层理对煤岩动态裂纹扩展分形特征的影响

对于煤岩类材料在不同应变速率下的裂纹扩展行为研究为采矿工程实践提供了重要的理论参考,然而该类研究难度较大。为了研究含层理结构各向异性煤样在冲击载荷下的裂纹扩展行为及发育机制,采用霍普金森加载装置对直切槽半圆形煤样进行冲击条件下的断裂特性测试,并采用高速摄像机对冲击过程中裂纹扩展发育特征进行拍摄。利用Matlab和Image J等图像处理软件,进一步分析了层理和加载速率对煤中动态裂纹扩展分形特征的影响。研究表明:层理结构对煤中动态裂纹扩展路径及速度均具有重要影响,45°层理煤样分形裂纹扩展速度最大,而层理倾角为0°煤样的分形裂纹扩展速度最小;层理倾角对裂纹扩展路径的分形维数也具有显著影响,45°时煤样中裂纹扩展路径分维值最大,其次为层理角度22.5°和67.5°,0°和90°最小;同一裂纹的速度峰值和加速度峰值交替出现,且加速度峰值出现在速度峰值之前,裂纹扩展的驱动力可由加速度指标间接表示。考虑瞬时效应和分形特征的若干煤样裂纹扩展速度测试值与瑞利波速接近,且22.5°,45.0°和67.5°层理角度的煤样测试时易出现最高峰值。该试验结果与先前理论假设相吻合,因此获取含结构面煤岩类材料动态...     

基于压汞法的煤岩各段孔隙的分形特征

采用压汞法对大同和屯留煤样进行微结构测试。根据煤岩孔隙不同半径范围内累积孔隙体积分数所占的比例大小对孔隙进行了大小分类。结合孔隙结构分形维数计算原理,通过线性回归计算了各类孔隙的分形维数。结果表明用分段回归方法计算煤中不同孔隙的分形维数能较好地反映复杂的孔隙结构。小孔分维数较小,中孔和大孔分维数较大,说明中孔和大孔孔隙结构很不均匀,煤岩孔隙在这个阶段的分布离散性较大。     

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。     

煤岩破断与瓦斯运移耦合作用机理的试验研究

利用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置及煤与瓦斯突出模拟试验台,对煤岩破断与瓦斯运移耦合作用机理进行了试验分析。研究结果表明：瓦斯运移改变了煤体的力学性质,即降低了含瓦斯煤的强度,加速了其破断进程;在相同围压条件下,瓦斯压力越大,则含瓦斯煤三轴压缩破断程度越高,瓦斯运移通道越多,瓦斯渗流流量则越大;垂直地应力越大,即瓦斯运移越困难的条件下,煤与瓦斯突出强度越大,突出过程中温度下降幅度越大,表明垂直应力越大,煤体破断程度越高,其内部瓦斯解吸量越大,释放出来的能量越多。     

不同冲击比能下煤岩颗粒破碎的分形演化

为研究不同冲击比能对矿岩粒度分布的影响,根据分形理论建立了粒度分形维数与冲击比能的理论模型。利用落重试验机对无烟煤和矸石进行不同冲击比能下破碎试验,结果表明:冲击比能对无烟煤和矸石破碎粒度分布规律影响较小,G-S分布可以很好的表征不同冲击比能下无烟煤和矸石的累积分布规律;粒度分形维数随着冲击比能的增加呈对数增长。通过试验和其他学者的试验数据验证该理论模型的正确性。     

单轴压缩煤岩裂纹开裂扩展演化特性实验研究

通过对煤岩进行单轴压缩实验,借助声发射和数字图像处理技术,对单轴压缩条件下煤岩的裂纹开裂扩展特性进行系统研究。研究结果表明:煤岩破裂过程中裂纹扩展具有阶段性的特征,其演化特征和载荷、声发射的阶段性变化有良好的同步性;煤岩破裂过程中裂纹由内向外扩展,峰值应力前,内部损伤累积到一定程度,岩石内部裂纹萌生,并逐步向岩石表面扩展;煤岩最终破坏时出现的多条宏观裂纹在变形过程中开裂扩展趋势基本一致,裂纹形状相似;煤岩微观破裂与宏观断裂之间存在一定的联系,在煤岩处于相对稳定状态时,主要产生以剪切破坏为主的裂纹,在煤岩产生小尺度破坏和宏观可见破裂时,主要产生以张拉破坏为主的裂纹。实验结果揭示了煤岩变形破坏规律,对于煤岩破裂机制研究具有一定的理论意义。     

