温度与应力对破碎煤岩体压实变形特征的影响

为了得到应力和温度对采空区破碎煤岩体渗透特性及压实特性的影响,通过自主设计的渗透系统以分级加载的方式对破碎煤样进行渗流试验,得到考虑温度的压实破碎煤体的本构模型。结果表明:渗透率随温度变化总体呈上升趋势,在采空区遗煤自燃的过程中,随着温度的升高,煤体内部细观结构发生变化,颗粒的堆积变得更为松散,从而导致破碎煤体的渗透率增大;破碎煤体孔隙度随着轴向应力的升高呈负指数下降趋势,孔隙度和碎涨系数都随着温度的升高而升高,125℃对应的碎涨系数比25℃对应的碎涨系数大0.03;压实变形过程中破碎煤体的割线模量E_s和切向模量E_t均随应变的增加而升高,且在相同应变条件下,温度越高破碎煤体的E_s和E_t越低。通过对在应力σ_i作用下破碎样的割线模量与温度的关系进行拟合,建立了考虑温度的压实破碎煤体的本构关系。     

承压破碎煤体碎胀系数演变特征与机制

利用自制的承压破碎煤体渗流及自燃测试装置,实验测试及分析了破碎煤体在应力、应力-温度、应力-水分不同条件下的碎胀系数的演变特征与机制。研究结果表明：① 煤样随着应力增加,碎胀系数变化具有明显的阶段性,且随应力变化服从负指数变化规律;② 在相同的轴压下,碎胀系数随温度升高而增加,热膨胀效应明显,说明采空区煤自燃的热效应将造成破碎煤体的碎胀系数增大,堆积更为松散;③ 当破碎煤体外在水分含量增加,在相同的轴压情况下,碎胀系数随外在水分增加而增加。说明随着采空区破碎煤体外在水分的增加,破碎煤体的碎胀系数将增大;④ 破碎煤体在应力、热膨胀及湿膨胀作用下,堆积体内部颗粒发生相对移动、二次破碎、颗粒自组织再堆积,致使应力-应变曲线发生变化,进而影响其碎胀系数。     

级配破碎煤岩体压实过程中再破碎特征研究

为研究承压破碎煤岩体压实与再破碎特征,根据破碎煤岩体的力学特征与孔隙结构的稳定性将破碎煤岩体的压实变形过程分为塑性失稳、应力恢复与类原岩应力3个阶段,再通过获有专利权带侧限的破碎煤岩体压缩实验系统以分级加载的方式对不同Talbol指数n的破碎煤样进行压实试验.研究表明:在整个压实过程中,由煤样颗粒位移重组引起的变形大于由破碎填充引起的变形;随着应力的增大,各组试样中小粒径的颗粒不断大幅增加,其中M-4组试样增幅最大,增加了389.4 g,其余大粒径的颗粒不同程度的减少,4组试样承载后的粒度分布均趋近于同一种稳定的级配结构;分形维数轴向应力间符合幂函数关系,且应力一样时,n越大,混合破碎煤样的分形维数变化率越大;给出破碎煤岩体承压过程中压缩模量的计算公式,并发现相同应力条件下n越大,破碎率变化率越大,混合破碎煤岩体的稳定性越差,为采空区安全治理与预防地表沉降提供了有力的理论指导.     

不同环境湿度下承压破碎煤岩蠕变分形特征研究

承压破碎煤岩在不同环境湿度下的变形及破碎量不同,为探究不同环境湿度下承压破碎煤岩变形与破坏过程中的分形特征,利用自制破碎岩石压实装置,结合DDL600电子万能试验机和计算机采集系统,对不同环境湿度下的破碎煤岩进行侧限压实试验,分析不同环境湿度下承压破碎煤岩蠕变分形特征。结果表明:1)随着轴向应力的增大,破碎煤岩的分形维数从2.38增加到2.64,逐渐接近分形破碎极限,其变化过程可分为6 MPa以前的迅速增加阶段和6 MPa以后的缓慢增加阶段;2)分形维数随环境湿度的增加而增大,且在高应力下增幅较大,但增速逐渐减缓;3)蠕变时间从30 min增加到160 min,分形维数仅增加了0.06,说明时间效应对分形维数影响较小;4)相对破碎率Bg随轴向应力变化呈对数增长,与分形维数之间具有线性关系。可见,随着环境湿度的增长,破碎煤岩的承载能力有所下降,该结论为进一步研究巷道围岩稳定性和地表沉陷提供依据。     

