煤岩单轴力学特性层理结构效应研究

以新疆沙吉海矿区不同层理角度煤岩为研究对象进行室内的单轴压缩试验,研究层理角度对煤岩单轴力学特性和破坏模式的影响规律。试验结果表明:层理角度对煤岩力学性质有较大的影响;单轴抗压强度和弹性模量随着层理角度的增大表现出先减小后增大的规律,变形破坏方式也随层理角度不同出现脆性破坏和脆延性破坏2种形式;在破坏模式上也随层理角度不同出现3种破坏方式。     

煤岩层理效应对甲烷吸附-解吸影响的试验研究

为了研究煤岩试件中的层理倾角对甲烷吸附-解吸的影响,通过实验室制取层理试件,并通过特制仪器进行室内试验,研究了煤岩试件在甲烷吸附-解吸过程中,层面倾角对其影响规律,得出以下结论:甲烷在吸附-解吸过程中,随煤岩层面倾角增大,层理接触面在试件中的长度、接触面积随之增大,因此吸附、解吸速度增大,吸附量、解吸量增大;煤岩试件吸附瓦斯量对其体积变化有较大影响,吸附量越大,体积应变越大。     

温度对煤岩力学特性的影响试验研究

为研究不同温度处理后煤样的裂纹演化规律以及力学特性变化,通过电热鼓风干燥箱对煤样进行升温处理,借助微机伺服万能材料试验机、HC-U7非金属超声波探测仪、电子显微镜相机、三维激光系统对温度-载荷总损伤演化途径展开试验研究。通过研究获得：(1)随着温度的升高,煤岩损伤程度越来越高,经50、100、150、200、250、300℃高温处理后,煤岩质量、密度、声速逐渐减少,损伤因子逐渐增大,煤样波形越来越紊乱;(2)力-温度耦合煤样,随温度的升高,煤样裂纹张开度、总周长,裂隙总表面积、裂纹总条数以及煤样破坏程度会越来越大;(3)随着温度的逐渐升高,煤样的破坏形式愈来愈复杂,破坏后的完整度大大降低,且破坏后破碎煤块增多,煤岩表面出现严重的起皮现象;(4)随着温度的升高,煤岩应力应变曲线屈服阶段越来越明显,表现为峰前应变量逐渐增大;(5)随着温度升高,煤岩抗压强度逐渐降低,峰后曲线下降越来越平缓,塑性逐渐增强。     

原生裂隙结构对煤岩物理力学特性影响分析

为量化分析煤岩原生裂隙结构对其物理力学特性的影响,以不同冲击倾向性矿井煤样为研究对象,采用工业CT扫描和三维重构技术,提出了以长度因子、宽度因子、面积因子、体积因子、倾角因子和分形因子来量化描述煤岩原生裂隙结构的三维特征,并且依据样本相关性分析原理和偏最小二乘回归分析原理,对原生裂隙结构几何特征与物理力学特性之间关联的进行了回归分析。研究发现:不同物理力学特性的煤岩介质,原生裂隙结构特征差异明显,发育程度与其冲击倾向性成反比;除泊松比,煤岩物理力学特性与原生裂隙结构特征的几何因子存在显著的相关性;不同的几何因子对物理力学特性的影响能力以及各个物理力学特性受几何因子的影响程度均不同。     

唐口煤业煤岩层冲击倾向性试验研究

在采深1 000 m的条件下,随着地应力的增大,煤矿煤、岩层的冲击倾向性将会更加明显。在唐口煤业的生产实际条件下,通过试验对唐口煤业首采区冲击地压发生的可能性和可能危害程度进行了研究。试验表明,该煤岩层具有突然破坏并瞬间释放大量弹性变形能的能力,其中3上煤层具有强冲击倾向性,3上煤顶板具有弱冲击倾向性。     

