深部原位应力煤岩卸荷力学特性试验研究

为探究深部原位应力煤岩卸荷力学特性,利用MTS816岩石力学测试系统对原位应力煤岩开展不同卸荷速率的三轴加卸载试验,并与常规卸荷试验对比,通过获取全过程应力–应变曲线分析卸荷煤岩的力学性能与变形特征,结合CT三维重构技术研究煤岩的破坏特征,探讨原位应力卸荷煤岩的适用强度准则。结果表明：(1) 2种方案煤岩的峰值强度与卸荷速率均成反比,但原位应力煤岩较常规煤岩的峰值强度更高,这种趋势在低速卸荷时逐渐弱化。(2)原位应力恢复过程实施后,煤岩在卸荷速率升高条件下,峰值轴向应变先减小后趋于稳定,峰值侧向应变整体不变,峰值体积应变先降低后增加。卸荷条件下原位应力煤岩的弹性模量更平稳,应变硬化模量得以增强。(3) Mogi-Coulomb强度准则能更好地反映原位卸荷煤岩的破坏强度特征;原位应力煤岩较常规煤岩的黏聚力c增加39.23%,内摩擦角φ减少11.92%,表明原位卸荷煤岩的抗破坏主控因素为黏聚力。     

煤体张开型裂隙演化规律及失稳前兆试验

为探究不同裂隙分布特征参数煤体失稳前兆信息,基于MTS 816试验系统开展单轴加载试验,分析了煤体力学特征及裂隙演化规律,推导出起裂角精确表达式,建立了弯折裂纹力学模型.结果表明：随裂纹方位角减小,煤体劣化程度增加,但均低于完整试件,裂隙长度同试件强度呈负相关性;剪切互锁效应使含裂隙煤体应力-应变曲线表现为双驼峰形态,互锁强度同方位角呈负相关性,但与长度无明显关联;裂隙分布特征参数对初始应变场形成局部高应变区具有显著引领作用,方位角于0°～90°之间时,应变集中、弥散与裂隙扩展的空间演绎形式高度统一;定义了端部动态剪切因子(τ₀)并求得其表达式,完善了Ⅱ型SIF(应力强度因子)并推导出精确起裂角表达式,得出起裂角同方位角呈负相关性;比较剪切互锁前后扰动系数ε(K_Ⅱ/K_Ⅰ)可知,剪切互锁效应可通过抑制裂纹端部的翼状Ⅰ型扩展从而发生Ⅱ型破坏,且抑制效果与方位角呈负相关性;相较于表面应变监测,互锁强度变化特征可对煤体在不同裂隙分布特征参数下的骤然破坏提供更加积极的前兆信息.     

深井泥岩巷道围岩失稳控制技术研究

为有效防控深井泥岩巷道围岩失稳难题,以皖北矿区祁东煤矿具体地质及开采支护条件为背景,建立巷道围岩塑性区和位移的解析表达式,分析围岩力学参数及支护阻力对围岩变形破坏的影响规律,发现塑性区半径、表面位移与围岩内聚力(支护阻力)负相关,据此提出了满足现场施工需求、安全经济的锚网喷索+阶梯压力注浆联合支护技术,并通过现场实测对支护技术的有效性进行验证。结果表明:采用锚网喷索+阶梯压力注浆联合支护后,巷道顶、底板相对移近量较单一的架棚支护降低80.87%、87.69%,巷道围岩完整性增强,稳定性控制效果显著。     

不同冲击气压下煤样动态剪切强度的长径比效应

采用Φ50 mm分离式霍普金森压杆（SHPB）试验系统,开展了不同冲击气压下直径75 mm,长径比分别为0.20,0.27,0.33,0.40和0.47的5组煤样的动态剪切试验,划分了煤动态剪应力时程曲线的阶段,探讨了冲击气压对煤样动态剪切强度的影响,分析了煤样动态剪切强度和加载率的长径比效应,并建立了长径比效应理论模型。研究结果表明：(1)煤样动态剪应力时程曲线可分为应力初始上升、应力线性增长、应力缓慢上升和应力下降4个阶段;(2)煤样动态剪切强度与冲击气压呈正线性相关,但不同长径比下增加幅度存在差异,具体表现为：相同冲击气压增量下,煤样长径比越小,动态剪切强度的增加幅度越大;(3)煤样动态剪切强度和加载率均与长径比有关,在0.25,0.35MPa较低冲击气压与0.45,0.55MPa较高冲击气压下分别呈现出正、负长径比效应,并通过方差分析确定了长径比对其影响最小的冲击气压为0.376 MPa;(4)建立了不同冲击气压下煤样动态剪切强度长径比效应理论模型,通过加载率效应推导出加载率长径比效应理论模型,并验证了模型的合理性和准确性。     

