瓦斯对煤冲击倾向性影响的试验研究

为研究瓦斯对煤冲击倾向性的影响,在不同瓦斯压力下测定了煤的冲击倾向性指标,分析了含瓦斯煤样在多级循环加载和单轴应变加载时能量积聚与耗散情况。研究结果表明:在孔隙瓦斯压力和吸附瓦斯共同作用下,煤样冲击倾向性指标由强向弱或由弱向无转变;瓦斯降低了煤样的强度,在多级循环过程中由损伤和塑性变形引起的耗散能增加,煤样储存弹性应变能的能力下降,完全破坏时煤样盈余能量减少,瓦斯弱化了煤的冲击特性;伴随瓦斯压力的增加,能量跌落系数逐渐变大,表明瓦斯致使煤样的破坏形式由脆性向脆塑性转变;基于瓦斯对煤的冲击倾向性和破坏形式的影响,在含瓦斯煤层冲击倾向性测定和冲击危险性评价过程中,应充分考虑瓦斯对煤层冲击特性的影响。     

水分对煤力学性能及冲击能量指数的影响研究北大核心

煤的破坏是能量驱动下的一种失稳现象,为探究水分对煤破坏过程中能量积聚与耗散的影响,开展了不同含水状态煤样的单轴压缩试验,并基于此对煤的力学性能及冲击能量指数进行分析。结果表明:随含水率的增加,煤样单轴抗压强度和弹性模量显著降低;煤样的初始压密阶段、塑性变形破坏阶段及峰后破坏阶段在全应力-应变过程中的占比均增大,线弹性阶段占比减小;煤样峰前积聚变形能减小,峰后损耗变形能升高,冲击能量指数降低;含水率增加使煤样由劈裂破坏转变为剪切破坏,在破坏时崩落的碎块粒径变大,碎块数量减少,破坏声响减弱;饱水状态下煤样较干燥状态煤样单轴抗压强度、冲击能量指数及冲击能量速度指数分别下降35.32%、86.07%、99.63%;采用煤层注水工艺能有效降低煤层冲击倾向性。     

瓦斯对冲击倾向性能量指标影响的数值模拟

为探究瓦斯对煤冲击倾向性能量指标的影响,基于含瓦斯煤的受力特点,建立含瓦斯煤样气-固耦合控制方程,并植入COMSOL数值模拟软件,开展瓦斯对弹性能量指数和冲击能量指数的影响研究。结果表明:伴随瓦斯压力的增加,煤样中塑性应变区域扩大,且塑性应变程度有所增加,煤样储存弹性应变能的能力下降;煤样变形破坏过程中消耗能量增加,煤样完全破坏后盈余能量减少,导致冲击能量指数和弹性能量指数降低;瓦斯弱化了煤的冲击倾向性,在含瓦斯煤层冲击倾向性鉴定和冲击危险性评价过程中应充分考虑瓦斯对煤冲击特性的影响。     

不同冲击倾向性煤样力学特性与能量演化规律研究

为了研究不同冲击倾向性煤样在循环载荷下的力学特征及能量演化规律,对强冲击倾向性煤样、弱冲击倾向性煤样和无冲击倾向性煤样进行系统分析,并提出了弹性能释放速率及计算方法,得到不同冲击倾向性煤样循环载荷下应力-应变曲线的特征、应变变化规律及耗散能和弹性能转化规律,给出不同冲击倾向性煤样破坏与能量演化关系.研究结论如下:无冲击...     

