构造煤受载破坏过程电阻率响应的方向性差异特征

开展了配比软煤正方体试样的单轴压缩试验,分析了构造煤受载破坏过程的应力应变特征,得到不同方向上煤体的电阻率响应特征。结果表明:试样从加载到破坏分为4个阶段,依次为压密阶段、弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段;煤体受载过程中,煤体呈现劈裂破坏形态,裂纹从试样底部向上方扩展,部分裂纹贯穿试样的上下表面;试样在竖直方向和水平方向上的电阻率响应特征呈现明显的差异性,竖直方向上试块的电阻率呈现先减小后增大的趋势,而水平方向上试块的电阻率呈现缓慢增大、快速增大和急剧增大3个阶段;试块发生破坏后,竖直方向的电阻率变化远不如水平方向电阻率的变化幅度大,而且水平方向电阻率呈现持续增大的特征。     

单轴压缩煤体电阻率变化各向异性实验研究

为了研究单轴压缩过程中煤体电阻率变化各向异性特征,分别以0°、30°、60°、90°的取样角度取鲍店气煤做成ф50 mm×100 mm的标准试样,进行电阻率测试,分析总结了鲍店煤样的电阻率变化与各向异性的关系。实验结果表明:鲍店气煤煤样属于离子导电型煤样,电阻率具有明显的各向异性特征,不加载时,离子导电型煤样电阻率随着取样角度增大呈现增大的情况,鲍店气煤煤样垂直层理方向的电阻率小于平行层理方向的电阻率;加载过程中煤样电阻率随着加载而增大,达到峰值强度时煤样破裂,电阻率突降。取样角度β为0°、30°、60°时增长模式为线性增长,取样角度为90°时,电阻率在加载过程中表现为斜"S"曲线增长模式。     

受载煤体水力压裂复电参数实验研究

为研究单轴受载煤体压裂后煤体复电阻参数变化关系,在实验室搭建受载煤体的水力压裂变频复电阻率测试平台进行实验,对受载煤体进行压裂前后复电性测试。运用电介质极化理论和激发极化理论,分析煤的水力压裂复电阻率频散机理。结果表明,压裂前煤体复电阻率实部、虚部均随频率变化而变化;复电阻实部整体呈现“三段式”趋势,虚部呈“U”型,趋势略有不同;煤体电容随着频率的增大而减小。压裂后复电阻率虚部呈现“阶梯状”,实部呈现“持续下降”的趋势,不论压裂前还是压裂后,煤体电容都随着频率的增大而减小;压裂后的煤体在含水状态下其虚部呈现“单边上升”,其物理机制是空间电荷积聚效应产生的。     

煤体电阻率受压变化规律实验研究

通过对煤样进行单轴压缩电阻率测试实验,对比分析了不同硬度煤样的电阻率变化特性,阐述了煤样电阻率的各向异性特征,以及煤样在循环受载情况下电阻率与应力变化的关系。     

受载煤体全应力-应变过程电阻率响应规律

为了研究煤体变形破坏过程电阻率变化特征,利用自建的受载煤体电阻率实时测试系统,对单轴压缩过程煤体应力、应变及电阻率进行了测试,分析了全应力-应变不同阶段煤体电阻率响应规律及变化机制。研究结果表明:煤体全应力-应变过程中,扩容现象发生时电阻率变化趋势出现突变,由下降转为上升,呈不规则"V"字形变化;在扩容发生前的压密阶段和弹性阶段,电阻率的变化由孔隙裂隙的闭合及应力作用决定,扩容的发生使得煤体在塑性阶段电阻率总是呈上升趋势,煤体进入破坏阶段后电阻率进一步上升。通过对煤体电阻率进行连续实时监测,可将电阻率变化规律作为前兆信息,以反映煤体失稳破坏前的扩容突变现象。     

含瓦斯煤体单轴压缩电阻率变化规律实验研究

建立了含瓦斯煤体单轴压缩电阻率实时测试系统,测试并对比分析了含瓦斯煤体和不含瓦斯煤体在单轴压缩过程中的电阻率变化,并对瓦斯对电阻率变化的影响机制进行了探讨。研究结果表明:2种实验条件下煤体电阻率均呈现先减小后增大的变化规律;电阻率减小阶段,游离态瓦斯对电阻率的减小有延缓阻碍作用,即电阻率随加载应力的增大呈持续平缓减小趋势,未出现不含瓦斯煤体实验中出现的突降现象;电阻率增大阶段,游离态瓦斯对电阻率的增大有促进作用,即电阻率"拐点"处所对应的加载应力水平较之不含瓦斯煤体更小;煤体发生破裂之后,电阻率增长幅度普遍小于不含瓦斯煤体。     