基于间接拉伸试验的煤岩层理效应研究

采用多种先进的宏细观测试手段,探究煤的层理构造和矿物分布。进行加载方向与煤岩层理面平行和垂直的间接拉伸以及实时声发射(AE)试验,分析了煤的破坏机理、拉伸力学特性以及在拉伸过程中声发射时空序列特征和损伤变量演化的层理效应。研究表明:方解石矿物主要沿煤层理面分布,对裂隙的萌生和发展起着关键作用;加载方向平行和垂直于层理面煤岩的抗拉强度分别为0.706和1.039 MPa;平行组试样声发射活动的整体水平弱于垂直组,但平行组试样AE事件在破坏前短期内激增,总能量释放少,破坏突然,主裂纹沿层理面发展,垂直组试样的AE信号在低应力水平出现,AE振铃计数率和能率均强于平行组,空间定位点有明显的成核区域;垂直组和平行组损伤变量D值变化曲线分别呈现出阶梯式和两段式特征,具有明显差异,基于AE能量计算的岩石损伤状态更加符合实际。     

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。     

单轴压缩下页岩力学特性的各向异性试验研究

为了研究页岩的物理力学特征及其各向异性,为掌握页岩气开采过程中水力压裂网状裂隙的扩展规律提供技术参数,开展了龙马溪组页岩的电镜扫描和单轴压缩试验,分析了基于不同层理面页岩的微观结构、力学参数、破坏特征等各向异性。结果显示：页岩的各向异性是其固有特征,且该特征决定了页岩的力学性质、破坏模式均表现出各向异性。当取芯方向与层理面夹角θ=0°时,破坏模式为张拉破坏;当θ=22.5°时,为沿着层理面的剪切破坏和平行于轴向方向的张拉破坏;当θ=45°时,为沿着层理面的单一剪切破坏;当θ=67.5°时,为沿着层理和贯穿层理的复杂剪切破坏;当θ=90°时,为贯穿层理面的张拉破坏。页岩的纵波波速、弹性模量、单轴抗压强度以及泊松比也都表现出一定的各向异性。     

煤岩特性对超声波速影响的试验研究

超声波测试技术广泛应用材料内部缺陷与表面裂缝检测和描述,然而其声学参数同煤岩物理特性与结构特征的关系,成为该技术在地下采矿工程中应用的瓶颈问题之一。在大同煤矿集团塔山矿8212工作面采集煤块及顶板岩芯,采用美国Tektronix公司生产的超声波仪,开展不同层理方向煤岩及不同岩性岩石的超声波室内测试试验,并结合CT扫描、磨片分析等微观测试手段和覆压渗透试验获得煤岩内部物质含量组成形态及渗透特性,系统研究密度、层理方向、孔隙度、渗透率、矿物颗粒成分及大小等因素对超声波传播速度的影响。试验表明：纵波与横波波速均表现出随密度增大而增大的趋势;煤岩的超声波速有明显的层理效应,试验发现轴向与层理的夹角由小变大,其纵波和横波波速呈减小趋势,轴向平行层理煤岩的纵波、横波波速分别约为轴向垂直层理的1.22,1.23倍;纵波波速随孔隙率与渗透率的增大而减小,且煤的渗透率亦呈现明显的层理效应,轴向平行层理煤岩的渗透率约为轴向垂直层理的57.1倍;岩石矿物颗粒越细纵波波速越大,岩样纵波波速依次以细砂岩、中粗粒砂岩、含粗砂细砾岩和粗粒砂岩由大到小排列。     