循环加载下冲击倾向性煤能量耗散与损伤演化研究

为研究强冲击倾向性煤在多级循环加载条件下的能量耗散特征及损伤演化过程,在实验室开展了陕西某矿煤样的多级循环加载试验,试验研究结果表明:在多级应力循环下煤样的耗散能先迅速降低,后缓慢增加,当循环上限应力达到63%破坏载荷时,耗散能开始急剧增加;而能量耗散率先迅速降低,后逐渐稳定;煤样加卸载阶段弹性模量均有增大趋势,加载阶段弹性模量先迅速增大,后缓慢增加,而卸载阶段弹性模量变化较为平稳。采用累积耗散能定义循环加载中试件的损伤变量,并建立煤样损伤演化方程,通过试验和数值计算测定各个参数。理论和试验研究表明,基于能量耗散分析建立的冲击倾向性煤损伤演化方程能够较好反映煤样的损伤演化过程。     

瓦斯压力对煤样冲击倾向性的影响试验研究

以深部高瓦斯矿井复合动力灾害为研究背景,以瓦斯压力对煤样的冲击倾向性的影响为研究目的,以RMT-150C型岩石力学试验机为载体,研发含瓦斯煤岩单轴压缩条件下受载变形破坏实验装置,并结合XL2101C程控静态电阻应变仪组成含瓦斯煤单轴压缩实验系统,进行含瓦斯煤的冲击倾向性指标测定试验。试验结果表明:煤样在充气过程和吸附瓦斯过程均存在扩容现象,煤样体积随瓦斯压力的增大而增加,吸附过程煤样体积变化分为两个阶段:加速变形阶段和平缓阶段;随着瓦斯压力从0增加到2 MPa,煤样的动态破坏时间增加547.64%,煤样的弹性能量指数、冲击能量指数和单轴抗压强度分别降低85.29%,96.24%和58.78%,综合评价结果为冲击倾向性降低。     

不同加载方式下强冲击倾向性煤声发射特征研究

为探究强冲击倾向性煤在多级循环加载下能量积聚与耗散形态、损伤演化过程,以充分辨识冲击倾向性煤破坏前兆,利用TAW-2000型电液私服试验机对强冲击倾向性煤样进行了多级应变循环加载和多级应力循环加载试验。试验表明:在多级应变和应力加载条件下,振铃计数率均呈现加载初期振铃计数较高,临近破坏时振铃计数急剧增加趋势;每级加卸载产生的能量耗散与损伤变量均呈现出先降低后增加的趋势;受加载方式的影响,应力加载条件下振铃计数更高,且在载荷转换阶段,煤样有明显声发射现象,煤样内部结构劣化较快,单循环损伤程度严重,煤样累计损伤增长更快;伴随循环级数的增加FR值逐渐降低,且呈现加速下降趋势;循环加载初期煤样变形处于压密和弹性变形阶段,损伤程度低,Kaiser效应显著,上一级循环载荷超过煤样峰值强度的60%后,煤样损伤加剧,在次级加载时Felicity效应显著。     

不同冲击倾向性煤单轴压缩下能量演化与损伤特征

为了研究不同冲击倾向性煤单轴压缩过程中的能量演化规律与损伤特征,基于实验室冲击倾向性等力学参数测试,通过颗粒流数值程序PFC2D获取能够较真实反映煤样宏观力学特性的细观参数,模拟分析了不同冲击倾向性煤单轴压缩下的能量演化规律与损伤特征。研究结果表明:不同冲击倾向性煤的能量演化规律相似,峰值强度前,边界做功主要转化为应变能,耗散能、滑动能与动能的占比则非常小;峰值强度后,应变能快速释放,耗散能、滑动能与动能开始迅速增长。随着冲击倾向性的增强,应变能释放与动能增长速率显著增大,提出应变能释放比率与动能增长比率2个指标,发现应变能释放比率、动能增长比率与冲击倾向性指标中的单轴抗压强度、冲击能量指数以及弹性能量指数具有很好的相关性,可采用该指标来辅助评判煤样的冲击倾向性。峰值强度前不同冲击倾向性煤样内部微裂纹演化规律近似,峰值强度点后微裂纹急剧增长,增速与冲击倾向性呈正相关关系。基于裂纹萌生与体积应变曲线的确定方法,得出煤的起裂应力水平主要分布在44.18%～51.67%,损伤应力水平在89.04%～93.86%。强冲击倾向性煤样的起裂应力水平与损伤应力水平均高于弱和无冲击倾向性煤样,起裂应力水平与损伤应力水平从细观损伤力学角度解释了强冲击倾向性煤样易积聚高弹性应变能并产生脆性冲击破坏的能力。     