受载煤体微电流效应及煤岩动力灾害预警应用展望

利用建立的受载煤体微电流测试系统,开展不同加载条件下煤样微电流测试试验,研究揭示煤体受载变形微电流效应,分析煤体受载变形过程微电流响应特征,研究微电流与煤体力学行为间的定量关系,提出微电流法预测煤岩动力灾害的原理,结合现场实践结果,对微电流技术的应用前景进行展望。结果表明,煤体受载变形能够产生微电流,微电流变化与应力变化具有较好的一致性,微电流与煤体力学行为(应力、应变、应变率等)紧密相关,在压密阶段和塑性变形阶段,微电流随应变率增加而增加,在弹性变形阶段随应力和应变线性增加;煤体在扰动载荷下能够产生随应力周期性变化的微电流,即脉动直流电,其变化与应力变化一致。微电流对煤体破坏具有较好的前兆响应,微电流在加速增加过程(塑性变形阶段)中的异常波动可作为煤体渐进性破坏的前兆特征,微电流在衰减过程中的脉冲式波动可作为煤体蠕变破坏的前兆特征。煤体受载微电流效应及现场应力梯度的存在,是矿井微电流测试的重要基础;微电流与煤体力学行为间的紧密相关性,是利用微电流技术观测煤岩体应力的重要前提;微电流对煤体破坏具有明显的前兆响应,是利用微电流技术预测预报煤岩动力灾害的重要保障。微电流技术具有响应灵敏度高...     

受载含瓦斯煤渗透性影响因素分析

为了探讨受载含瓦斯煤体渗透性的影响因素,利用自主研制的含瓦斯煤热-流-固-力耦合实验装置,研究了不同有效应力、不同孔隙压力和不同温度条件下煤样瓦斯渗透特性,在考虑吸附变形量、孔隙气体压缩量和温度膨胀变化量的基础上,分别建立了受载煤体渗透性与有效应力、孔隙压力和温度之间的定性定量关系。研究结果表明:1)在温度一定情况下,煤样渗透率随有效应力的增大而呈现负指数变化关系;2)将围压轴压固定,在考虑Klinkenberg效应情况下,煤样渗透率与孔隙压力呈现"V"字型变化关系,并根据实验结果,得到了围压为2.0,3.0 MPa条件下Klinkenberg效应发生的孔隙压力临界值;3)不同温度条件下,有效应力与渗透率并非单调函数,而存在一个转折点,在低应力区,渗透率随温度升高而增大,表现为以向外膨胀为主导;在高应力区,透率随温度升高而降低,表现为以内膨胀为主导;根据实验结果,提出了应力与温度共同影响下的渗透率计算式。     

气体围压条件下煤体单轴压缩破坏的电位特征研究

为了研究煤体在单轴加载情况下瓦斯环境对煤体电位的影响效应,搭建了氮气围压条件下煤体单轴压缩破坏观察监测系统,测试了不同围压条件下煤体单轴加载的电位变化情况,探讨了煤体加载破坏和瓦斯对电位的影响机理。实验结果表明,煤体在围压条件下加载破坏能够产生电位信号,且电位信号与应力和气体压力的变化趋势具有一定的关联性;对于同一类型煤样,随着充入氮气压力的增加,煤体应力结构改变,在煤体主破裂发生前电位信号波动幅度增加0.2 m V左右,振幅突变明显增大,电位差值从0 m V增大至2 m V左右;在煤体主破裂发生时,电位信号明显增大。     

煤样单轴压缩破坏红外温度临界慢化前兆研究

为研究煤样受载破坏过程中有效前兆信息,开展了煤样单轴压缩加载试验,分析了在相同加载方式下煤样红外辐射温度变化特征,运用临界慢化理论对煤样最高红外辐射温度进行处理,比较了最高红外辐射温度的方差和自相关系数,分析了方差、最高红外辐射温度以及载荷在时间上的变化特征。结果表明:煤样在受载前期和中期最高和平均红外温度变化趋势基本保持一致,受载后期最高红外温度在煤样损伤点处呈上升趋势,主破裂发生时,最高红外辐射温度急剧上升,而平均红外温度在主破裂时并未表现出明显变化;方差和自相关系数均受窗口长度和滞后步长的影响,但方差曲线受窗口长度影响较大;对比红外降温前兆点和红外升温突增点,方差对煤样失稳破坏的预测更加的精准。     