软分层对煤的单轴压缩力学特性影响研究

为了探究松软构造煤分层对原生煤样单轴压缩力学参数和破坏模式的影响程度和影响规律,在室内试验得出的宏观力学参数的基础上,采用PFC2D软件对含有不同厚度和倾角构造软煤分层的原生煤样试样进行数值模拟,分析试样受荷后的细观力学响应机制;根据试验结果,建立松软构造煤分层与荷载耦合作用下煤的单轴压缩损伤模型,探讨构造煤赋存参数对试样破坏形态演化的影响。研究结果表明:构造软煤分层厚度是影响复合煤层试样单轴抗压强度的重要参数,当软煤分层厚度增加时,导致含软煤分层的试样单轴抗压强度降低;软煤分层的倾角主要影响试件内部裂纹的萌生和扩展方式,倾角越大,剪切裂纹萌生的时间越晚,剪切裂纹在总裂纹数中所占比例越小;含软煤分层的试样破坏主要包括沿交界面的层裂破坏、拉伸破坏和复合破坏3种类型,破坏类型主要与含软煤分层的倾角相关。     

裂隙分布对煤岩体冲击倾向性影响机制试验研究

对含预制裂隙试件开展单轴压缩试验,采用声发射和数字散斑监测技术探究了不同裂隙分布试件的力学响应特征,分析了不同裂隙对试件变形破坏、冲击倾向性及能量积聚与释放的影响规律。试验结果表明：同种类型预制裂隙试件的破坏形式,随倾角的增加,破坏类型呈拉破坏—拉剪破坏—拉破坏—劈裂拉破坏的变化趋势,破坏剧烈程度呈现强—弱—强的变化趋势。从不同裂隙类型来看,平行双裂隙的试件产生的次生裂隙与预制裂隙形成块体结构,削弱了试件整体的完整性。单轴抗压强度、冲击能量指数等4个指标反映冲击倾向性变化规律为：随倾角增加,呈现先减小、后升高的变化趋势,其中β=30°时冲击倾向性最小。倾角相同情况下,不同类型的裂隙试件其冲击倾向性大小关系为：共面双裂隙试件>单裂隙试件>平行双裂隙试件。应力峰前阶段累计声发射能量和总累计能量之比W_E、峰前累计声发射事件与累计总事件之比W_N和声发射事件特征参数b值3个指标的变化规律与冲击倾向性的变化规律相一致。声发射信号能量-频次特征揭示了冲击倾向性变化规律的内在原因。研究成果对揭示裂隙煤岩体冲击地压发生机制具有重要理论意义。     

岩-煤-岩组合体力学特性及裂隙演化规律

基于薄煤层开采及煤岩体巷道变形特点,探究煤岩体变形规律,根据不同岩层组合的力学性质,系统分析了岩和煤组合体的不均匀变形特征。通过不同高度比“岩-煤-岩”组合体的单轴加载试验,分析不同高度比煤岩组合体加载破坏规律,结果表明：组合体强度受中间煤体高度影响,试件单轴抗压强度随煤体高度的增加而减小,且试件的破坏形态随着煤体高度的增加由拉伸破坏转变成斜面剪切破坏,最终表现为煤体被挤出破坏。组合体试件破坏受煤体部分主导,两端砂岩对中间煤体起约束作用从而提高煤体强度,煤体中部受到其约束最小,且随着煤体高度的增加,所受影响迅速衰减。通过室内单轴加载与颗粒流等方式分析组合体裂隙发育全过程,结果表明,组合体裂隙发育的过程可分为4个阶段：裂隙孔隙压密阶段、裂隙产生并稳定发育阶段、裂隙加速发育并贯通阶段和破坏后阶段。煤体内部缺陷的存在与其自身较低的强度,导致组合体微裂隙最初于煤体内部生成(在煤体高度非常小时,裂隙自砂岩内部产生);随着试件荷载增大,随机分布在煤体的裂隙相互贯通并向砂岩部分延伸最终造成破坏;且最初的裂隙主要是轴压与端面效应产生的剪切裂纹,在加载至试件单轴抗压强度的80%左右时,试件内部张拉裂隙开...     