含多裂隙煤体裂纹细观演化规律与相互作用机制

煤体中裂隙具有随机分布的特点,其位置分布及载荷作用下相互作用影响着煤体的稳定性.因此,为阐明煤体内多裂隙扩展演化规律及相互作用机制,文中开展了含随机三裂隙煤样的单轴压缩试验,借助数字图像相关法(Digital Image Correlation, DIC)监测试样变形过程,并采用数值模拟基于细观角度验证了裂纹的孕育、扩展及贯通的演化过程.另外,基于经典Kachanov法和应力场分析法推导并验证了单轴受压状态下有限板三裂隙尖端的应力强度因子表达式.研究结果表明:裂纹间相互作用对尖端应力强度因子影响可分划为增大、减小、无影响3种形式,根据推导所得有限板多裂隙尖端的应力强度因子表达式,可计算裂隙随机分布裂隙尖端应力水平,并且,可结合应变能密度因子准则准确预测裂隙尖端起裂位置;裂隙位置分布对初始应变场形成局部高应变区具有明显的导向作用,具体表现为：试样受载初期率先在各裂隙尖端产生损伤并逐步演化为局部高应变区,经扩展后形成高应变集中带,继而作为宏观裂纹相应的扩展路径;试样破坏形式为拉剪复合破坏,新生裂纹在加载初期以剪切形式出现,并在裂隙尖端形成翼型裂纹,随载荷继续施加,张拉裂纹数量快速增长,最终...     

冲击载荷下煤样能量耗散与破碎分形的长径比效应

为研究不同长径比煤样动态压缩下能量耗散规律和破碎分形特征,采用?50 mm分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bars, SHPB)试验系统,以相同冲击气压0.35 MPa对直径50 mm,长径比分别为0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9和1.0的煤样进行单轴冲击压缩试验,定义了可判定应力平衡状态的指标——应力平衡系数ξ,发现了能量耗散的长径比效应并讨论了其与应力平衡的关系,分析了长径比和耗能密度对煤样破碎分形特征的影响。研究结果表明：不同长径比煤样应力-应变曲线形态基本一致,均包含弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段3个阶段,随长径比增加,曲线塑性阶段增大;根据应力平衡系数ξ确定煤样的临界长径比为0.6,低于临界长径比的试件易达到应力平衡,超过临界长径比试件将难以在破坏前达成应力平衡;煤样动态压缩破碎耗能与耗能占比的长径比效应表现为：随长径比增加分2个阶段,且其分界点接近临界长径比,各阶段内呈线性增加关系,阶段间呈台阶式下降;试件尺寸增加引起原生缺陷摩擦耗能增加和端部摩擦效应增强,超过临界长径比的试件应力达到峰值前其变形量降低形成了破碎耗能...     

单轴压缩下松软煤体波速演化与裂隙分布特征

为研究松软煤体超声波传播规律与破坏特征,选用型煤代替原煤,设定3条波速传播路径,运用MTS岩石力学实验机、PCI-II声发射仪开展单轴压缩条件下煤体多路径波速同步监测试验,引入各向异性指数分析波速演化规律;选定3个横、纵向切面,采用CT扫描设备开展破坏特征观测试验,重构破坏后煤体细观几何结构,对比研究二维横纵切面裂隙分布差异性;探讨波速和三维裂隙体积的关系。结果表明：(1)随轴向应变的增加,平行、垂直加载方向及煤体平均波速均表现出先平稳后降低再平稳的基本规律,波速各向异性指数具有先平稳后增大再平稳的变化趋势;垂直加载方向波速最先下降,且降幅最大。(2)与纵向切面相比,破坏后煤体横向切面裂隙谱峰占比和裂隙分形维数均较大,裂隙密度较高,裂隙形态也较为复杂。(3)随裂隙体积的增大,破坏后煤体平均波速大致呈线性降低,单轴荷载作用下煤体内部裂隙扩展以平行加载方向为主,裂隙竖向线状扩展是造成各方向波速和横纵切面破坏特征差异性的主要原因。(4)与平行加载方向相比,采用垂直加载方向波速求得的损伤变量较大、评价煤体损伤破坏状态也更为可靠。现场采用声波评价煤体破坏状态时,将声波传播路径设置为垂直煤体受载（...     

