体应变呈非线性关系。通过对试验数据的统计分析,建立了软分层煤体应变与吸附瓦斯量之间的精确拟合方程。     

含层理面煤试样的巴西圆盘劈裂实验及数值模拟研究

对含层理的煤岩试样进行巴西圆盘劈裂实验和有限元法-离散元法(FDEM)数值模拟, 结果表明层理角度对劈裂破坏模式和抗拉强度有明显影响。 随着层理角度不断增大,可将劈裂 破坏模式划分为4类:垂直层理面的张拉破坏;折线形张拉-剪切复合型破坏;沿层理面的剪切破 坏;沿层理面的张拉破坏。 对抗拉强度值进行分析可知:当垂直于层理面加载时,层理角度影响 最小,抗拉强度等同于煤试样基质的抗拉强度;随着层理角度增大,抗拉强度逐渐减小;平行于层 理方向加载时,抗拉强度最小。 此外,从能量角度分析可知:随着层理角度增大,试样破坏所耗散 的能量越来越少,破坏越容易。     

不同加载速率下砂岩巴西劈裂声发射试验研究

利用RMT-150C电液伺服刚性试验系统和PAC声发射信号采集系统,对典型砂岩在巴西劈裂条件下变形破坏全过程的声发射特征以及不同加载速率对其的影响进行研究.试验结果表明:声发射特征与各变形阶段其内部结构损伤信息的变化是相对应的,声发射参数可表征岩石拉伸破坏微观结构损伤和演化;随着加载速率的增大,AE振铃率和AE能量率都随之增大,峰值处释放的AE能量最大值呈递增趋势,而AE累积能量呈递减趋势,这可能与加载时间有关;砂岩的抗拉强度随加载速率的增大而增大,同步监测AE能量峰值亦随加载速率的提高呈上升趋势,不同加载速率下AE能量峰值的变化能够反映岩石的抗拉能力.     

基于主成分分析法的松软煤体煤尘润湿特性研究

矿井煤层产尘与煤体坚硬程度密切相关,而深部含瓦斯煤体往往呈现松软煤层的特征,为了研究松软煤层煤体润湿性的影响因素,以对粉化松软煤体产尘进行治理,以衡量煤样润湿性强弱和评价粉尘灾害的重要指标接触角为主线,从淮北煤田7个突出矿井选取了7种松软程度不同的煤样进行煤-水接触角测定,通过工业分析、煤与瓦斯基础参数测定、孔隙结构测定和红外光谱定量分析试验,采用主成分分析法系统探讨了松软煤体煤尘的润湿特性和主要控制因素。研究结果表明:松软煤体的润湿性主要取决于煤的灰分、水分、孔容、比表面积、坚固性系数、羟基含量,且影响程度依次减弱;其中灰分、水分、孔容、比表面积、羟基含量与接触角成负相关,是煤的亲水因素,而坚固性系数与接触角呈正相关,是煤的疏水因素;煤体强度越低,煤体越松软,煤-水接触角越小,煤的表面润湿性越好;通过主成分多元回归分析方法的结果得出灰分与煤-水接触角的相关程度最高,是煤表面润湿性的主控因素;瓦斯在煤层赋存过程中影响煤体的强度,瓦斯的吸附、放散作用促进原生裂纹的开裂和新生裂纹的产生,导致煤体物理化学性质的改变,间接影响了煤的润湿性。     

高压水载荷下松软煤体的破裂过程及瓦斯渗流特性实验研究

在利用"高压水载荷下瓦斯渗流实验装置"成功制取原煤煤样试件的基础上,对煤样试件高压水载荷下的破裂过程及压裂前后的渗透率变化进行了实验研究。实验结果表明,在高压水作用下,松软煤层裂隙出现了压实、闭合现象,渗透率大大降低,说明了硬度较小、松软易破碎的煤层不适宜采用水力压裂作为增透措施。     

不同加载速率对石灰岩巴西劈裂特性的影响

利用RMT-150B岩石力学试验系统进行了6种加载速率下石灰岩圆盘试样的巴西劈裂试验,分析了圆盘试样劈裂破坏过程中的变形、强度、能量和破坏特征与加载速率的关系.试验表明:整个加载劈裂过程中压应力-压应变曲线大致可分为压密、弹性和破坏3个阶段,拉应力-拉应变曲线大致可分为弹性和破坏2个阶段,峰值前拉应力-拉应变始终保持良...     

页岩巴西劈裂试验的能量分布与临界特征分析

为了清晰了解具有脆性破坏特征的页岩在拉伸破坏下的能量统计分布特征,研究整体破坏能量分布与局部应力下的能量统计分布规律,从而为现场压裂机制提供理论依据。选取四川盆地南部地区龙马溪组钙质页岩进行巴西劈裂(间接拉伸)的声发射试验,加载速率分别为0.005,0.05,0.5 mm/min。结果表明:(1)在各个加载速率下岩石破坏过程的能量概率密度函数符合幂定律分布,并遵循时间上的幂律无尺度分布。(2)局部应力下的能量概率密度函数也符合幂定律分布,与幂值分布图变化规律形成良好对应,各局部应力阶段下的能量概率分布曲线向着整体破坏的能量概率分布曲线流动。(3)当应力σ达到0.9σmax,系统进入临界态,能量分布曲线与幂值分布曲线接近于整体破坏过程中的能量分布曲线与幂值分布曲线,并逐渐重合。(4)试验结果与纤维束模型数值模拟结果相符,当应力σ达到试件破坏应力的90%后,分叉率ξ急剧增大,直至岩石破坏,能良好验证临界态特性。     

