不同应力路径下含瓦斯煤岩渗流特性与声发射特征实验研究

 对含瓦斯煤岩进行常规三轴路径和卸围压路径的渗流特性与声发射特征实验,研究2种路径下煤岩失稳破坏过程中渗流特性和声发射特征的差异。结果表明：常规三轴路径和卸围压路径下含瓦斯煤岩的应力、瓦斯流量与声发射信号均具有较好的相关性,2种路径下含瓦斯煤岩的流量曲线具有相似的变化规律,常规三轴路径下瓦斯流动困难点存在滞后性,卸围压路径下瓦斯流动困难点与卸围压起始点相对应。与常规三轴路径相比,卸围压路径下含瓦斯煤岩失稳破坏过程中产生的累积损伤要大,从卸围压起始点开始声发射累积振铃数曲线斜率明显增大,且在失稳破坏点出现了急剧增大的拐点。2种路径下含瓦斯煤岩的声发射幅值曲线变化规律不同,与常规三轴路径相比,卸围压路径下含瓦斯煤岩的声发射幅值曲线呈现出以卸围压起始点为界的双峰状态。     

突出煤体变形破坏声发射特征的综合分析

利用声发射事件率、振铃事件比和累计振铃数作为AE表征参数,进行单轴受压下突出煤样破坏全过程声发射试验。试验结果表明,不同轴向载荷的作用过程中,煤样声发射特征变化具有阶段性,根据全应力–应变曲线和声发射特征的变化规律均可分为5个阶段;因既反映声发射事件发生的频度又涉及事件的能量,声发射振铃事件比能更为准确地反映煤体变形破坏过程中声发射变化趋势,适合作为煤岩动力灾害预测的主要参数之一。弹塑性阶段是累计振铃数增长的主要阶段,累计振铃数达到AE累计振铃总数的35.35%;在接近峰值强度时,AE累计振铃数曲线趋于平缓,出现声发射相对平静期,即在其他岩石中存在的峰前相对平静期也存在于具有较多原始损伤的煤体之中,但损伤煤体的相对平静期更短,AE累计振铃数曲线突增和峰前相对平静期可作为煤样峰值破坏的征兆用于煤与瓦斯突出预测预报。     

基于能量耗散的煤岩三轴受压损伤演化特征研究

在煤矿资源的地下开采工程活动中,煤岩处于轴压、围压和瓦斯气体相互耦合的复杂应力环境。为探究煤岩受压过程中的损伤变形及能量演化特征,利用含瓦斯煤热–流–固耦合三轴伺服渗流试验装置,开展煤岩在不同围压及不同瓦斯压力条件下的三轴压缩试验研究。基于连续损伤力学理论,从能量角度理论推导由非均质威布尔函数、能量耗散函数及塑性应变函数构成的损伤应力–应变函数,并在此基础上建立基于能量耗散的煤岩损伤本构模型。研究结果表明:(1)不同围压、不同瓦斯压力下煤岩应力–应变变化趋势及塑性变形行为具有阶段性特征。(2)对应不同的变形破坏阶段煤岩的能量演化趋势呈阶段性变化,应力峰值点处煤岩吸收的总能量随围压的增大而增大,弹性能及耗散能也呈现增大的趋势;随着瓦斯压力的上升,煤岩吸收的总能量和弹性能在应力峰值点处呈下降趋势,耗散能呈上升趋势。(3)构建围压及瓦斯压力效应下基于能量耗散的煤岩损伤本构模型,并通过试验验证该模型具有较好的合理性。(4)不同围压及瓦斯压力下煤岩能量耗散与损伤演化均呈"S"型演化趋势。     

混凝土材料声发射参数与其损伤程度的关系研究

通过混凝土材料单轴压缩过程的声发射特性试验,采用多项式模型建立混凝土材料声发射累积数与应力水平关系式,并进一步建立起损伤变量与声发射累积数的函数关系。结果表明:应用多项式模型对声发射累积数和应力水平的关系曲线进行回归分析具有较高的精度;损伤变量和声发射累积数之间满足线性关系,可将其应用到混凝土材料的损伤评估中。     

