煤岩渗透率演化规律及多尺度效应分析

 采用实验室试验与现场试验相结合的方法,分别开展实验室煤岩介质渗透率应力敏感性试验、全程应力–应变渗透率测定试验以及采动煤体渗透率观测试验3种方法对综放开采条件下煤岩渗透率演化规律进行研究,并将3种试验结果进行对比,认为应力大小及应力加卸载历史是影响煤岩介质渗透性演化的主要影响因素;确定实验室尺度较工程尺度而言,煤岩介质渗透率低2～4个数量级。同时分析3种试验结果的联系与差别,提出3种试验方法适用范围,为采矿工程中煤岩介质渗透性参数的正确选择提供可靠保障。     

生铁屑固定硫酸盐还原菌颗粒特性实验分析

针对硫酸盐还原菌(SRB)处理煤矿酸性废水(AMD)需要充足碳源,易受外界因素干扰,单独作用效果差等问题,利用微生物固定化技术,以生铁屑作为主要基质材料,并联合SRB污泥、麦饭石及玉米芯颗粒,制备高活性生铁屑固定化颗粒,以完全活化的固定化颗粒为研究对象,探究生铁屑固定化颗粒的理化性状及对Mn~(2+)的吸附规律。结果表明:颗粒能够抵抗p H值为4的酸溶液(如AMD),并在碱、盐溶液中保持较好的稳定性,对Mn~(2+)的吸附容量符合Freundlich等温吸附方程(R2=0.98868,1/n=0.4896),吸附动力学符合Elovich动力学模型(R2=0.9964),可见,所制备的固定化颗粒对Mn~(2+)具有表面快速吸附的能力,且对处理AMD具有一定的适应性。     

岩石变形破裂微震、电荷感应、自电位和声发射实验研究

 为有效提取岩石失稳破坏的前兆信息,针对岩石试样在外载荷作用下失稳破坏前伴随有微震、电荷感应、自电位和声发射等信号的变化特性,建立岩石变形破裂过程多参量综合监测系统,对试样在不同加载速率下变形破裂过程微震、电荷感应、自电位和声发射进行同步监测。实验结果表明：试样在失稳破坏前都有明显的微震、电荷感应、自电位和声发射前兆信号,岩石性质不同,岩石变形破裂过程中微震、电荷感应、自电位和声发射信号明显不同,花岗斑岩的前兆信号比大理岩的前兆信号明显丰富。声发射监测数据能较好地反映岩石的微小破裂情况,可利用声发射进行微裂纹的定位,可以较好地反映电荷感应和自电位前兆信息,试样变形破裂过程的电荷感应和自电位信号比微震信号更早发生,受到的干扰更小,可利用早期的电荷感应和自电位信号进行提前预警,当频繁出现同步且幅值较大的各参量信号时,表明岩石即将进入失稳破坏阶段,可利用微震和声发射对微裂纹进行定位,微震、电荷感应、自电位和声发射信号相互对比分析从而准确获得岩石失稳破坏的前兆信息。     

深部巷道煤与瓦斯突出及冲击演化特征试验研究

为进一步揭示煤与瓦斯突出两相流冲击破坏机制,利用自主研制的真三轴煤与瓦斯突出巷道模拟试验系统,以阜新孙家湾突出煤层为研究对象,制作型煤试件,开展不同埋深(1 000,1 200,1 400,1 600,1 800,2 000 m)下深部巷道煤与瓦斯突出模拟试验,定义试验突出临界瓦斯压力状态下的相对突出强度为单位突出强度,分析临界瓦斯压力、单位突出强度与埋深之间的关系,得到临界瓦斯压力、有效应力与冲击参数(冲击力峰值、到达峰值时间、突出持续时间)之间的变化规律,基于突出冲击波阵面速度公式,反演冲击气流在模拟巷道内的传播速度。研究结果表明：(1)突出启动时,高压瓦斯裹挟煤粉剧烈喷出,不同埋深下突出煤粉均在距突出口0～6.45m区间聚集,随埋深增大,煤粉集中区质量占比增大,随突出距离增加,煤粉质量占比逐渐减小,表明突出能量随突出距离逐渐衰减,且突出后煤粉沉降具有分选特征;(2)随埋深增大,临界瓦斯压力减小,单位突出强度逐渐增大,且埋深越大,变化幅度越大,表明深部煤与瓦斯突出阈值低,易诱发和强度大的特性;(3)冲击力在巷道内演化经历了“上升→峰值→降低”过程,呈现“波峰效应”,冲击气流传播速度...     

