20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机的研制

详细介绍自行研制的20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机,该试验机主要由主机加载系统、高温压力室与温控系统、辅机装料系统以及测试系统4个部分组成.最大轴压和侧压均为10000kN,试样尺寸为φ200mm×400mm,试样最高加热稳定温度为600℃.介绍试验机研制的关键技术难点和解决方案,与普通用于地球物理研究的高温高压试验机相比,具有如下显著特点:(1)试样大,是普通的高温高压试验机试样体积的64倍,可以更好地反映岩体的特性;(2)实现伺服控制加载,可以方便地研究岩体在各种温度下的变形特性;(3)具有研究渗透性、矿物热解过程的变形特性等多种功能;(4)具有在高温下施工钻孔并研究钻孔岩石蠕变特性的功能;(5)主要用于研究岩体的工程特性.采用该试验机进行煤试样在高温高压下的变形特性试验,揭示煤体在高温下的应力-应变特征,特别是高温下塑性强化特性、在塑性阶段无体积膨胀特性,发现其弹性模量随温度的增加呈指数衰减特性.该试验机可用于探索深部采矿、煤炭地下直接液化与气化、地热开采、矿山安全、建筑安全等工程领域深刻的科学规律与自然现象,为能源与资源开发提供原创性的思路与研究方向.     

不同冷却模式下花岗岩强度对比与热破坏能力表征试验研究

不同冷却模式下热对花岗岩的破坏能力不同,其细观破裂程度和宏观力学特性表现也不同。在20℃空气中自然冷却和20℃恒温水中热冲击急剧冷却2种模式下花岗岩单轴抗压强度和表面降温规律的对比试验研究的基础上,引入"热冲击因子",建立不同冷却介质环境下热传递数值模拟方法,从传热角度探究不同冷却介质对花岗岩强度劣化机制,找到能够清晰描述热对岩石破坏能力的物理量,从而对热的破坏能力做进一步的定量划分。研究结果表明:(1)2种冷却模式下,因热冲击急剧冷却模式的换热系数远大于自然冷却的换热系数,热冲击因子数值变大,动态热应力相应也随之变大,试件内部破裂严重,裂隙密度增多,力学强度劣化更严重;(2)20℃恒温水中热冲击冷却模式下,花岗岩的抗压强度仅为20℃空气中自然冷却模式下的抗压强度的85%~90%;(3)不同冷却模式下热传递过程中,花岗岩试件内部形成的温度梯度、热冲击因子、热应力的演化过程和规律一致,其最大值总是出现在靠近试件表面的位置;(4)热冲击因子能较好地表征热破坏能力,花岗岩的单轴抗压强度与最大热冲击因子具有很好的相关性;(5)根据热冲击因子的演化规律,可以确定花岗岩试件内部破裂最严重的具体时间,热冲击因子可以实现对热破坏能力的定量表征。     

块裂介质岩体变形与气体渗流的耦合数学模型及其应用

在详细论述岩体基质岩块与裂缝变形,气体渗流及相互作用物理机制的基础上,提出了块裂介质岩体变形与气体渗流的耦合数学模型及其数值解法,这是岩体介质固气耦合数学模型的重要发展,以含裂缝煤层瓦斯抽放为例,通过数值分析,揭示了含裂缝煤层瓦斯在基质岩块和裂缝中运移,传递和交换,伴随的岩体裂缝和基质岩块变形和应力分布,及其对瓦斯气体运移的相互作用影响规律。     

孔隙水压引起煤体固结变形的研究

介绍了测试煤样在３轴应力状态下，由于孔隙水压的作用而引起煤体固结变形的实验方法。实验表明，这种固结变形随作用于煤样上体积应力的增加呈负指数规律变化，而随孔隙水压的增加呈正指数规律变化。这一实验结论为岩石水力学学科中有效应力的研究揭示了新的规律，具有重要意义。     

回采巷道锚杆支护参数的数值模拟研究

运用数值分析的方法，按照正交设计，对某一确定回采巷道锚杆支护参数进行了数值模拟，得出锚杆长度超出松动圈０．２５ｍ、顶板与两帮为两角分布时对围岩移近量影响最小的结论，为合理选择支护参数提供了理论依据     

低渗透煤岩体水力压裂的数值模拟

建立了模拟低渗透煤岩体水力压裂裂纹扩展以及固液耦合作用的数学模型，并推导了该模型的数值解法，通过潞安矿务局王庄煤矿低渗透性３号煤层注水的实例分析，结果表明：水力压裂过程中，裂缝的宽度不随水压升高的而无限增大，所需的扩缝压力随裂缝增长而降低，这对于提高低渗透性煤岩体水力压裂的效果有重要的指导意义。     

钙芒硝溶解重结晶过程中孔隙演化规律试验研究

 采用μCT225KVFCB高精度显微CT试验系统,借助X射线衰减系数,从细观角度揭示溶解重结晶过程中钙芒硝的孔隙演化规律。研究结果表明：随着溶解重结晶的进行,钙芒硝孔隙率逐渐增大,总比表面积逐渐减小,而孔隙平均直径、通道比表面积和最大连通团先变大后变小。这些研究结论对钙芒硝原位水溶开采的实施和控制具有非常重要的意义。     

温度对褐煤渗透特性影响的试验研究

采用太原理工大学采矿工艺研究所研制的煤(岩)MDS200三轴渗透试验机,在不同应力、不同温度条件下,对内蒙乌盟矿区褐煤进行热渗透试验研究。研究结果表明:随着煤层埋藏深度的增加,即体积应力的增加,褐煤渗透率总体上是呈下降趋势;在温度和体积应力不变的情况下,褐煤随着孔隙压力的增大,渗透率呈先下降,再增大的趋势,其临界点为2MPa左右;在体积应力和孔隙压力不变的情况下,随着温度的升高(100℃以内),褐煤的渗透率呈先下降,再急剧增大,再减小的趋势,渗透率的极低点温度为50℃左右,极高点温度80℃左右;当温度小于50℃时,随着孔隙压力的增大,渗透率呈下降趋势,当温度高于50℃时,随着孔隙压力的增大,渗透率呈上升趋势。     

岩石热破裂与渗透性相关规律的试验研究

岩石热破裂是一类极为普遍的自然与工程现象。利用"600℃20MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机系统"进行砂岩和花岗岩在常温至600℃范围内的声发射特征和渗透性演化规律的试验研究,揭示岩石的热破裂规律与渗透性的相关特征,其结果如下:(1)花岗岩和砂岩受热作用,在常温到600℃区间,其热破裂存在一个清晰的门槛值。从声发射特征来看,永城细砂岩与鲁灰花岗岩的热破裂门槛值分别为170℃和65℃。(2)岩石热破裂门槛值之后,随温度升高,热破裂呈间断性与多期性变化特征,从常温到600℃,既非单调增加,也非单调减少,一般存在2个以上的峰值区间。(3)随着温度的升高,伴随岩石峰值破裂段的发生,岩石的渗透率也呈现出同步的多个峰值段,伴随着声发射平静期滞后出现渗透率相对降低区,但渗透率仍然维持在一个较高水平,而且随着声发射剧烈期出现次数的增加,渗透率愈来愈大。