不同围压下含预制裂隙煤体裂隙演化特征研究

为探究不同围压下含预制裂隙煤体裂隙演化特征,基于受载煤岩工业CT扫描系统开展不同围压下三轴压缩试验,通过受载煤体内部裂隙三维可视化分析,研究不同围压下煤体裂隙演化规律,借助PFC模拟软件,以裂纹数量为量化指标表征围压对裂纹发育程度的影响。此外,推导出考虑裂隙宽度的应力强度因子表达式,并以最大周向应力准则计算裂隙的理论起裂角度。结果表明：随着围压的增大,裂隙起裂角度减小,3,5,7 MPa围压下,翼裂纹在预制裂隙端部沿着最大主应力方向扩展,最终呈现为“X”或“Y”型拉-剪复合型破坏,9 MPa围压下,煤体翼裂纹发育受阻,次生裂纹充分扩展,呈现出次生裂纹沿共面扩展的剪切破坏形式;围压效应和剪切裂纹的互锁效应均对裂隙发育模式产生影响,但二者作用机制不同,前者为全局作用,后者必须在原生裂隙压密到一定程度时才发挥作用;矿物颗粒赋存状态影响裂隙的发育形态,由纯粹拉应力导致的翼裂纹较为完整,而次生裂纹则呈“残缺”状态,该残缺状态随围压增加而增加;峰值应力前,各裂纹数量呈先减少后增加的规律,拉伸裂纹占比不断减少;经典欧文Ⅰ型应力强度因子适用于张开型裂隙,采用考虑裂隙宽度的应力强度因子计算的起裂角度更接...     

冲击载荷下不同尺寸煤岩动力学分析及损伤特性研究

为探究冲击载荷作用下不同尺寸煤岩的动态力学及损伤特性，利用分离式霍普金森压杆系统对直径50 mm长度分别为15 mm, 20 mm, 25 mm, 30 mm, 35 mm, 40 mm, 45 mm和50 mm的煤岩开展了冲击压缩试验，通过分析应力-应变曲线特征得出应变率、峰值应力和动态弹模随尺寸变化的关系，并基于能量耗散规律提出煤岩受载全过程动态损伤指标K,同时与Weibull分布结合D-P准则得出的损伤变量D_w进行对比，探究不同尺寸煤岩的动态损伤特性。结果表明：不同尺寸煤岩的动态应力-应变曲线包含弹性、塑性和塑性软化3个阶段。随煤岩尺寸的增加，应变率和峰值应力呈减小趋势，动态模量为线性增加；动态损伤指标K是煤岩弹性阶段结束后的瞬时破碎耗能与完全破坏时对应总破碎耗能的比值；动态损伤指标与损伤变量的曲线形态具有相似性，变化趋势具有一致性，表明了K的合理性。指标K的最大损伤值更稳定、更符合破坏状态假设，说明了其具有一定的适用性。     

冲击载荷下两种应变率作用方式煤岩能量演化及分形特征研究EI北大核心CSCD

为探究不同驱动气压(0.3~0.5 MPa)和试样长度(15~50 mm)下煤岩能量演化及分形特征,利用Φ50 mm分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)系统进行了动态压缩试验,明确了两种方式下能量演化参数随应变率的变化规律,基于分形理论探讨了破碎试样的分形特征,并揭示了不同应变率下煤岩破碎与能量演化的内在联系。结果表明:应变率随驱动气压升高呈线性增加,随试样长度增加呈幂函数降低;不同驱动气压和试样长度下的破碎耗能和破碎耗能密度随应变率升高分别呈指数和线性形式增加,且推断存在某一应变率,使两种方式破碎耗能密度的率敏感性趋于一致;气压改变和试样长度改变下的平均粒径随应变率升高均呈幂函数形式降低,而分形维数分别呈线性和指数形式增加;试验过程中随着应变率增加,试样破碎程度加剧,分形维数增大,且作用方式作为影响分形维数的重要因素,对结果起到了关键作用。研究结果可为采场合理布置施工参数提供一定参照。