循环荷载作用下煤岩力学及声发射特征研究

为研究平行层理方向煤岩体变形破坏力学特性及声发射b值演化规律,以贵州毕节矿区煤样为研究对象。借助MTS815配套声发射开展室内煤样多级循环加卸载试验。结果表明:煤的弹性模量呈现出3阶段的变化趋势,即急剧增加-缓慢增加-急剧降低;煤的泊松比与不可逆应变也呈现出3阶段的变化趋势,即缓慢增加-逐渐增加-急剧增加。随着应力水平的增加,声发射b值出现一定的波动,然后又趋于平稳。当煤样接近失稳破断时,声发射b值进一步降低。     

不同冲击倾向性煤样力学特性与能量演化规律研究

为了研究不同冲击倾向性煤样在循环载荷下的力学特征及能量演化规律,对强冲击倾向性煤样、弱冲击倾向性煤样和无冲击倾向性煤样进行系统分析,并提出了弹性能释放速率及计算方法,得到不同冲击倾向性煤样循环载荷下应力-应变曲线的特征、应变变化规律及耗散能和弹性能转化规律,给出不同冲击倾向性煤样破坏与能量演化关系。研究结论如下:无冲击倾向性煤样应力-应变曲线具有疏-密的特征,弱冲击倾向性煤样应力-应变曲线具有疏-密-疏的特征,强冲击倾向性煤样应力-应变曲线具有密的特征;随着冲击倾向性的增加,卸载峰值应变及平均卸载应变均在逐渐的减小;强、弱和无冲击倾向性煤样平均峰值应变整体呈现先增加后减小的趋势;随着循环次数的增加,耗散能整体也呈现先减少后增加的趋势,弹性能也越来越大且呈现近线性的增长;弹性能量指数呈现先增大后减小的趋势,局部出现波动;随着冲击倾向性增强,塑性能的消耗越少,储存的弹性能越多,破坏时转化的能量也就越多。     

不同加载方式下强冲击倾向性煤声发射特征研究

为探究强冲击倾向性煤在多级循环加载下能量积聚与耗散形态、损伤演化过程,以充分辨识冲击倾向性煤破坏前兆,利用TAW-2000型电液私服试验机对强冲击倾向性煤样进行了多级应变循环加载和多级应力循环加载试验。试验表明:在多级应变和应力加载条件下,振铃计数率均呈现加载初期振铃计数较高,临近破坏时振铃计数急剧增加趋势;每级加卸载产生的能量耗散与损伤变量均呈现出先降低后增加的趋势;受加载方式的影响,应力加载条件下振铃计数更高,且在载荷转换阶段,煤样有明显声发射现象,煤样内部结构劣化较快,单循环损伤程度严重,煤样累计损伤增长更快;伴随循环级数的增加FR值逐渐降低,且呈现加速下降趋势;循环加载初期煤样变形处于压密和弹性变形阶段,损伤程度低,Kaiser效应显著,上一级循环载荷超过煤样峰值强度的60%后,煤样损伤加剧,在次级加载时Felicity效应显著。     

砂岩循环加卸载下损伤特性及声发射Kaiser效应研究

为了获得砂岩循环加卸载路径下损伤特性和声发射Kaiser效应特征,开展了不同围压下砂岩循环加卸载声发射试验;从轴向应力、加载应力水平、能量耗散损伤角度,研究了三轴循环加卸载下声发射的不可逆比变化规律;评价了三轴循环加卸载下岩石Kaiser效应判断方法。结果表明:循环加卸载下耗散能损伤参数能较好地反映岩石的渐进损伤破坏,基于耗散能损伤参数的计算,能较好地反映岩石不同阶段的损伤特性,避免了应变参数计算损伤时压密阶段损伤值异常增大的现象。从应力水平、能量损伤角度分析声发射FR,更真实地反映岩石声发射Kaiser效应,随着围压增大Kaiser效应失效的应力提前,同一应力水平、相同能量损伤下,围压越大FR越小,声发射不可逆性随围压增大逐渐变得模糊。     