煤矿井下探测中影响不含水断层视电阻率变化的单一主控因素分析

选取晋城矿区典型3号无烟煤试样,在实验室进行单轴加载条件下的电阻率测试实验,并开展矿井瞬变电磁法探测不含水断层现场试验,研究了不含水断层的视电阻率变化特征。结果表明:煤样加载全过程,经过压密阶段、弹性变形阶段、塑性变形阶段、峰值后破裂阶段、残余变形阶段5个阶段;煤样应力应变曲线表现为由低到高再到低的特征,煤样电阻率曲线表现为由高到低再到高的特征;加载过程中,压密阶段、弹性变形阶段应力越大电阻率越小,应力为影响电阻率变化的主控因素;塑性变形阶段,电阻率先减小后增大,应力和裂隙共同影响电阻率变化,由应力为主要因素逐渐转变到裂隙为主要因素;峰值后破裂阶段和残余变形阶段电阻率急速增大,裂隙为影响电阻率变化的主控因素;通过瞬变电磁法探测不含水断层试验,发现不含水断层导致视电阻率明显升高,表明裂隙为影响断层视电阻率单一变化的主要因素。     

大尺寸节理煤体单轴压缩力学行为的离散元模拟研究

为研究结构面对节理煤体单轴压缩力学行为的影响,首先基于结构面实测与参数标定试验构建合成煤体模型,然后分别针对REV尺寸煤块与煤体进行不同加载方位的单轴压缩数值试验,分析结构面对节理煤体力学行为的影响机制以及裂隙的形成机制。结果表明:① 所构建的合成煤体模型可表征研究煤体,其REV为1.0 m×1.0 m×2.0 m;② 结构面弱化煤体单轴抗压强度与弹性模量,增大煤体单轴压缩变形,弱化/增强程度取决于加载方位与结构面的方位关系;③ 结构面决定煤体单轴压缩破坏方式,煤体表现为平行加载方向的劈裂破坏,加载方位不同劈裂形态不同;④ 提出了可量化评价基质破坏与结构面活化对节理岩体破坏贡献程度的指标:基质破坏贡献比和结构面活化贡献比;⑤ 平行加载方向的结构面在加载力作用下激活为活化原生裂隙,并在其端部发育出翼裂纹,形成压致拉裂裂隙组合。对于包含非贯穿结构面的煤体,裂隙组合彼此连通形成劈裂裂隙;对于包含贯穿结构面的煤体,贯穿的活化原生裂隙直接形成劈裂裂隙。     

煤与瓦斯共采覆岩应力及渗透耦合特性实验研究

为探索煤层开采过程中上覆岩体应力与其渗透性相互耦合特性,开展了煤与瓦斯共采相似模拟实验研究。采用柔性加载方式以及平面应变模型,模拟随工作面推进上覆围岩应力及渗透性的变化规律。结果表明：受采动影响,上覆围岩应力与渗透率变化呈现一定的分区特征。具体表现为,随采面推进,煤柱后方应力集中区域向远离采空区转移,应力集中系数降低,渗透率与压应力分布呈正相关关系;远离采空区向高位延伸方向,应力降低幅度有递减趋势,有明显应力拱向高位及广度扩展特征,当达到充分采动时,此特征趋于减弱;提出覆岩渗透规律具有“拱上梁”的假设特征,即在拱顶位置,渗透率有不升反降趋势。     

单轴压缩破坏下分层型煤电阻率响应分析

地层电阻率是地球物理勘探考察的重要参数,不同结构煤体受载破坏过程中电阻率变化特征存在差异。建立受载煤样电阻实时测试实验系统,对所压制未分层及不同厚度、不同强度的2分层型煤试样进行了单轴压缩实验,得出试样破坏过程的力学强度及电阻率变化规律,研究分层界面影响下不同结构型煤的电阻率响应特征。实验结果表明:型煤单轴压缩破坏下的电阻率呈现阶段性变化,未分层试样在压密后存在“U”型变化过程,最低点接近试样应力应变曲线屈服点;不同强度分层试样破坏过程中电阻率曲线先增加后呈现“U”型,破坏后电阻率为初始状态的2~4倍;不同厚度分层试样破坏过程中电阻率表现为先增后减,两分层厚度差异大的试样厚分层破坏更为剧烈,整体表现出的宏观电阻率值更大。分层试样弹性模量及抗压强度均较未分层试样小,峰值应力处的电阻率变化率为1~2,未分层试样则小于0.5;试样两分层厚度及强度越接近,压缩破坏产生的剥离部分越均匀,更容易产生区域“串-并联”现象,破坏后电阻率变化率越大。煤样本身或分层面空隙骨架的挤压破碎会导致煤层电阻率的增加。分层型煤试样破坏后表现出表面剥离,裂隙均匀连通的破坏形式,根据型煤受载破坏过程得出试样存在“纵向裂隙”和“纵向+横向裂隙”影响下电阻率变化数学模型。两分层及贯通界面的裂隙使试样呈“串-并联”形式连通电路,试样整体电阻率与裂隙电阻率及裂隙体积占比呈正相关。对分层型煤单轴压缩规律的描述反映了部分煤矿区地层物探过程中的电学各向异性特征。     

