煤岩水力压裂物理试验研究综述及展望

水力压裂物理模拟是对压裂过程中裂隙演化及其动力学过程的近似再现,成为了煤岩压裂机理研究的重要手段。相似理论是现场原型与试验模型转换的理论基础,试验装置和相似材料是物理模拟试验的物质前提,监测方法及检测技术是评价水力压裂致裂效果的关键部分,从以上3点对水力压裂物理试验的相似理论发展、试验材料和装置的演变、常用监测检测方法的特点和适用范围等方面进行了总结。分析认为：水力压裂的相似准则已经初步成形,但需要结合煤岩物理力学特性进一步修正,并利用数值模拟手段探究相似准则推导中忽略的次要因素影响程度,提高经验方程的可靠性与适用性;针对煤岩的多种物理力学性质,现阶段已得出许多相似材料的经验配比方程,但仍需要一套详尽的配比试验规范及大量试验尝试,提升试验的可重复性,以建立更具普适化的相似材料配比经验方程数据库;压裂装置正向着模拟条件更多、模拟范围更广、模拟尺度更大的多场耦合方向发展,压裂方法也随着工程应用逐渐多样化,但压裂装置三轴加载精度有待进一步提高,以保证高应力条件下压裂试验的有效进行,降低试验操作对最终结果的影响;监测方法与检测技术对水力压裂致裂效果的评价各有优势,相似材料对监测方法与检测技术的...     

突出煤层相似材料配比模型构建的正交试验研究

突出煤相似材料是进行煤与瓦斯突出模拟试验的基础,突出煤相似材料需综合考虑力学特性、吸附解吸特性和孔隙特性等方面与原煤的相似性。为解决目前煤与瓦斯突出相似材料与原煤相似度不高的问题,选取水泥比例、沙子比例和成型压力为3个主要影响因素,通过正交试验和单因素试验方法研究各因素对相似材料单轴抗压强度、弹性模量、吸附CO2和CH4时的放散初速度以及孔隙率的影响。试验结果表明,相似材料单轴抗压强度和弹性模量随水泥比例和成型压力的增大而增大,放散初速度随水泥比例和沙子比例增大而减小,孔隙率随成型压力增大而减小。通过方差分析及多元线性回归分析,获得相似材料3个影响因素与试验指标之间的量化关系,构建了突出煤相似材料多因素配比模型,依据该模型可获得目标相似材料的配比数据,通过试验验证得到该配比模型在力学指标方面的误差在20%以内,放散初速度及孔隙率方面的误差在10%以内。最后,采用构建的相似材料配比模型制作突出型煤,利用自主研制的大型煤与瓦斯突出模拟试验系统成功开展了高应力作用下的煤与瓦斯突出模拟试验,进一步证实了配比模型的可靠性。     

基于正交设计的模型试验相似材料的配比试验研究

在前人相似材料研究的基础上,应用正交设计方法,以（铁粉+重晶石粉）/骨料、铁粉/（铁粉+重晶石粉）、黏结剂浓度、石膏含量为4个因素,每个因素设置5个水平,设计了25组材料配比方案,进行了称重、单轴压缩、劈裂和直剪试验,获得了不同配比相似材料的密度、抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、内摩擦角和黏聚力等物理力学性质指标。试验结果表明：不同配比相似材料的物理力学参数分布的范围较大,能够满足不同性质岩体模型试验对岩体相似材料的要求;采用极差分析法分析了各因素的敏感性,发现（铁粉+重晶石粉）/骨料对试件密度、内摩擦角起主要控制作用,黏结剂浓度对试件的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、黏聚力起主要控制作用;并作出了各因素对相似材料物理力学参数影响的直观分析图,分析了各因素对相似材料参数的影响规律。     

石灰岩相似材料力学性能试验研究

石灰岩分布广泛,是工程施工常见的岩石种类.针对石灰石相似模型试验的需要,采用水泥石膏材料,对石灰石相似材料开展了试验研究.相似材料试验的条件设置包括３种水泥石膏比、３种砂胶比以及３种水固比,总共有２７种配比.对不同配比的相似材料试件开展了单轴抗压试验、巴西劈裂法试验、直剪试验、霍普金斯杆试验,测得了不同配比相似材料的抗压强度、抗拉强度、内聚力、内摩擦角、弹性模量、泊松比及动态抗压强度等力学参数.基于试验数据,分析了水固比、砂胶比、水泥石膏比对水泥石膏相似材料的力学强度变化规律.结合实测的石灰岩力学参数,分析了石灰岩相似模型试验的材料适用配比.     