三轴应力加卸载作用下损伤煤岩渗透率模型研究

为研究低渗煤岩在应力加卸载作用下损伤破坏过程渗透性变化规律,基于"立方体"结构模型,综合考虑三轴应力加卸载煤岩损伤、有效应力及吸附/解吸作用引起的煤岩割理与基质变形,建立三轴应力加卸载作用下损伤煤岩渗透率模型,并基于试验结果对渗透率模型进行验证。研究结果表明:(1)所构建的渗透率模型,不仅可以较好地反映三轴应力加卸载作用下损伤煤岩渗透率变化规律,而且也可以反映有效应力对损伤煤岩渗透率的影响远大于吸附解吸作用的规律。(2)当煤岩应力水平低于峰值强度时,在恒定围压、持续加轴压应力作用下煤体处于压缩状态,瓦斯渗透率降低;在卸围压、持续加轴压应力作用下,煤体内部开始产生损伤破坏,瓦斯渗透率缓慢上升;使得煤岩在加卸载失稳破坏前,瓦斯渗透率整体呈"V"字型发展趋势。(3)不同初始围压条件下,煤岩加卸载破坏失稳后渗透率增大程度随着初始围压的增大而增大;不同瓦斯压力条件下,煤岩的初始渗透率随着瓦斯压力的增大而增大。研究结果可以为我国采煤工作面瓦斯高效抽采提供理论支撑,具有指导性意义。     

珊瑚砂微生物固化体三轴压缩声发射试验研究

对不同干密度增量的珊瑚砂微生物固化体进行了三轴压缩声发射试验,研究不同围压条件下固化体的应力应变曲线特征及对应的声发射信号特征。试验结果表明,珊瑚砂微生物固化体的三轴压缩声发射曲线可分为三个阶段,在应力应变曲线的近似线弹性阶段声发射活动不频繁,屈服阶段声发射活动频度增大,延性流动阶段声发射活动频度降低,但仍有少量声发射振铃计数与能量高峰出现;累计振铃计数曲线呈直线型,反映了声发射活动在变形全过程均维持了一定的频度,说明内部的胶结断裂与颗粒破碎持续发生,颗粒发生错动并重新排列,导致固化体表现出延性流动特性。通过声发射试验,可以更好地理解珊瑚砂微生物固化体的宏观变形与破坏过程,为建立珊瑚砂微生物固化体损伤本构模型奠定基础。     

基于三轴压缩声发射试验的岩石损伤特征研究

 利用MTS815岩石伺服试验系统和AE21C声发射监测仪,对灰岩进行三轴压缩声发射试验,利用声发射参数,分析三轴压缩条件下岩石的损伤演化特征。试验结果表明：(1) 相同试验条件下,检波器置于三轴室内时的声发射振铃计数和能量的最大值分别比置于室外时高27%和32%,表明,声发射检波器置于三轴室内能够接收到更全面、真实的声发射信号。(2) 围压使岩石压密阶段声发射活动降低,同时声发射振铃计数最大值稍滞后于岩样宏观破坏时间,说明围压提高了岩石的剪切强度和峰后承载能力。(3) 建立基于声发射累计振铃计数的岩石三轴压缩损伤演化模型,岩石的损伤演化过程可划分为初始损伤阶段、损伤稳定发展阶段、损伤加速发展阶段和损伤破坏阶段。初始损伤阶段,声发射参数较小;损伤稳定发展阶段,声发射活动明显活跃,振铃计数和能量逐渐增加;损伤加速发展阶段,声发射活动异常活跃,宏观破坏后不久声发射振铃计数和能量达到峰值;损伤破坏阶段,岩石仍具有相当的承载能力,在破坏过程中仍有声发射活动出现。     

深部花岗闪长岩破坏过程声发射及特征应力特性试验研究

以深部花岗闪长岩(564~576 m)为研究对象,采用微机伺服岩石三轴试验机和声发射监测系统,对岩样进行压缩试验和声发射监测试验,获得深部花岗岩破坏过程声发射特性。通过探究深部花岗闪长岩在单轴及三轴压缩破坏过程中应力–应变特征和声发射参数曲线,得出岩石的裂隙初始应力、裂隙贯通应力和峰值应力以及与之对应的声发射特征得到声发射参数与岩石破裂之间的关系。分析试验数据,得到声发射参数与岩石破裂之间的关系,为进一步建立工程岩体的强度准则提供依据。     