割理对煤岩加载过程能量演化特征影响数值模拟

能量是导致岩样破坏的本质因素,割理发育是煤岩的显著特征,为分析割理对煤岩加载过程能量演化特征的影响,使用RFPA软件对不同割理数量、不同割理密度及不同割理角度3类二维数值模型开展单轴压缩数值模拟试验,使用MATLAB软件计算了数值模型的分形维数用以表征割理结构复杂性,分析了割理数量、割理密度及割理角度对能量应变曲线及破坏点能量的影响,探讨了割理结构复杂性对煤岩能量演化特征的影响。研究表明:以弹性能曲线从"下凹"变为"上凸"的"拐点"为1个分界点,以应力曲线及弹性能曲线的最高点(即试样破坏位置)为另外1个分界点,可将整个加载过程可分为能量聚集、能量耗散与能量释放3个阶段;无论割理在煤岩内部的分布均匀与否,随着试样内部割理总量增多,总能量曲线及弹性能曲线随着加载过程进行而上升的速度越慢,耗散能随轴向应变增大而增大的速度相近,外力只需对试样做功较少即可使得试样破坏,岩石弹性变形所具有势能降低,但用于破坏试样内部结构、产热以及岩石发生运动所消耗的能量基本保持不变;割理角度为0°和90°两种情况下总能量和弹性能随着轴向应变增大而增大的速度最快,60°时总能量和弹性能增大速度最慢,不同割理角度情况下耗散能增大速率无显著规律;随着割理角度逐渐增大,样品总能量及弹性能均先降低后升高,呈现为近似的"U"字型,耗散能先基本保持不变,而后出现小幅增大;总能量及弹性能随着割理结构复杂性增强而减小,耗散能随割理结构复杂性的变化无显著变化;煤岩内割理角度的对其压缩过程能量存储影响最大,割理集中分布对压缩过程能量存储的影响较割理均匀分布显著。     

岩石粗糙节理剪切强度的分形分析

以分形维数定量描述岩石节理面粗糙性,通过剪切实验分析研究节理剪切强度、法向应力和节理面分维的相互关系,建立了能够体现节理粗糙性和节理剪胀效应的节理剪切强度表达式,提出了适用于粗糙节理岩体的库仑强度的修正公式,为更深入、更准确地研究岩石节理剪切强度和岩体结构稳定性提供了新的方法。     

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。     

不同加载路径含瓦斯煤岩损伤演化分析

受载含瓦斯煤岩从屈服变形到失稳破坏后的损伤演化规律与加载应力路径有关,并对煤与瓦斯突出的发生有着一定影响。依据能量守恒理论,分析推导了含瓦斯煤岩从加载到失稳破坏全过程的损伤因子表达式,对常规三轴加载和分段变速加载应力路径下含瓦斯煤岩在全应力应变过程中的损伤因子演化规律进行了计算分析。结果表明：不同加载应力路径下,线弹性阶段受载含瓦斯煤岩的损伤因子等于0,塑性变形阶段损伤因子开始快速增加,应力跌落阶段煤岩损伤因子急剧增长,进入残余强度阶段后,煤岩损伤因子增长率大幅减缓。瓦斯压力增大对煤岩的损伤发育有促进作用,围压增大对煤岩的损伤发育有抑制作用。与常规三轴加载相比,分段变速加载条件下含瓦斯煤岩失稳破坏瞬间的临界损伤因子及进入残余强度时的损伤因子整体上更大。     