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。     

冲击加载下煤岩破碎块度与能耗关系的试验研究

利用霍普金森压杆对煤岩进行不同冲击加载下的动态力学测试,研究煤岩破碎块度与破碎能耗之间的关系。利用筛分法确定煤岩破碎后的平均块度,借助分形理论,研究不同冲击加载下煤岩的破碎分形维数、破碎块度;借助不同冲击加载下煤岩的应力—应变曲线,依据应力波理论,分析煤岩的破碎能耗;并研究了煤岩的破碎块度与破碎能耗的关系。研究结果表明,在动态冲击试验下,煤岩冲击破碎后的块度具有较好的分形特性,分形维数能够反映煤岩的破碎和脆性程度。煤岩在不同冲击加载下,破碎平均块度在6~19mm之间。随着冲击加载速度的增大,煤岩越破碎,破碎块度越小,破碎能耗越大。     

不同应力对煤自然氧化的影响规律试验研究

为研究应力对煤自然氧化的影响规律，设计1套应力对煤自然氧化影响规律试验装置，通过该试验装置对煤样施加不同应力模拟采空区破碎煤体在承压环境中受压变形、温度及气体体积分数变化特征，定量分析不同应力作用下破碎煤体相关参数的变化规律。研究结果表明：升应力作用阶段破碎煤体较恒应力作用阶段受压变形、升温幅度更为明显且煤体升温速率与位移变化速率大小正相关，进一步验证了应力对于煤体自然氧化具有促进作用；破碎煤体在不同应力作用下煤自燃倾向性进一步加剧，煤体内分子更易氧化，从而导致CO、CH₄的产生；根据试验所测CO体积分数，从而推断有煤氧复合反应和煤体机械破碎激活脱碳2种产生途径。     

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。     

不同初始应力下卸荷煤体氧化特性

为探讨不同初始应力下卸荷煤体氧化特性,采用程序升温实验、煤岩三轴蠕变实验、压汞实验对易自燃原煤样及其不同初始应力下卸荷煤样进行微观氧化特性对比研究。结果表明:宏观方面,不同初始应力下卸荷煤体比原始煤样更容易氧化,特征温度点下各实验煤样的CO产生量-应变曲线与轴应力-应变曲线具有相似的规律,且煤样氧化能力随初始应力大小变化曲线呈"驼峰状",当初始应力达到15 MPa,煤岩处于塑性变形裂隙扩展阶段,煤样卸荷后与氧气接触能力显著增强;初始应力达到25 MPa,煤岩处于应变软化阶段,煤样卸荷后与氧气接触能力最强,间接增强了煤样的氧化能力。不同初始应力下卸荷煤体的特征温度点均提前于原始煤样,使得发生氧化自燃的时间提前。微观方面,煤体总孔容和孔径分布共同制约着氧化反应进程,初始应力使煤体的孔容积、孔径增大,小孔和微孔是O_2与煤基质氧化反应区域的主要贡献者,小孔、微孔孔容值和比表面积随初始应力的变化趋势与实验煤样氧化能力随初始应力变化趋势相同。根据实验结果,随着煤层埋深增大,地应力增高,采动卸荷后煤体氧化危险程度增大;当煤层赋存地应力随埋深达到临界值后,采动卸荷后煤体氧化危险性程度将会降低;对于同一开采水平,应力相对集中区卸荷后煤体将更易发生氧化自燃,其氧化难易程度与煤体强度、赋存应力存在一定关联。     

不同浸水时间级配破碎煤样的粒度分布分形特征

含水条件下破碎岩体的变形及压实是引发采空区地表沉降的因素之一。为探究浸水时间、级配、轴向压缩位移3种因素对承载破碎岩体粒度分布分形特征及压实特性的影响规律,采用轴向压缩位移控制的方法,进行了小位移情况下5组不同配比破碎煤样的侧限压实试验。结果表明:1)在轴向压缩位移较小的情况下,随着浸水时间的增加,同级配破碎煤样粒度分布分形维数呈减小趋势;2)浸水时间与粒径分布分形维数曲线可用指数函数拟合;3)随着配比指数n的增大,粒度分布分形维数逐渐减小;4)随着轴向压缩位移的增加,同级配破碎煤样粒度分布分形维数与轴向应力都呈增加趋势,可以分为0~15 mm的缓慢增加阶段和15 mm后的快速增加阶段。基于破碎煤样在不同浸水时间条件下承载能力与粒度分布特征的变化规律,得出其承载能力随浸水时间增加而降低,而粒度分布分形维数呈减小趋势,从而为进一步研究破碎岩体承载条件下的强度、变形及粒度分布特征提供依据。     