岩浆侵入对煤结构的影响评述

岩浆侵入煤系地层导致煤发生接触变质作用,形成天然焦,降低煤经济价值,增加自燃和瓦斯突出风险,改变煤层气赋存条件,还被认为是地史时期全球气候变化和生物绝灭的重要触发因素。为揭示岩浆侵入过程煤结构的变化规律,文章从煤层宏观结构构造到微观显微组分,从原始沉积结构的变化到新形成的特征结构,全面系统论述了岩浆侵入对煤结构的影响。岩浆高温、侵位压力、热液流体等因素导致煤层结构构造和煤显微组分发生显著改变,发育微孔裂隙、脱挥发孔或囊状结构、各向同性焦、各向异性焦、热解碳、石墨球粒和焦化沥青质等。受岩浆侵入影响煤层煤结构的变化规律是确定接触变质晕范围和气体赋存条件的科学基础,在热变质煤资源的安全开采和综合利用方面亦具重要现实意义。     

单轴压缩条件下裂隙几何特征对岩石力学特性的影响研究

为探究裂隙几何特征对岩石单轴压缩力学特性的影响,采用Rhino-Griddle软件建立不同裂隙几何特征的标准岩样模型,并通过FLAC3D软件对单轴压缩条件下裂隙岩体的变形破坏规律进行了模拟研究,探讨了倾角、张开度、数目与岩石单轴力学特性的关联,分析了多裂隙岩样的裂纹扩展规律。数值计算结果表明:随着裂隙倾角的增加或裂隙张开度的降低,岩样的单轴抗压强度和峰值应变均会有所增加,且裂隙倾角相较于裂隙张开度对岩石的力学性能影响程度更大;裂隙数目对应力-应变曲线的影响在峰后阶段较为明显,随着裂隙数目的增加,岩样的残余强度不断降低,三裂隙岩样的残余强度几乎为0;预制裂隙端部首先萌生裂纹,裂纹不仅向裂隙平行方向沿裂隙扩展,还沿着接近平行于轴向的加载方向向其他裂隙端部扩展,不同预制裂隙裂纹上下完全交汇贯通并与外部裂纹搭接,最终导致岩样完全失去承载能力。     

单轴压缩状态下含瓦斯煤岩力学特性试验研究

在设计的含瓦斯煤岩单轴压缩试验方案的基础上,利用MTS 815岩石力学试验系统实现了含瓦斯煤岩的单轴压缩力学试验研究.结果表明:设计的试验方案可以满足含瓦斯煤单轴压缩状态下的力学特性试验要求;其全应力应变曲线分段明显,仅压密阶段的出现不明显;瓦斯的存在增加了煤岩试件破坏的脆性;单轴压缩下,含瓦斯煤样的体积应变与应力关系曲线较为复杂,可分为3个阶段;根据试验研究结果,回归得出了含瓦斯煤样的损伤方程.     

沁南与鄂东原生结构煤岩压裂液滤失效应对比实验研究

本文选取沁南和鄂东煤矿大块原生结构煤岩,通过改进的滤失仪设备进行压裂滤失实验,实时观察滤失现象,测量滤失相关参数,定性与定量分析滤失效应。实验结果表明,在同等泵送压力条件下,煤岩滤失性能差异很大,沁南煤岩滤失要大于鄂东煤岩。对比煤岩的裂缝发育特征发现,煤岩的滤失很大程度上受煤岩节理裂隙发育特征的影响。煤储层作为裂隙性储层,在裂隙发育区,必须采取合理有效的手段降低滤失性能,为下一步煤层气勘探开发提供理论依据。     