煤截割粒度分布规律的分形特征

为寻找煤粒度的分布规律,根据分形理论建立了煤粒度分布的分形表达式,以此为基础,在不同截割条件下进行试验研究,并与威布尔分布作比较,寻找煤破碎特性指数、破碎程度参数、分形维数与影响参数的关系.试验分为3部分：首先,对不同结构参数的截齿、滚筒进行截割试验,根据试验结果对比2种分布函数对煤粒度分布表达的合适性,并对参数间的关系进行探讨;其次,对不同抗压强度(1.43,1.97,2.48 MPa)的模拟煤进行截割试验,寻找2种分布函数与煤抗压强度的关系;最后,通过变化截割运动参数,研究切屑厚度对煤粒度分布的影响及各参数与切屑厚度的关系.研究结果表明：威布尔分布、分形分布均可表示煤粒度的分布规律,但威布尔分布中的煤破碎特性指数、破碎程度参数不能正确反应煤的破碎程度以及与各截割参数间的关系;而分形分布的分形维数可以正确表达煤的破碎程度,并与煤抗压强度、切屑厚度呈线性关系.     

煤粉的分形特征及其对水煤浆级配的影响

为进一步研究分形理论与煤粉粒度级配的相关性,运用分形理论分析了张家峁煤矿水煤浆厂不同粒度煤粉的粒径分布特性,利用激光粒度分析仪测试不同中位径煤粉的粒径分布曲线,通过作图计算发现lnyV(r)-lnr有很好的线性关系,呈现分形特征,分形维数在2.3以下。对水煤浆级配的两种经典模型Alfred模型、Rosin-Rammler模型进行分形分析,分形维数在2.5以上。将中位径为6μm的煤粉样品分别与中位径29μm和90μm的煤粉等比例级配,其结果分形维数也都在2.5以上,高于未级配煤粉分形维数,因此分形维数是级配的特征参数。级配过程提高了煤粉的分形维数,通过测定煤粉的分形维数可评判级配的好坏,以及粒度分布是否接近理论模型。     

煤粉颗粒粒度分形分析

采用英国Malvem公司的MAM5004型激光粒度分析仪测定了合山、晋城各4种不同粒径煤样的粒度分布．采用美国LECO公司的MAC-500型工业分析仪分别测得各煤样的固定碳及挥发分含量．根据实验数据研究了煤粉颗粒的分形特征及其煤粉粒度分布分形维数与其固定碳及挥发分含量的关系，提出了基于考虑能量、环境、安全的煤粉燃烧锅炉的煤粉经济细度新概念．煤粉的分形维数可以反映煤粉的物理结构特性，并提供反映煤粉燃烧特性与炉内的燃烧状况的信息．煤粉颗粒的分形维数愈大，细度愈小，愈均匀，煤粉燃烧性能愈好，超细化煤粉燃烧技术是一种极具潜力的煤粉洁净高效燃烧新技术．     

煤岩受载损伤演化电位特征实验研究

通过分析煤岩破坏过程电位响应特征,并根据电位与变形破坏之间的关系,建立了煤岩损伤破坏与电位信号的耦合关系。研究表明：煤岩在受载破坏过程中电位信号与破裂损伤有较好对应关系。在受载前期,煤岩损伤变形较少,微破裂发育较为缓慢,产生的电位信号较少,较为稳定。受载后期,煤岩损伤破坏不断加剧,电位信号不断增加。当载荷突变时,煤岩破坏显著,电位信号出现相应的突变。试样破裂越强烈,电位突变越显著。基于统计损伤理论,建立了煤岩损伤破坏与电位信号的耦合关系,推导出不同损伤阶段基于电位累积量的“应力-应变”的理论曲线,并对计算应力与实测应力进行相关性分析,得到平均相关系数为0.623 7,呈显著相关,与实测值具有很好的对应性,且理论值具有前兆规律。电位响应特征的变化能够反映煤岩损伤的演化过程,为煤岩失稳破坏提供一种探测方法。     

外部荷载作用下混凝土构件表面裂缝发展的分形特性研究

通过混凝土四点弯曲梁的物理实验，验证了混凝土梁表面裂缝具有明显的统计意义上的分形特性，表明了采用分形手段研究混凝土表面裂缝的可行性。采用分形手段来研究混凝土构件表面裂缝的发展情况，并得出了梁表面裂缝的分形维数与梁跨中挠度存在明确的定量关系。将分形理论应用于描述混凝土裂缝的发展情况，为混凝土结构的设计和维护提供了理论依据。     