预制钻孔煤样冲击倾向性及能量耗散规律

基于煤的冲击倾向性测定方法进行预制钻孔煤样单轴加载试验,研究钻孔煤样的冲击倾向性变化规律,引入破碎颗粒分形维数与新增表面积,分析钻孔煤样破碎过程中的能量耗散规律。结果表明:(1)钻孔使试样以剪切劈裂破坏形式转变为在孔洞两侧孕育、融合裂隙并在岩桥之间产生贯穿裂纹的破坏形式,同时伴随塌孔现象。随钻孔排数增多,钻孔试样呈现出应力峰前塑性损伤逐渐增大,峰值强度降低、积聚弹性能减少,峰后破坏耗时延长、耗能提升的趋势,且单轴抗压强度、冲击能量指数、弹性能量指数均逐渐降低,动态破坏时间显著升高,冲击倾向性逐渐减弱。(2)试样破碎颗粒分形维数与新增表面积具有良好的负相关性:试样破碎程度越低,分形维数越高,新增表面积越小。(3)试样应力峰前能量的输入、耗散与新增表面积无明显关系。峰后能量释放及耗散规律与破碎颗粒新增表面积变化规律一致,新增表面积越大则峰后耗能越多。受加载速率及钻孔布置影响峰后能量差值与新增表面积变化呈"U"形变化趋势。钻孔减缓了试样峰后能量释放与能量耗散速率,且二者降低幅值较为相近,单孔试样降低约17.0%,双孔试样降低约68.3%,三孔试样降低约70.8%。钻孔卸压可以降低峰前积聚的应...     

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。     

冲击倾向煤岩纵波波速与应力关系试验研究

为了弄清煤矿中冲击矿压现象的发生机理,在实验室单轴条件下对冲击倾向性煤岩样的应力与纵波波速耦合关系进行了研究,建立了两者关系的试验模型,并对模型参数进行了分析.研究结果表明:1)岩样纵波波速对应力的敏感程度要高于煤样,即随应力增加,纵波波速变化更快；2)冲击倾向煤岩试样在弹性阶段纵波波速变化梯度大,塑性阶段波速变化趋于平缓,它表明应力与纵波波速间具有幂函数关系,与实测值的相关系数计算说明,模型具有较高的拟合度,能准确描述应力与波速的变化关系,并服务于现场层析成像冲击危险性计算.     

“顶板-煤层”结构体冲击倾向性演化规律及力学特性试验研究

针对单纯以煤层或顶板岩层进行煤层冲击倾向性判定存在"低估"问题,以典型的冲击危险矿井为背景并结合煤层赋存的实际情况和冲击地压的显现特征,建立"顶板-煤层"结构体模型。通过对纯煤层、顶板岩层及2种不同高度比下的"顶板-煤层"结构体冲击倾向性试验和不同顶板强度、厚度、均质性及接触面角度的冲击倾向性数值试验,研究不同顶板特性对"顶板-煤层"结构体冲击倾向性的影响。研究发现,"顶板-煤层"结构体冲击倾向性高于纯煤层或岩层测定结果,更接近实际。随着顶板强度、厚度、均质性的增加,"顶板-煤层"结构体冲击倾向性增强,随接触面角度的增大,其单轴抗压强度降低,峰后塑性变形阶段越来越明显。在接触面角度一定的情况下,随着顶板岩体强度的增加,随"顶板-煤层"结构声发射累计释放能量减弱。随"顶板-煤层"结构体冲击倾向性的增强,其峰后声发射累积能量呈减小的趋势。     