煤高度对组合岩煤力学性质及冲击倾向性的影响

为揭示煤高度影响的煤和组合煤岩力学性质演化规律,通过开展煤和组合煤岩试样单轴压缩试验,从强度、弹性模量、破坏特征及能量累积等角度对2者异同性进行分析,厘清了煤高度影响的2类试样力学性质变化规律和能量累积耗散演化规律,提出了一种针对组合煤岩试样的冲击倾向性判定方法。结果表明:随煤高度增加,煤试样和组合煤岩试样的弹性模量趋于一个定值;煤试样的强度与试样高度无明显关系,组合试样的强度随煤高度增加而降低;煤试样的应力峰值变形量在0.5～1.5 mm,随试样高度降低破坏特征从脆性破坏向半脆性破坏转变;组合煤岩试样的应力峰值变形量在1～2 mm,破坏特征均为脆性破坏。2类试样的弹性能密度和应变能密度间有明确的线性关系,该关系不随组合试样中煤高度改变,也不随煤试样高度改变;组合试样中岩石的弹性能密度显著影响峰后煤样部分的破坏速度,由此可基于岩石弹性能密度变化判定组合煤岩冲击倾向性。该判定方法相比于传统"四指标"综合评价方法具有准确度高,操作简便,相关参数互相独立的特点。所得结果为进一步研究组合煤岩能量累积特征和冲击倾向性判定提供借鉴。     

工程温度下煤岩单轴力学特性研究及分析

利用自主研发的深部温度-压力耦合气体运移实验系统,对四川芙蓉白胶煤矿的煤样进行不同工程温度(20、25、30、35、40℃)下的单轴压缩试验,研究工程温度对深部煤岩物理力学性质的影响规律。结果发现,煤岩的单轴抗压强度和弹性模量随着温度的升高而降低,且温度越高力学参数下降梯度越大。根据不同温度下恒温阶段瓦斯逸出量变化趋势认为吸附瓦斯的解吸运移对影响煤岩力学性质有很重要的作用。     

不同加卸载下层理裂隙煤体的渗透特性研究

为获取不同载荷条件层理裂隙煤体渗透演化规律,采用煤岩渗透-力学试验系统,在加载、卸载过程中对含层理原煤试件进行渗透实验研究。实验结果表明:加载阶段,随着有效应力的增大,层理面间隙宽变小,渗透率降低,加载初期的渗透率急剧降低,当有效应力从1 MPa升高到7MPa时,渗透率下降近81%,随后渗透率的变化趋于平缓;卸载阶段,随着围压的不断卸除,受压的层理裂隙得以逐渐恢复,渗透率逐渐增大,但最终渗透率只恢复到初始值的14%,即加载过程煤体层理裂隙变形、闭合对裂隙面造成永久性的损伤,使得在卸载过程中难以恢复而造成渗透率损失;并结合实验条件建立了层理裂隙煤体渗透率与有效应力之间的理论模型,与实验结果对比分析,具有较好的吻合度。     

液氮冷冲击煤的作用范围及力学损伤机理

低温流体液氮对煤冷冲击的作用范围、煤内部因温差形成的热应力变化规律及其对煤形成损伤的力学作用机理,均是液氮在煤岩增透领域应用中亟待研究的关键问题。利用非接触式全场应变测量装置、红外温度场测量装置和热电偶温度测量装置,测得开放环境下液氮冷冲击煤样钻孔后,钻孔周边煤体温度场及应变场随冷冲击时间的变化规律。通过建立包含弹性模量、泊松比、热膨胀系数、测点温差及测点所在半径参数的热应力模型,设计实验测得模型各参数并代入其中求解,计算得到煤岩内部不同位置处的热应力及其随冷冲击距离和时间的变化规律,并针对3类不同变质程度煤的上述规律进行对比。研究结果表明,在液氮冷冲击过程中,3类煤样内部各测点处的温度均呈现出快速降低—缓慢降低—稳定的变化规律,各测点处的热应力均经历了快速增长—缓慢增长—无增长3个阶段。距离冷冲击钻孔越近,相邻测点间的温度相差越大,所产生的热应力越大。液氮冷冲击1 800 s后,3类煤样各测点处的热应力均基本达到稳定阶段,距离冷冲击钻孔1 cm处所产生的热应力均≥1.84 MPa。液氮冷冲击能够使煤内部产生4类变形进而对煤造成损伤,其中“因压致拉”所产生的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类变形及3者相互组...