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。     

冲击载荷作用下煤岩破碎与耗能规律实验研究

为了探索煤岩在冲击过程中的破坏特征和能量耗散规律,利用Φ75 mm霍普金森压杆(SHPB)实验装置,对煤岩试件进行不同应变率条件下的冲击压缩实验,分析了冲击加载速率对煤岩破碎耗能和块度分布的影响。实验结果表明:在实验应变率范围内,随着子弹速度的提高,应变率和应力波携带的能量均呈线性增长,而煤岩破碎耗散能则呈指数上升。通过对实验碎块进行块度分维,发现随着应变率的提高,试件的耗散能密度快速增大,煤岩碎块的分形维数就越大,块度越细,破坏的程度越剧烈。分形维数与应变率及耗散能密度之间呈对数增长的关系,即分形维数增大的趋势变缓。     

煤岩力学性质对块煤率影响研究

为了解决赛蒙特尔煤矿采煤工作面块煤率低的问题,分析了现有煤矿地质条件下的煤样受不同性质力破坏对块煤率的影响程度,并将分形理论中的块度分布及分形维数作为煤的综合性能指标,研究了不同性质力破坏后的煤样块度分布、分形维数与块煤率之间的关系,通过该指标在一定程度上定性地反映出了煤矿出煤的块煤率,确定了煤岩力学性质对块煤率影响的关键因素。研究表明:煤样在压缩破坏时,分形维数最大,块度分布多,体积小,破碎度最高;煤样在剪切时,破碎度较压缩破坏时低,而随着剪切角减小,分形维数递增,块度分布变多,破碎度升高;煤样在受拉时,分形维数最小,块度分布最少,破碎度最低。     

破碎矸石干湿循环长期承载变形及分形特征

为研究采空区矸石充填体干湿循环长期承载特性,运用自主研制的大尺寸破碎岩石变形-渗流试验系统,进行了破碎矸石干湿循环蠕变试验,分析了矸石岩性、轴向应力及粒径级配对破碎矸石干湿循环长期承载变形特性及分形特征的影响。结果表明:在相同轴向应力和粒径级配条件下,随岩石单轴抗压强度的增大,破碎岩石试样的碎胀系数增大,而应变、蠕变阶段的应变和碎胀系数及分形维数减小;在相同粒径级配条件下,随轴向应力的增大,破碎矸石相邻两级荷载的应变差和碎胀系数差逐渐减小,而分形维数逐渐增大;当n(Talbol幂指数)为0.5时,破碎矸石蠕变变形、压实特征值最小,n为0.3次之,而当n为0.7时最大;同时随n的逐渐增大,破碎矸石压缩后分形维数增量增大,更多的矸石颗粒被压碎。     

含水煤样动态拉伸能量演化与破坏特征试验研究

为研究不同含水煤样动态拉伸变形破坏过程的能量耗散规律,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,对不同含水煤样进行冲击加载下的动态劈裂试验,并结合超高速数字图像相关(DIC)试验系统对煤样动态拉伸破坏过程进行观测。基于试验结果分析,获得了煤样破坏过程能量耗散特性随含水率的变化规律,分析了含水率对破碎煤样分形维数的影响。研究结果表明,冲击载荷下应力波是煤样内部大量微损伤结构及原生孔隙、空隙损伤演化的主控因素,煤岩体破碎是一个能量吸收与耗散的过程,随着冲击载荷的增加煤样耗散能密度呈线性增大,但当入射能较小时煤样耗散能密度值相差不大;试样分形维数随加载气压的增加而增加,且增加速率有减小趋势,同种加载气压下,饱和煤样的分形维数最大,干燥煤样的最小;煤样破坏主要以拉伸劈裂为主,破坏裂纹沿加载方向发育,率先在圆盘中部起裂,随后萌生多条次生裂纹,次生裂纹随加载气压的增大而增多,低加载气压下,劈裂裂纹在煤样中的扩展时间较长,扩展速度较慢;基于数字图像技术发现冲击载荷下饱和煤样中部出现多个主应变集中域,且范围逐渐扩大最终沿径向发育贯通。     

基于低温氮吸附法的酸化煤样孔隙分形特征研究

为研究并改善富含矿物质煤体孔隙结构特征,基于X射线衍射和低温氮吸附实验测试了贫瘦煤酸化前后碳酸盐矿物质含量及孔隙结构参数,并根据孔隙分形理论利用FHH模型求得了酸化前后不同孔段的分形维数。结果表明:酸化可以有效溶解煤体孔隙中的矿物质并溶蚀煤基质,减少煤体孔隙中微孔所占比例,增加中孔和大孔的比例,增强了孔隙结构之间的连通性,同时减少了煤的比表面积,有利于吸附态瓦斯向游离态进行转化;煤样低压段分形维数大于中高压段的分形维数,煤体孔隙中微孔结构较中孔大孔结构更加复杂,煤样经酸化后孔隙分形维数变小,煤样孔隙结构趋于简单化。     