采动裂隙网络实时演化及连通性特征

以平顶山煤业集团八矿己15-14120采煤工作面为试验基地,借助改进后的本质安全型钻孔裂隙窥视仪,实时采集采煤工作面前方煤岩体裂隙网络随工作面推进的演化过程。结合分形几何理论与裂隙岩体连通率投影算法,揭示了采动影响下,工作面前方裂隙网络演化分形特征及连通率变化规律。结果表明：采动对平煤八矿己15-14120采煤工作面上覆岩层裂隙网络沿开采方向的影响范围约为50 m;随着工作面不断接近试验测点,煤岩体采动裂隙网络分形维数总体呈上升趋势,并与矿压分布有较好的对应关系;同时,煤岩体连通率随采煤工作面推进上升趋势明显,可依次分为线性缓慢增长阶段、指数增长阶段及平稳阶段。     

Fractal characteristics of electric properties of coal

In the light of fractal geometry theory, the characteristics of coal＇s electric parameters （including dielectric constant, alternating conductivity, dielectric loss angle tangent and electric polarization constant） were studied by using literature data. The results are shown that the electrical properties of coal have fractal characteristic. The fractal dimensions of dielectric, alternating conductivity, dielectric loss angle tangent were obtained, and are relative to the content of pyrite sulfur, heat and ash content of coal.     

刘桥矿区4、6煤层顶板岩体质量分形评价

该文通过对皖北刘桥矿区4、6煤层顶板部分钻孔岩芯裂隙统计,基于岩石质量指标并不能很好反映沿钻孔裂隙间距(结构面密度)的变化、块度的大小以及对小于10cm薄弱带的信息反映不够,该文运用分形理论的方法对刘桥矿区4、6煤层顶板岩体质量进行了定量评价。结果表明,分维值能够较好地反映煤层顶板的岩体质量。     

中梁山南矿构造煤吸附孔分形特征

采集华蓥山煤田中梁山南矿9个有代表性的煤层样品进行低温氮吸附实验,分析构造煤吸附孔分形特征及分形维数与气体吸附能力的关系。低温氮吸附、解吸曲线表明不同变形序列构造煤在相对压力0.5~1.0范围内吸附特征各异。在此基础上,运用分形FHH方法得到构造煤分形维数D。研究表明：分形维数D可以表征构造煤吸附孔孔径结构和孔表面的变化关系;分形维数越高,微孔含量越多,孔表面越不规则,孔隙结构非均质性愈强;分形维数大小可反映煤的吸附能力,分形维数增高,吸附能力增强。因此,由构造变形增强引起的高分形维数和复杂的孔隙结构显示出更高的吸附能力。     

近距离煤层群围岩碎裂特征与裂隙分布关系

六家煤矿近距离煤层群裂隙网络发育,为了防止顶板及层内裂隙导水、邻空面瓦斯超限与煤体自然发火等隐患,基于分形理论,以巴西劈裂试验和现场窥视统计试验为研究手段,探讨了岩体碎裂尺度及均匀度对裂隙分形特征的影响。研究表明：劈裂块度分维值越接近2,则破裂后碎块尺度越均匀,表现为存在一条主裂隙将试样大致均分且裂隙面较平整;劈裂块度分维值与2相差越大,碎块尺度差距越悬殊,裂隙面越粗糙。劈裂块度分维值与裂隙分维值之间符合抛物线分布,劈裂块度分维值越接近2,则裂隙分维值越大,表明劈裂块体尺度越接近,岩层内裂隙条数越少、裂隙环越平整且与层面夹角越小;劈裂块度分维值与2相差越大,则裂隙分维值越小,表明劈裂块体尺度相差越悬殊,裂隙条数越多、裂隙面越粗糙且裂隙方位无规律。裂隙分布规律与劈裂碎块尺度大小无关,与碎块尺度均匀性密切相关。