含瓦斯煤体破裂过程围压效应研究

为了研究围压对淮北矿区含瓦斯煤体力学性质的影响,对含瓦斯煤体进行了三轴试验分析,并利用岩石破裂过程分析(RFPA2D-Flow)系统,模拟3种不同围压下含瓦斯煤体强度、变形和破坏的情况。研究表明:煤体极限抗压强度、残余强度和弹性模量随围压的增大而增大;煤体的残余变形和试验的围压及自身的强度有关,围压越大,残余变形就越小;加载过程中,含瓦斯煤体从弹性变形阶段逐渐软化,而后软化减弱表现出一定塑性特征;随着围压的不断变化,含瓦斯煤体的破裂形式也随之变化,含瓦斯煤体的宏观破裂面与最大主应力方向的夹角随围压增加而逐渐增大。     

地面-巷道直流电阻率法探测技术

针对目前直流电阻率法在巷道及工作面周围隐蔽致灾源精细探测方面不足这一现状,结合地面和矿井直流电法工作特点,提出在地面布设场源,巷道内进行接收的地面-巷道直流电阻率法探测技术。在对地面-巷道直流电阻率法基本原理和观测系统设计原则介绍的基础上,分析了偶极源电场及不同深度归一化电位差曲线分布特征。根据煤系地层典型地质构造地电特征建立数值模型,计算结果表明：地面-巷道相比于地面和矿井直流电阻率法具有更高的探测精度,且以对低阻异常体探测效果最为明显;提出采用调节偶极距观测异常幅值变化规律快速确定隐蔽致灾源空间位置的方法。实际应用效果表明,地面-巷道直流电阻率法可有效解决巷道及工作面周围隐蔽致灾源全方位探测难题,指出其场源与观测系统相分离的布测方式在矿井、交通、水利等工程地质灾害预测、预报方面应用前景广阔。     

基于声发射时频特征的不同含水煤样冲击倾向试验研究

为探究含水煤样冲击倾向指标与其声发射时频特征的关联性。采用物理试验和信号处理分析方法,以河南耿村煤矿7609工作面煤样为研究对象,考虑饱水、自然含水和烘干24 h三种含水条件,深入研究不同含水煤样冲击倾向的变化规律;建立不同含水率煤样冲击倾向与其声发射时频信号的对应关系。结果表明:煤样加载破坏过程监测获得的声发射时频信号分布特征能够反演其受载阶段,声发射幅频信号的变化不仅能够判定煤体结构的破坏尺度,而且可利用不同频率范围声发射能量分布推断其冲击倾向强弱和发生动力破坏的可能性。定义了煤体结构冲击倾向的声发射反演能量比值Kae和频率幅值相对值比值Kaf;以河南耿村矿7609工作面煤样为例,验证了声发射信号时频特征和关键参数反演煤体结构冲击倾向的可行性。     

Coalbody structure classification method based on dual-lateral and RXO crossplot analysis

According to the positive correlation of coal ash content and natural gamma, using a new coal core reposition method, which is ordered by global and local extreme, coal samples from medium-thickness seam are reasonably located. Integrated the data of coal macrostructure characteristics, coal petrography analysis and coal gas production test, it studies the relationship between coalbody structure and amplitude variation of different well logging data, and the tectonic coal recognition method with well logging data in fresh-water mud invasion. The results show that: the anomalous response of natural gamma ray, neutron, density and apparent resistivity does not reflect the coalbody structure type. In fresh-water drilling mud invasion, using the crossplot technique of dual-lateral, RXO resistivity response and the coalbody structure can classify granulated coal accurately; the proposed method is of good practicability and high reliability.