不同煤试样冲击倾向性试验结果分析

基于5组不同产地煤样在RMT-150B岩石力学试验系统进行单轴加载、卸载压缩试验.分析结果表明：煤样的弹性变形指标K_E与弹性能量指标W_E之间线性相关;采用冲击能量指标W_N作为煤层冲击倾向性的判别是一种过高的估计,而有效冲击能W_Y能够较好地反映出煤样在压缩变形破坏过程吸收和释放能量的关系,作为煤层冲击倾向性的判别比较合理;动态破坏时间t_D相差悬殊,与其他冲击倾向性判定指标相关性不明显,以t_D作为煤的冲击性判定指标需要谨慎.     

冲击矿压危险的电磁-震动耦合评价

冲击矿压危险性评价与预警中,单纯使用电磁辐射强度值大小或微震能量值都具有一定的局限性。为此,在分析冲击矿压发生的力学环境与能量过程的基础上,提出电磁-震动耦合预警方法,建立评价方法体系,结合具体冲击矿压矿井监测结果,研究冲击矿压前兆规律。结果表明:在冲击矿压发生前,电磁辐射值高出正常值,微震活动表现出能量存在明显的沉寂期,次数却呈上升趋势的规律,利用电磁-震动耦合的静态叠加评价和动态评价与现场冲击前兆具有较高的一致性;而当电磁辐射强度值较高,但是微震活动处于稳定的能量释放状态时,叠加后的综合冲击危险性降低,不会出现冲击矿压危险。     

深部矿井冲击地压、瓦斯突出复合灾害发生机理

为了探索深部矿井冲击地压、瓦斯突出复合灾害机理,为复合灾害的有效监测与防治提供理论基础,通过试验研究和理论研究相结合的研究方法,研究了瓦斯对煤岩体力学性质和冲击倾向性的影响,建立了圆形巷道冲击地压、瓦斯突出复合灾害模型并进行了解析分析,探讨了冲击地压和煤与瓦斯突出的诱导转化机理。结果表明:随着瓦斯压力的增大,煤岩体强度降低,弹性模量减小,峰值应变减小,冲击倾向性降低;煤岩体应力存在一个临界值,当煤岩体应力超过临界煤岩体应力时,系统失稳发生冲击地压、瓦斯突出复合灾害;冲击地压、瓦斯突出复合灾害的临界煤岩体应力随瓦斯压力的增加而减小,随煤岩体强度的增大而增大,随冲击倾向性的增大呈现先减小后增大的趋势;冲击地压诱导瓦斯突出多发生在煤岩体中存在含气封闭断层等储气构造或煤层底板含有高弹性模量岩层(夹层)等情况,瓦斯突出诱导冲击地压多发生在软硬煤相间、相互包裹的煤层或突出过程中破碎煤岩体的抛出形成较大的空顶面积等情况。     

湖西矿800m深井冲击倾向性试验及防治对策研究

冲击地压是一种特殊的矿山动力现象,而冲击倾向性是煤岩体发生冲击地压的内在因素和必要条件。本文对湖西矿主采煤层进行了煤岩冲击倾向性试验研究,对冲击能量指数、弹性能量指数和动态破坏时间三个煤层冲击能量指标,以及弯曲能量指数的岩层冲击能量指标进行了试验和分析,获得该矿深部煤岩冲击倾向性评判结果,在此研究基础上,提出了湖西煤矿未来深部开采时冲击灾害防治对策。     

煤层冲击倾向性与危险性评价指标研究

针对冲击倾向性指标不能完全反映实际煤层冲击危险程度的问题,提出了考虑时间效应的冲击能量速度指标、临界软化区域系数、临界应力系数3项新的指标,并与动态破坏时间、弹性能指数、冲击能指数和单轴抗压强度等4项传统的冲击倾向性指标结合,用于判断与评估煤层冲击危险性。煤样试验表明,其一定程度上解决了冲击倾向性判别结果误差大、离散性等难题,提高了煤层冲击危险性评判的精确性与可靠性。