循环荷载模式下砂岩的力学特性及能量演化研究

基于循环加卸载试验结果,分析砂岩的应力-应变曲线特征、变形特征以及声发射能量特征,结果表明:砂岩循环加卸载曲线形成尖状滞回环,滞回环不断向后迁移;加卸载循环下砂岩峰值强度较单轴压缩降低,且与循环应力呈负相关;根据砂岩循环加卸载过程中残余应变数据,得到累计残余应变差与循环次数的变化规律;探究加卸载阶段弹性模量特征,得到卸载阶段弹性模量始终比加载阶段大,弹性模量值与循环应力呈正相关;循环加卸载下声发射能量变化呈现规律性,分析能量变化情况,得到破坏各阶段的能量释放特征。     

三轴循环加卸载作用下煤样的声发射特征

利用RMT-150B岩石力学试验机对煤样进行常规三轴、三轴循环加卸载作用下声发射试验,对不同加载条件下煤样的声发射特征进行分析。分析结果表明：在常规三轴压缩过程中声发射能量、累计计数和累计能量随时间变化趋势基本一致,均能较好反映煤样内部的破坏过程;在煤样循环加卸载过程间隔出现声发射信息,其能量、计数和幅值变化趋势一致,与煤样所受应力相吻合;煤样在常规三轴和循环加卸载破坏过程中声发射突变点在峰值应力的85%左右,可以作为判定煤样破坏的前兆;在循环加卸载过程中Felicity效应较明显,Felicity比值FR远小于1,随着循环应力水平提高,FR值不断降低,表明循环加卸载过程中声发射记忆具有超前特征,Kaiser效应的记忆效果较差,Kaiser效应作为煤体稳定性指标需谨慎。     

循环加载下冲击倾向性煤能量耗散与损伤演化研究

为研究强冲击倾向性煤在多级循环加载条件下的能量耗散特征及损伤演化过程,在实验室开展了陕西某矿煤样的多级循环加载试验,试验研究结果表明:在多级应力循环下煤样的耗散能先迅速降低,后缓慢增加,当循环上限应力达到63%破坏载荷时,耗散能开始急剧增加;而能量耗散率先迅速降低,后逐渐稳定;煤样加卸载阶段弹性模量均有增大趋势,加载阶段弹性模量先迅速增大,后缓慢增加,而卸载阶段弹性模量变化较为平稳。采用累积耗散能定义循环加载中试件的损伤变量,并建立煤样损伤演化方程,通过试验和数值计算测定各个参数。理论和试验研究表明,基于能量耗散分析建立的冲击倾向性煤损伤演化方程能够较好反映煤样的损伤演化过程。     

煤岩力学特性降解及声发射信号多参量特征试验研究

为研究循环荷载作用下煤样断裂演化过程,借助MTS815力学试验机及声发射仪对加卸载过程中煤样力学特性及声发射信号特征展开了深入的研究。结果表明:不同应力水平下,弹性模量表现出3阶段的变化趋势,即急剧增加-缓慢增加-急剧降低;泊松比与不可逆应变呈现出由线性向非线性的演变,即稳定不变-缓慢增加-急剧增加;低、中和高频特征信号占比分别为77.41%、6.18%和16.41%,其中,低频高幅值能量信号是诱导煤样发生宏观断裂的主要特征信号;微观拉伸裂纹和剪切裂纹占比分别为37.9%和62.1%;基于加卸载响应比定义的损伤因子较好地表征了不同加载阶段的损伤演化过程。     

无残余应力煤岩损伤演化模型分析

利用加卸载循环试验得到应力与全应变幂之间的关系曲线,在塑性应变分析的基础上,研究弹性模量与损伤耗能之间的关系,确定了没有残余应力的岩石在准静态过程中损伤演化的能量变化过程.研究表明：在准静态过程中,随着损伤的增大,应力总是先增大后减小而出现应力峰值,应变则有可能是先增大后减小而出现应变峰值.     