铁矿床物理模型相似材料正交配比试验

以河砂、碳酸钙、石膏和重晶石为相似材料,应用正交设计方法,以骨料质量与胶结材料质量比、碳酸钙质量与石膏质量比、重晶石粉质量与骨料质量比为控制因素,制定了三因素五水平的试验方案。通过室内力学试验,在获取不同方案的密度、抗压强度、弹性模量等力学指标测试的基础上,分析了力学指标影响因素,得出了相似材料配比与力学指标关系方程。结果表明:重晶石含量对相似材料密度起控制作用;抗压强度力学指标主控因素是骨料质量与胶结材料质量比;相似材料的弹性模量力学指标受骨料质量与胶结材料质量比影响最大,其次为重晶石含量,受碳酸钙质量与石膏质量比影响最小。采用MATLAB程序进行多元线形回归得出,相似材料配比与力学指标关系方程可用于相似材料模型试验配比的确定。     

软弱围岩相似材料力学特性实验研究

为了研究软弱围岩力学特性,在相似三定律基础上选择以河砂、重晶石粉、橡胶粉为骨料,石膏、石蜡油为胶结剂配制相似材料,对相似材料进行单轴抗压、抗拉以及抗剪试验,测定了相似材料在不同配比下的抗压强度、弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角;分析了不同含量原材料以及养护时间对相似材料力学性质的影响。结果表明:当骨胶比为6∶1∶0.06,骨料比为5∶4.5∶0.5,养护时间为7 d时的相似材料,与原岩的力学性质具有较好的一致性,能更好地满足相似材料的选材要求,是一种比较理想的软岩相似材料。     

应变柱法测试相似材料模型应力的试验研究

提出了一种测试相似材料模型内部应力的方法——应变柱法,即采用与相似材料模型相同配比的材料制作成Φ50×100 mm试样,在试样中部粘贴应变片。在加载试样时采用应变仪和引伸计同时测量其轴向变形和径向变形。试验结果表明,引伸计法测得的应变值更接近于真实值;对应变柱进行3~5遍加载标定,发现其轴向弹性模量随加载次数略有增加,而径向弹性模量有所降低,但应变柱能够保持较好的弹性,能够被用作测量模型内部应力的传感器。     

冷压型煤强度影响因素的研究现状及展望

为了便于开展在物理力学性质和吸附性能方面与原煤相似度较高的突出模拟相似材料配比试验研究,对粉煤成型机理以及冷压型煤强度影响因素的研究成果进行了梳理,概括了现有粉煤冷压成型机理,重点分析了粉煤粒度及组成、成型压力、成型水分和粘结剂对冷压型煤强度的影响规律,并在此基础上对煤与瓦斯突出模拟试验型煤制作工艺进行了优化,对后续型煤强度影响因素研究前景进行了展望,为大尺寸突出煤相似模拟材料配比制作及其工艺研究提供参考。     

煤岩体的低强度相似材料正交配比试验研究

 本文采用正交试验的方法对煤岩体的低强度相似材料配比进行研究。选用砂子、碳酸钙、石膏配制满足煤岩体力学性质的低强度相似材料。砂胶比、胶结物比例和容重对相似材料的单轴抗压强度均有较显著影响。对试验结果的分析表明,能够利用试验结果的回归曲线方程对给定单轴抗压强度数值的低强度相似材料进行较准确的配比选择。     

黑岱沟露天煤矿高台阶抛掷爆破混凝土模型的相似材料配比试验研究

小尺寸模型试验在爆破机理研究中具有重要作用,相似材料的选取是模型试验的前提。以准格尔黑岱沟露天煤矿高台阶抛掷爆破为原型,利用量纲分析法确定了模型与原型之间的相似关系,采用河砂、碎石（<7 mm）、石膏、水泥、水等相似材料成分按照5种配比制作了标准试件,对标准试件进行单轴抗压强度试验和纵波波速测试试验,得到了各配比相似材料的密度、抗压强度、弹性模量、波阻抗等物理力学参数;同时制作了5种配比下的圆柱体素混凝土模型,通过单孔爆破漏斗试验算出各配比相似材料的单耗,最终选取了合适的模型材料配比,该配比可用于下一步的高台阶抛掷爆破模型试验。     

基于摩尔-库伦准则的岩石材料加(卸)载分区破坏特征

材料内一点的应力状态可以用摩尔圆来表示,而同一点的不同的应力状态可以用坐标系内应力圆的不断变化来表示,应力圆的变换主要可以分为"平移"、"翻转"、"半径扩大""半径缩小"4种方式,这4种方式几乎包含了岩石材料的所有加(卸)载过程;加(卸)载速率可以用来表征不同应力状态间的转化的快慢程度,加(卸)载速率并不是单纯的单位时间的变化快慢,可以是单位空间尺度的变化,如单位长度、单位深度等;基于摩尔-库伦准则对岩石材料"双向受压"、"双向受拉"和"一拉一压"3种状态下的加卸载过程进行了分析,并获得了与之对应的临界破坏方程,在此基础上,通过引入时间加权平均加(卸)载速率,进一步分析了岩石材料破坏与时间加权平均加(卸)载速率之间的关系,并以时间加权平均加(卸)载速率为基础对岩石材料破坏与否进行了分区;采用FLAC3D对7种不同加载路径下常规三轴数值模拟实验,模拟所获得材料发生破坏时最大主应力峰值与理论计算结果吻合度高达98%;同时又进行7种轴向与径向加载速率之比、4种加载速率条件下常规三轴数值模拟试验。结果表明,只有当轴向和径向加载速率之比处于一定范围时,材料才会发生破坏,加载速率与材料破坏时最大主应力峰值正相关,与最大主应力和最小主应力之比负相关。     