基于脆性模量系数的岩石应变软化及渗透率演化模型

岩石峰后应变软化力学行为及渗透率演化规律是岩石工程稳定性和安全性分析的基础。在三轴实验基础上分析了围压对岩石峰后应变软化力学行为的影响规律,提出了描述围压对岩石峰后脆性影响的新参数,即脆性模量和脆性模量系数,分析了脆性模量的物理意义和脆性模量系数方法的应用范围。基于脆性模量系数,结合强度退化指数、扩容指数、FLAC中的SS模型和体积应变增透率,建立了考虑围压影响的岩石应变软化模型和渗透率演化模型。利用本文模型较好地模拟再现了不同围压下Gebdykes白云岩变形和巴里坤砂岩渗透率的演化过程,验证了本文模型的合理性。将本文模型应用于某煤层开采过程中围岩变形和渗透率的动态演化预测,结果表明随着煤层开采,采动应力引起围岩变形、破坏,其渗透率也随之动态变化,本文模型能较好地再现煤层开采过程中围岩的渗透率动态演化规律。     

不同加载路径煤岩破裂过程声-电荷复合信号特性

通过开展不同加载路径下煤岩力学行为及其变形破裂过程声发射和电荷信号特性试验研究,从能量角度分析了加载路径影响的煤岩力学行为和承载能力的变化规律。对极化引起的煤岩表面微电势的产生和衰减进行了理论推演,理论分析结果对煤岩变形破坏过程中声发射与电荷信号产生和变化特征进行了较好的解释。试验结果表明:煤岩变形破坏过程声-电荷信号增减与承载结构破坏所致应力突降呈现出较好的一致性。受载初期两种信号幅值较低且为离散型,随载荷增加,信号幅值、密集程度显著提高且向连续型过渡,峰值前后声-电高值信号连续出现。煤岩受载变化次数越多,强度、峰前应变能越高,振铃计数变化率和能量变化率越高,电荷量变化率越大。由此提出了基于声-电荷复合信号幅值和信号变化率的煤体破坏和失稳灾变预测方法。     

摆型波传播过程块系岩体能量传递规律研究

深部岩体工程存在一种特殊的岩体动力现象即摆型波传播现象,摆型波在岩体中低频低速传播并伴随着较大的岩体能量传递。针对摆型波传播过程块系岩体的能量传递规律,基于深部岩体的非连续自平衡应力等级块系构造理论,研究摆型波传播过程块系岩体中岩块与其周围软弱介质之间的能量转化规律,分析自应力块系岩体中的能量传递规律。经分析得到:摆型波传播过程块系岩体的能量转化表现为岩块的动能和其周围软弱介质的势能之间存在相互转化,动能和势能在相互转化过程中不断向前传递,给出块系岩体能量传递与转化的表达式,并通过计算分析得到块系岩体局部区域能量变化呈现周期递减规律以及整个块系岩体的动能和势能变化符合指数耗散规律。     

基于三剪能量屈服准则的岩石弹塑性耦合模型

为建立能够准确描述岩石变形过程中能量演化规律的力学模型,提出利用三剪能量屈服准则和弹性剪应变能获取岩石黏聚力与内摩擦角,以及基于三剪能量塑性势函数获取剪胀角的方法,依据所提方法和岩石循环加卸载试验数据,得到了各级围压下不同塑性累积阶段岩石的弹性模量、黏聚力、内摩擦角及剪胀角等参数,发现随着塑性变形的增大,弹性模量呈负指数关系减小,黏聚力峰前线性增大而峰后呈负指数减小,内摩擦角满足比例参数为1、形状参数为1.5的Weibull函数,剪胀角线性减小;随着围压的增大,弹性模量和黏聚力均呈线性关系增大而剪胀角呈线性减小。建立岩石三剪能量弹塑性耦合力学模型,实现了模型在有限差分软件中的二次开发并编写了能量演化监测程序。模拟岩石室内试验,结果表明所建模型能较准确地描述岩石后继屈服过程中的硬化软化、剪胀、围压效应以及能量演化等力学行为。研究成果可为从能量角度研究岩体失稳提供理论支撑和现实手段。     

急倾斜煤层石门保护煤柱合理尺寸研究

长沟峪矿-140m水平东一石门是开采-230~-310m水平4槽煤柱的惟一通道,通过数值模拟手段分析了4槽煤柱终采线"移动"后围岩的等效应力场,得到了沿-140m水平石门的等效应力和位移的变化曲线,分析了-140水平石门保护煤柱合理尺寸。     

高应力软岩巷道变形特征及其支护参数设计

为了探讨高应力软岩巷道合理的控制方法,根据吕家坨煤矿深部高应力软岩巷道围岩主要物性参数的实验室测试以及现场围岩变形的观测,利用FLAC3D软件进行了数值模拟,分析了高应力软岩巷道的变形失稳特征.研究表明:高应力软岩巷道控制技术的关键在于支护结构和围岩体强度的耦合作用和控制底鼓.提出了以加强初次支护强度和采用底角锚杆为技术核心的支护方案.现场实践表明,该方案对高应力软岩巷道围岩变形的控制效果较好.