循环加卸载路径下不同含瓦斯煤渗流及损伤演化特征

循环载荷广泛存在于采矿活动中并对煤岩的强度、损伤及渗透性质产生较大影响,例如煤层群开采多重保护工程中,被保护层煤岩就受到循环加卸载作用,并显著改变了煤岩的力学及渗流特性;瓦斯对煤的力学性质及能量耗散特征也具有显著的影响,不同加卸载路径下煤岩力学及渗流特性与常规加载下的性质存在显著差异,因而有必要研究循环加卸载条件下不同含瓦斯煤的渗流及损伤演化特征。根据煤层群开采条件下被保护层应力状态实时监测的相似模拟实验结果,设计了3种简化的循环加卸载应力路径,即阶梯循环加卸载、逐级增大循环加卸载和交叉循环加卸载,采用重庆大学自主研发的含瓦斯煤流固耦合三轴渗流实验装置对取自平顶山十矿和袁庄煤矿的煤样进行了瓦斯渗流试验。结果表明:在3种循环加卸路径中,2种煤样的渗透率变化与轴向应力应变曲线具有显著的一致性,循环加卸载作用下,煤样渗透率随着应力的增大和循环次数的增加呈减小趋势;应力卸载和加载对渗透率的影响不同;渗透率受到应力和损伤累积的双重影响。相同应力水平下,煤样经过卸载-加载过程后的渗透率有降低趋势,相对恢复率随着循环次数的增加而先降低后增大,只有应力超过煤样的屈服阶段后才能使渗透率增大。主要结论为:①3种循环加卸载路径下煤样在加载阶段的增透率随应力增大和循环次数的增加都可以分为3个阶段且呈增长趋势,单位体积变化引起的渗透率增加在变大,循环荷载的增透效果随着循环次数的增加而增强。②随着峰值应力的增大和煤样中损伤的累积,渗透率对应力的敏感性逐渐降低。随着荷载的施加,应力卸载对渗透率的影响先增强后减弱。③通过计算各循环阶段的加卸载响应比得到了煤样损伤变量的演化规律,通过回归分析可知损伤变量与轴向应力之间的关系可以用Boltzmann函数表征,该函数可以作为损伤的经验公式对实验中煤样的损伤进行预测计算。④循环加卸载对煤样渗透率及损伤的作用受煤种不同的影响不明显。研究结果为深入揭示多重保护下煤层增透机制和基于循环荷载致裂(重复水力压裂等)的煤层强化增透机制及瓦斯抽采工程设计提供理论支撑。     

基于声发射计数的煤样脆塑性特征预测研究

掌握煤样脆塑性预测方法,对煤样破坏的准确预测具有重要意义。在研究区采集煤样,利用RMT-150B型岩石力学实验系统以及CDAE-1全数字化声发射检测与分析系统,对煤样加载过程中的应力-应变、声发射特征进行测试与分析。分析结果显示,脆性煤样和塑性煤样的声发射计数变化特征具有明显差别;与脆性煤样相比,塑性煤样声发射产生较早,峰值时声发射的突变性不明显,峰值后声发射缓慢降低。利用声发射计数的该变化特征差异,可以对煤样的脆塑性进行预测,这种预测方法使声发射计数在煤矿灾害预测中的应用举足轻重。     

围压下煤储层应力-应变、渗透性与声发射试验分析

煤储层应力-应变、渗透性与声发射特征是煤储层压裂改造和产能评价研究的基础,声发射技术作为研究煤、岩石类材料失稳、破裂及其演化过程有效方法,已被广泛应用。采用沁水盆地西山矿区石炭系太原组8号煤层样品开展了不同围压下煤样应力-应变、渗透性与声发射试验研究,揭示了围压对煤的应力-应变、渗透性和声发射的影响及其控制机理。研究结果表明,基于煤样全应力-应变-渗透性-声发射特征,将煤的变形破坏过程划分为孔隙压缩与弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏失稳阶段3个阶段。在孔隙压缩与弹性变形阶段,荷载作用初期煤中孔隙-裂隙逐渐被压密,煤样渗透率下降,进入弹性变形阶段,煤样渗透率较低,声发射活动不明显。在塑性变形阶段,随着轴向应力的增大煤中裂隙扩展,煤样渗透率增大,声发射活动强度明显增高并达到峰值。破坏失稳阶段,煤的轴向应力随应变的增加而降低,煤样渗透率开始下降,声发射强度也逐渐降低。煤的轴向破坏荷载和有效弹性模量以及残余强度均随围压的增高而增大,煤样的初始渗透率、峰值渗透率和残余渗透率以及累计声发射振铃计数均随着围压的增加而降低。不同围压下煤样应力-应变、渗透率和声发射特征是不同围压下煤的破坏机制所致。     