不同静水压下煤体动态压缩力学特性及破坏特征研究

随煤矿开采深度的不断延深,深部煤体所处的应力环境将逐渐倾向于静水压状态,同时冲击地压、煤与瓦斯突出等典型煤矿动力灾害危害程度不断加大。为研究煤体在不同静水压环境下的动态压缩力学特性,采用主动三轴围压霍普金森压杆试验系统,开展加载率700～1400 GPa/s和3种静水压状态(4 MPa、6 MPa、8 MPa)下煤样动态压缩力学试验研究。研究结果表明：煤样应力应变曲线出现短暂线性弹性阶段,动态弹性模量、动态抗压强度与加载率、静水压限制成正比,动态抗压强度的加载率敏感性与静水压限制成反比;相同加载率下,煤样的破坏应变与静水压大小成正比;冲击加载后煤样宏微观破碎特征表明,随着静水压约束的增强,煤样破碎程度逐渐降低。本研究可为深部煤矿典型动力灾害防灾减灾研究提供参考,对深部煤矿工程布设具有一定的指导意义。     

动静组合加载下煤体力学响应及能量演化规律试验研究

采掘工作面煤体的力学响应和能量演化特征与煤矿动力灾害的发生息息相关。采用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统开展了动静组合加载下煤体冲击试验，分析了不同动静组合条件下煤体力学性质与能量演化规律。试验结果表明：煤体动态强度具有明显的轴压与应变率效应，随着轴压的增加先增加后减小，但与应变率呈正比关系；动静组合加载下煤体宏观破坏模式具有拉剪破坏与“爆炸式”粉碎破坏两类，轴压控制煤体宏观破坏模式的转变，冲击速度控制煤体的破坏程度；煤体耗散能可定量表征动静组合加载下煤体的破碎程度，煤体破碎分形维数与耗散能呈弱幂函数增长关系。研究成果为揭示深部煤岩体动态失稳机理提供了理论支撑。     

中高阶煤储层分形特征对瓦斯吸附的影响研究

为研究中高阶煤(Vdaf25%)的分形特征对煤层瓦斯吸附规律的影响,针对不同矿区6种中高阶煤样,采用高压容量法测试了煤样的瓦斯吸附能力,利用Langmuir方程拟合得到了表征煤样吸附能力的参数Langmuir体积(VL)和Langmuir压力(PL)。同时,根据电镜扫描(SEM)实验,对煤体表面孔隙特征进行了分析,并利用基于Kolomogrov容量维的分形理论计算得到了煤样孔隙分布的分形维数。在此基础上,研究了分形维数对中高阶煤瓦斯吸附的影响。研究结果表明:不同煤样孔隙结构差异显著,煤体表面孔隙分布具有明显的非均质性和分形特征;煤体变质程度对分形维数具有重要影响,煤化作用使得孔隙结构更加复杂;煤体表面分形对VL和PL的影响不同,VL随着分形维数的增加呈线性增加,而PL与分形维数的关系符合二次曲线,说明煤体表面越复杂,煤体越易于吸附瓦斯。     

循环载荷下煤样能量转化与碎块分布特征

煤矿开采中煤体常处于反复加卸载过程,研究煤体在不同加载速率重复载荷作用下的能量转化与破坏机制对认清煤矿动力灾害本质具有指导意义。利用MTS815.03伺服实验系统,通过单轴循环加卸载试验,结合能量和分形理论,获得了不同加载速率下煤样变形破坏各阶段能量积聚、耗散和释放的转化机制及其与煤样碎块块度分布规律的内在关系,为开展重复载荷作用下煤岩破裂响应及破坏机制的研究提供依据。试验结果表明:煤样能量转化具有明显的阶段性特征,可分为能量初始积累阶段、能量加速积累阶段和能量快速耗散阶段。煤样破坏前耗散能所占比例经历了高—低—高的过程,而弹性能则相反,加载后期弹性能比例下降或耗散能比例的升高,预示着煤样进入加速破坏阶段;能量集聚和释放与加载速率密切相关,随着加载速率的增大,峰值前弹性能所占比例逐渐增加,煤样破坏前更多的能量以弹性能形式储存在煤样体内,岩石破坏后,更多的能量被释放出来,煤样破坏越剧烈,其宏观破坏形态由剪切张拉和劈裂破坏向弹射破坏过渡;循环加卸载下煤样碎块分形特征具有明显的分段性,在小于尺寸阈值范围内具有较好的自相似性特征,不同加载速率下碎块分形维数为2～3,且随加载速率的增加成线性增长;加载速率越大碎块分形维数越大,煤样破碎程度越高,大块碎块所占比例越小,煤样碎块越破碎且单块碎块质量越小,煤样发生动力灾害的危险性越大。