动静组合载荷作用下岩石破碎试验研究

在动静态多功能岩石破碎试验台上,以花岗岩为试验对象分别进行了单一静载、冲击载荷和动静组合载荷破岩试验,结果表明:静载 动载组合模式能大幅度提高破岩效果,在破碎深度与破碎体积等方面比单一冲击或压入具有明显的优势,不同的动静组合载荷存在不同的破岩比能,合理选取动静载荷的比值,可使破岩比能最小,破碎效果最优。     

便携式炮采工作面攉煤机的研制

介绍了新型便携式炮采工作面攉煤机攫取机构的工作方式、结构形式及工作原理 ,并推导了攉煤机的装煤能力和装煤率以及刮板的运行阻力的估算公式。     

炮采工作面攉煤机主参数的理论计算

针对我国目前炮采工作面装煤的现状，设计出了一种新型便携式炮采工作面攉煤机，对实现炮采工作面装煤机械化有促进作用。并论述了该机的工作原理，推导了装煤能力和装煤率以及刮板的运行阻力的理论计算公式。     

点荷载作用下岩石记忆效应试验研究

利用点荷载仪和应变仪,选择花岗岩和砂岩进行了分级循环加载试验,详细分析了试验过程中试件载荷、应变、泊松比及损伤因子与声发射间的变化规律,分别得到了不同循环加载阶段的各个参数与累计振铃计数的关系,并利用数理统计理论评判了各参数对先期最大值记忆的准确性和稳定性。结果表明,3个试件在点载荷作用下具有明显的记忆效应,参数载荷对先期最大值的记忆准确程度和稳定性好于其他参数。     

露天矿高台阶爆破问题

提高露天矿台阶高度,是关系我国露天金属矿山,特别是大型露天矿生产和技术发展的一个十分重要的问题。本文从合理利用炸药能量出发,论述高台阶爆破时填塞高度与装药高度比随台阶高度变化的关系。分析高台阶开采条件下,孔距与抵抗线比对爆破效果影响的规律。阐述高台阶爆破的合理装药结构,以及扩孔爆破问题。     

掺早强剂充填体在不同加载速率下裂隙破裂特性

与传统采矿法相比充填采矿法具有环保、安全等特点而在矿山生产中广泛使用,但充填过程中充填体会受到灰砂比、级配、料浆浓度等内在因素的影响,还受早强剂、加载速率等外在因素的影响。通过不同加载速率对掺早强剂与未掺早强剂充填体进行单轴压缩试验及声发射试验,对其力学性能和声发射特性进行研究。结果表明,充填体强度在不同加载速率下会呈现先增后减的趋势,且早强剂掺量不同时充填体的强度增幅也是不同的。而基于声发射特征参数RA和AF发现,随着加载速率的增加,剪切裂隙占比减少,在达到临界加载速率后随着速率的增加剪切裂隙增加。未掺早强剂充填体与掺早强剂充填体相比,在同等速率下加载所产生的剪切裂隙占比较多。     

基于应变水平的砂岩脆性破坏声发射信息研究

岩石脆性破坏过程中的声发射信息与其受载变形破坏过程密切相关,在岩石破裂前的膨胀点、应力峰值点和应力-应变曲线峰值后拐点位置存在声发射会出现突增现象。利用岩石破坏的三维重整化群理论给出了岩石破裂前声膨胀点所对应的应变和岩石峰值应力对应的应变水平比值的表达式,单轴荷载条件下其临界比约为74%与78%之间,并通过砂岩刚性加载试验得到了验证;同时通过对试验数据的分析发现,岩石破裂前的膨胀点、应力峰值点和应力-应变曲线峰值后拐点位置所对应的应变值之间具有很好的比值关系。     

加载速率对充填体强度特性影响的试验研究

充填体强度是充填采矿技术发展的关键,加载速率变化会对充填体的强度特性产生影响,针对不同灰砂比的充填体试块进行不同加载速率下的单轴抗压强度试验。结果表明：充填体强度随加载速率的增加表现出先上升后下降的现象,存在临界速率使充填体强度最大,低于该临界速率,充填体强度随速率增加而增大,高于该临界速率,试块强度随速率增加反而减小;较快的加载速率限制了充填体内部裂隙和孔隙的发展,降低了其强度弱化效应。同时,较快的加载速率加快了充填体能量的积聚和耗散的过程,缩短了试块进入弹性阶段的时间,并且能使试块在峰前积聚更多的弹性能,更早地达到轴向应力峰值。     

某矿深部灰岩蠕变声发射试验与特性研究

对某矿深部灰岩进行了蠕变声发射试验,研究灰岩在不同应力水平状态下的蠕变声发射特征。结果表明：声发射参量在恒载初期变化较活跃,灰岩的泊松比也有较大波动;进入长期恒载蠕变阶段后,声发射参量和灰岩的泊松比波动较小;当加载应力达到灰岩单轴抗压强度的90%左右时,灰岩的声发射特征参量出现突增现象。根据声发射参量的变化以及灰岩在不同蠕变阶段的应变特征,在一定程度上可对灰岩蠕变破坏进行有效预测。