不同岩性巴西劈裂试验的声发射特征

应用声发射及其定位技术,系统研究了10 种不同岩石的巴西劈裂失稳过程,分析了随应力时间变化其声发射活动规律,并从内部细观结构对其破坏机制进行了分析,得到了顶板岩层不同高度不同岩性的微观破裂机理。结果表明：由于不同岩性岩石内部微观组成存在差异,砂性岩石劈裂抗拉强度和竖直方向的压缩极限应变约为泥性岩石的1.60倍。峰值强度时,砂性岩石的振铃计数和能量远大于泥性岩石,且其振铃计数和能量时间曲线比较均匀,而泥性岩石曲线“阶跃”现象明显;岩性不同,内部初始裂纹的位置也不同,裂纹初始及其扩展方向是诱发岩样裂纹贯通的主要原因。砂性岩石破坏前兆点早于泥性岩石出现,且大部分处于不稳定裂纹扩展阶段(含粗砂细砾岩和砂岩除外);顶板岩石在受拉变形过程中,泥性岩石失稳破坏时更加剧烈和突然,预警时间较短,可能带来安全隐坏,因此必须做好相应的支护措施。     

煤试样巴西劈裂的声发射特征研究

基于细观损伤力学开发的RFPA2D数值模拟软件,分析了巴西劈裂试样的应力分布特征。利用微机控制试验机进行了煤试样的巴西劈裂试验,对煤巴西劈裂全过程中的声发射特征进行了研究。试验结果表明:声发射事件伴随整个煤试样劈裂过程,在不同的加载阶段有不同的声发射特征;随着载荷的增加,煤的应力场随时发生变化,从加载初期到破坏时,再到破坏后x轴方向拉应力经历了"不明显-最明显-不太明显"的过程;在煤试样将要破坏时拉应力达到峰值,证实了煤试样劈裂是受拉破坏,此时声发射事件最为明显。     

松软破碎煤体瓦斯抽采钻场预加固技术研究与应用

针对松软破碎煤体施工大直径长距离瓦斯抽采钻孔容易出现塌孔、卡钻导致钻孔失效的难题,采用理论分析、现场测试和井下试验的方法,通过煤岩体强度和结构探测,得出了煤岩体的结构完整性和强度,并根据围岩特点确定了注浆机理以粘结松软煤体、增强松软煤体整体性为主,适当增加煤体强度,达到防止钻孔塌孔的目的,在此基础上设计了注浆加固参数和单孔全长分段注浆工艺,该工艺施工工程量小,工艺简单,加固速度快。井下试验表明,煤岩体注浆加固后围岩强度增加57%,完整性提高58.8%,钻孔无塌孔出现,有效保证了长钻孔的顺利实施。     

基于巴西劈裂实验的层状页岩断裂特征试验研究

为揭示层状页岩巴西圆盘试件破坏强度与裂纹特征关系的机理,对圆盘试件进行劈裂试验。利用高速照相机和声发射监测装置分析了试件的破断特征及声发射特征,探讨了试件的破断机理以及破断强度的影响因素。研究表明:1)圆盘试件的裂纹起裂点通常位于试件的中部或加载端处,当层理角度较小时,试件裂纹垂直于或斜交于层理面扩展,随层理角度逐渐增大,裂纹逐渐沿层理方向扩展;2)层理方向会影响试件应力场的分布,当层理角度为0°和90°时,试件中部会产生较大的水平拉应力,试件容易产生拉伸破坏,当层理角度为45°时,试件中部会产生较大的剪应力,试件容易产生剪切破坏;3)由于裂纹表面能密度的差异性,试件的破坏强度分别与总裂纹长度和相对层理裂纹长度成正相关和负相关关系;4)试件的声发射特征与其破断模式密切相关,当试件产生张拉破断时,声发射计数表现为单峰陡增特征,当试件产生剪切+张拉复合破断时,声发射计数表现为多段增长特征。     

基于单弱面理论对板岩巴西劈裂试验研究

为了揭示板岩这种层状岩体抗拉强度的各向异性,笔者根据层状岩体巴西劈裂试验圆盘平面应力的弹性力学解析解,并结合单弱面理论,建立了不同层理角度θ与抗拉强度的关系式。通过对不同层理角度θ下的试件进行巴西劈裂试验,得到：随着θ从0°变化至90°,强度因子呈现两端大中间小的趋势;运用单弱面理论得到的强度关系式可以较好地反映出在含有层理面时巴西劈裂试验抗拉强度随层理角度变化的规律;当0°≤θ＜25.2°或72.6°＜θ≤90°时,属于纯拉伸破坏;当25.2°≤θ≤72.6°时,岩块受层理面影响,属于沿层理面剪切破坏。     

高温-水冷作用下花岗岩巴西劈裂试验及启裂模式研究

在深部采矿、超深钻井、增强型地热系统(EGS)等工程中，高温岩体受冷水热冲击产生损伤，热损伤岩体的物理力学性质受到了广泛关注。通过对经200～800℃高温-水冷处理后的花岗岩圆盘进行巴西劈裂试验，发现高温-水冷作用使花岗岩体积膨胀、P波速度降低、抗拉强度减小。通过对圆盘加载过程中的表面应变场监测和声发射监测，发现高温处理会使花岗岩圆盘的启裂模式发生变化。较低温度(400℃以下)处理后圆盘为端部启裂，较高温度(600℃和800℃)处理后圆盘为中心启裂。热冲击导致花岗岩微裂纹增加，使巴西劈裂过程中的b值随处理温度升高而增大。