循环载荷下煤样裂隙演化试验及数值模拟

为了从宏观和细观角度深入研究煤样在循环载荷下的裂隙发育过程,基于声发射监测技术,研究了煤样在循环加、卸载条件的宏观变形及声发射特征,并采用PFC2D数值模拟软件,从细观层面分析了煤样在疲劳损伤过程中的裂隙演化规律;结果显示:循环载荷下煤样单次加、卸载产生的残余变形量经历减小、稳定和增大3个阶段,变形曲线呈"疏-密-疏"的特征;声发射参量表现为降低、稳定和升高阶段,峰值振铃计数呈"U"型,累计能量和撞击计数呈倒"S"型。数值模拟结果看出:循环初期煤样的微裂纹随机分布,中期微裂纹不断积聚,并初步形成剪切破裂带,循环后期主剪切破裂带形成,最终导致煤样破坏,煤样的破坏以剪切破坏为主。     

不同节理夹角煤单轴压缩力学和声发射响应及影响机制

煤岩的力学特性和声发射响应规律对冲击地压监测预警至关重要,为研究加载方向与节理面夹角(α)对煤样力学特性、裂纹扩展方式及声发射响应的影响,对不同加载方向与节理面夹角的煤样进行单轴压缩试验,并分析了力学和声发射信号响应规律。结果表明:加载方向与节理面夹角对煤样力学特性和声发射响应规律有显著影响。随α增大,峰值载荷和破坏时间均呈先微降后增大的趋势,峰后破坏时间从0°到30°出现陡降趋势。α≤45°煤样的应力-应变在峰值或峰值后出现震荡起伏现象,单轴抗压强度和应变量均小于α45°的煤样。α45°煤样的应力-应变曲线在峰值或峰值后无震荡起伏现象;α≤45°的煤样受力以平行节理面应力分量为主,更容易产生沿节理面的滑移破坏,振铃累计值陡增和大能量声发射信号主要集中在峰后阶段,声发射信号与应力降具有很高的相关性。α45°的煤样受力以垂直节理面应力分量为主,更容易产生挤压摩擦破坏,在应力稳定上升阶段就伴随着大量的声发射信号,大能量声发射信号主要集中在峰前阶段;随α增大,煤样表现出的冲击倾向性越强,声发射信号以45°为界表现出不同的峰前峰后特征。因此,鉴定煤冲击倾向性和利用声发射进行冲击地压监测预警时,需充分考虑煤层节理面与现场受力情况。     

循环荷载条件下原煤力学性质及损伤演化规律

对原煤试样分别进行了常规加载和循环荷载条件下的单轴和三轴力学强度试验,借助声发射技术,系统研究了单轴循环荷载及三轴循环荷载条件下原煤的损伤演化规律并对比分析。常规循环荷载试验结果显示:从循环初始至结束,煤岩内部损伤过程具有明显的3阶段,即初始损伤阶段,微裂纹扩展萌生稳定增长阶段,裂纹贯通破坏阶段;定量分析了应变峰值、卸载刚度及损伤变量在循环荷载过程中的变化规律,单轴循环试验初始损伤阶段的损伤程度较大,第3阶段损伤变量变化显著;三轴循环试验损伤过程中第1阶段最显著,而在损伤第3阶段,煤样临近破坏时损伤变量略微升高,与单轴试验损伤变量显著增加的情况不同;循环应力上限处声发射现象最强烈,说明循环过程中应力上限时的内部损伤程度最大。分级循环荷载试验结果显示:分级荷载增加初期应变回滞环较密集,声发射现象显著,试样破坏时声发射计数最大;各级循环也具有损伤不同阶段特征,达到损伤稳定阶段的损伤变量近似值与均值压力呈指数型变化关系。     