单轴压缩煤岩损伤演化及声发射特性研究

 为建立声发射参数与岩石(煤岩)力学破坏机制的关系,更好地了解受载煤岩体的损伤演化规律,进一步揭示煤岩动力灾害演化过程及灾害时间效应产生机制,利用MTS815岩石力学测试电液伺服试验系统和8CHS PCI–2声发射检测系统,对单轴压缩煤岩的损伤演化及声发射特性进行试验研究,分析单轴压缩煤岩的声发射特性,提出基于“归一化”累积声发射振铃计数的损伤变量,建立基于声发射特性的单轴压缩煤岩损伤模型,得出煤岩的损伤演化曲线和方程。研究表明,声发射信息反映煤岩内部的损伤破坏情况,与其内部原生裂隙的压密及新裂隙的产生、扩展、贯通等演化过程密切相关,煤岩的声发射特征能较好地描述其变形和损伤演化特性。基于声发射特性的单轴压缩煤岩损伤模型是合理的。单轴压缩煤岩损伤演化过程可分为3个阶段：初始损伤阶段、损伤稳定演化和发展阶段、损伤加速发展阶段。煤岩由变形至破坏可视为一逐渐发展过程：由变形、损伤的萌生和演化,直至出现宏观裂纹,再由裂纹扩展到破坏的全过程。     

煤岩强度、变形及微震特征的基础试验研究

煤是远古地表腐植物沉积演化的一种岩类矿物。煤岩力学性质试验研究成果较为匮乏,特别是考虑强度离散性基础上的系统、全面地反映煤岩的力学性质,在不同应力状态下强度及变形特征的试验研究成果则更为少见。在进行相关煤岩力学行为方面的数值计算及理论研究时,大都采用非煤岩石的试验资料及本构模型,因而缺乏煤岩试验资料的验证和支持,并制约井下煤体破坏和矿山压力研究的科学性和合理性。煤在微细观结构和组分方面和其他岩石有较大差异,采用可靠的试验手段进行不同应力状态下煤岩强度、变形及压缩破坏的微地震特征试验研究,对于合理分析煤岩体破坏失稳、预防矿山灾害发生具有重要的理论及实际意义。采用MTS815.03电液伺服岩石试验系统进行大量煤样单轴压缩、三轴压缩、循环荷载及全应力-应变过程的渗透性试验,同时进行煤样压缩破坏过程的声发射试验及煤矿井下采场覆岩破裂失稳的微地震监测,对煤岩强度、变形及微震特征进行较系统地分析研究。取得了以下主要成果:(1)通过扫描电镜测试和力学性质试验分析,发现煤岩在力学性质上表现出明显的不连续性、各向异性和非均质性特征。煤岩原生孔隙裂隙面积率可用原生损伤变量加以描述,原生损伤变量对煤岩强度和变形有显著影响。(2)大量煤样超声波速度和相应的力学参数测试结果表明,煤样强度与其纵波由速度间呈现出置信度很高的指数函数关系,为进行强度等对比性试验前合理选择煤样提供了依据。(3)煤岩的声发射特征能较好地描述其变形和损伤演化特性。由于原生损伤发育,在围压作用下,煤岩孔隙裂隙被压密闭合,故刚度增加,弹性模量与围压之间符合二次多项式关系。根据试验结果及模型简化拟合出常规三轴压缩条件下煤岩的分段本构方程。煤岩三轴压缩破坏符合Coulomb强度准则,但由于其内部存在大量微裂隙,煤岩沿随机裂隙剪切破坏偏离θ0=45°+?/2的可能性很大。(4)同坚硬致密的岩石相比,循环荷载作用下煤岩更容易发生疲劳破坏。煤岩疲劳破坏"门槛值"与其结构和组分等有关,其变形破坏过程与其损伤累计发展过程一致。(5)煤岩渗透率-应变曲线与其相应的应力-应变曲线总体变化趋势基本一致,但表现出相对"滞后"的特点,表明渗透率的变化与其损伤演化过程密切相关;同时煤体通过其内部裂隙的渗透需要一定的时间过程。根据试验结果拟合出具体煤岩的渗透率-应变关系分段曲线方程。(6)通过声发射参数时间序列的最大Lyapunov指数计算,证明采用声发射参数描述的煤岩压缩破裂演化系统的变化趋势不是完全依赖于初值的混沌状态,而是可以预报的。通过离散小波系数分解,发现采用不同尺度上声发射参数最先出现的Lipschitz指数α负值所对应的时间作为煤岩压缩破裂预报时间,与实际情况吻合较好。(7)通过对采场覆岩破坏微震的定位分析,证实微震发展演化与采场覆岩运动过程密切相关。根据岩体失稳破坏前微震事件频数、能量和距离的1～4阶差分的变化规律,能够较准确地预报岩体破裂,这对于采用微震监测技术解决矿山岩体破坏失稳预报、预防灾害发生具有重要的指导意义。