花岗岩单轴循环加卸载试验及声发射特性研究

利用TAW-2000D数字控制式电液伺服试验机和SDAES数字声发射检测仪,对花岗岩进行了单轴循环加卸载室内力学试验,研究了花岗岩在不同加载路径下的岩石强度特征、变形特征、声发射特征。试验结果表明:恒下限和恒差值单轴循环加卸载的平均抗压强度分别比常规单轴压缩试验增加了18.7%和13.2%,表现出了典型的脆性岩石峰值强度的强化作用;对比分析各组试验的应力应变曲线,发现试件所得到的弹性恢复时间越多,其变形极限也就随之增大;声发射事件数与应力应变曲线具有良好的对应关系,处于压密阶段和弹性压缩阶段的声发射数量较少,随着荷载不断增大,内部裂纹迅速发育,损伤程度逐渐加重,处于裂纹发育阶段的声发射现象十分活跃,分析声发射数量与应力之间的关系,论证了Kaiser效应和Felicity效应。     

水对煤样的力学特性及声电特征影响分析

为得到水对煤样力学性质及声电特征的影响规律,对干燥煤样和饱和煤样进行了拉伸试验,比较分析了拉伸过程中干燥、饱和煤样的应力-应变和声电信号的变化差异。研究表明:拉伸过程中,煤样经历了应变线性增长、塑性增长和拉伸破裂3个阶段,电磁辐射及声发射信号与煤样变形破裂基本同步对应,加载初期,声电信号较小,当发生塑性变形或破裂变形时,声电信号迅速增长至峰值;水使煤样的抗拉强度降低31.5%,使拉应变增长101.1%,即水对煤样具有降低强度、增加塑性,使声电信号衰减的作用。监测分析表明煤样声电信号的变化幅度可评价水对煤样的影响程度。     

循环载荷下软硬煤样的疲劳损伤差异性研究

为研究软、硬两种煤样的疲劳损伤差异性,采用等幅三角波循环加卸载方式进行循环载荷试验,通过对比分析两种煤样的力学特性和声发射参量的差异,揭示软、硬煤样的疲劳损伤机制。试验结果表明：循环载荷下,软煤煤样出现连续的滞回环,硬煤煤样的滞回环基本重合。声发射参量均表现出明显的循环特性,整个试验过程中,硬煤煤样的峰值振铃数相当,软煤煤样呈现“先稳定后依次降低”的规律；硬煤煤样的声发射累计能量和撞击数呈“阶梯状直线上升”趋势,而软煤煤样出现明显的“转折点”。声发射参量的动态变化表明循环载荷下软、硬煤样的损伤演化过程存在明显差异,进而为不同煤体破裂机理研究及煤岩动力灾害的预测和防治提供指导依据。     

循环加卸载下含瓦斯煤能耗与渗流特性研究

以马兰矿8#煤层煤样为研究对象,进行不同围压下的采动轴向循环加卸载实验,研究煤体渗流特性及能耗损伤特征。结果表明:随着轴向应力的循环加卸载,σ1-ε1曲线呈现螺旋式上升,卸载曲线与下一次的加载曲线之间形成明显的滞回环,加卸载渗透率-应变曲线逐渐变为细长的"条带状"曲线,并在较低围压下出现交叉;随着加卸载次数的增加,渗透率绝对恢复率减小,最大降低率达20%左右,围压越大渗透率恢复越困难。随着加卸载上限应力的增大,煤体在加卸载过程中吸收的总能量、弹性能和耗散能均随着循环次数的增加而增加,煤体的损伤变量也在增大,但增加速率较缓;在循环加卸载结束至煤体屈服点阶段,渗透率随损伤增加呈对数函数减小,直至达到渗透率最低点;在屈服点至煤体破坏阶段,煤体损伤变量增加速率变快,渗透率随损伤的增加呈指数函数增大,煤体开始加速破坏。     

加卸荷条件下胶结充填体声发射b值特征研究

为认识胶结充填体在外界扰动下的响应特征,进行了单轴循环加卸载试验,研究了胶结充填体在加-卸载过程中声发射b值特征。试验结果表明:在胶结充填体压密阶段,声发射b值先减小后增大;在弹性阶段,声发射b值随应力的增大而有序下降;经多次加卸载后,当加载应力不断接近峰值应力时,声发射b值持续大幅度减小。在卸载阶段,胶结充填体具有明显的声发射事件。当卸载始于压密阶段时,声发射b值是逐渐增大的;当卸载始于弹性阶段时,声发射b值在小范围内波动;当卸载始于胶结充填体临界状态时,声发射b值呈现"台阶"状上升。声发射b值数值表现出的不同特征,说明在加卸载过程中微破裂处于动态演化之中。