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。     

基于三轴试验与数值模拟的大理岩破坏特征研究

为了研究深部围岩在不同围压下的力学性质与破坏特征, 对不同围压下大理岩开展了三轴压缩试验; 利用RFPA^2D数值模拟软件对大理岩开展了不同围压下应力-应变特征、强度与声发射特征等研究。结果表明, 岩样峰值应力与围压有关, 随着围压增大, 岩样逐渐由脆性破坏转为延性破坏; 岩石弹性模量随着围压增大表现出非线性增大规律; 数值模拟结果也表明, 岩样声发射现象在单轴压缩时反应强烈, 伴随围压增大, 岩样声发射特征参数逐渐趋于稳定, 围压对岩石横向应变有明显束缚作用, 降低了岩石能量释放与破坏程度。RFPA^2D数值模拟可呈现大理岩试样在不同围压下裂纹萌生、发育、汇合至试样破坏的全过程, 其模拟结果与室内试验结果吻合度较高, 验证了结论的可靠性, 可为矿山深部开采提供理论依据和现实指导。     

白砂岩卸围压强度与损伤破坏特征

为了探讨白砂岩卸围压强度变形特征,利用RMT岩石力学试验系统进行了常规三轴、恒轴压卸围压应力路径试验,分析了白砂岩卸围压强度、变形、稳定时间和损伤破坏特征。获得以下主要结论:相同初始围压下,卸围压速率越大,屈服段越小,相同卸围压速率下初始围压越大屈服特性越明显;相同初始围压下,随着卸围压速率的减小,白砂岩破坏时的轴向变形增大,表明脆性减弱而延性增强,破坏时的内部损伤越严重;随着卸围压速率的减小,同一初始围压下破坏时围压增加,围压降减小而围压比增大;初始围压越大白砂岩稳定时间越长,但随着卸围压速率的增大稳定时间迅速减小,卸围压速率达到1 MPa/s时,初始围压对稳定时间的影响已很小,不同初始围压下单位围压稳定时间的减小规律基本一致,且受初始围压影响甚微;卸围压应力路径对白砂岩的黏聚力有弱化效应,而对内摩擦角有强化作用,卸围压速率越大内摩擦角越大,黏聚力越小;利用八面体剪应力,基于Mogi-Coulomb强度准则获得了白砂岩强度判别通式;卸围压应力过程中声发射振铃计数一直处于较低水平,在破坏之前没有渐进增长的变化过程,且最大声发射出现在应力峰值处,可知卸围压过程中岩样内部损伤发展缓慢,损伤的快速发展形成主控破裂面主要出现在峰值处,且破坏之前没有声发射渐增先兆,破坏突然;白砂岩发生典型单一破裂面的剪切破坏,且随着卸围压速率的增大,破裂角整体呈增大趋势。     

不同围压下页岩残余强度及破裂面特征的试验研究

以页岩为研究对象,通过室内单轴和不同围压下的常规三轴压缩试验,对破坏后页岩中的破裂面倾角和破裂面擦痕对峰后强度及变形特性的影响进行了系统研究。结果表明:页岩从屈服破坏至稳定残余阶段主要发生的是黏聚力的弱化过程,破裂面的摩擦角减弱量较小;由于破裂面的倾角随着围压的增大而减小,使得页岩残余强度与峰值强度的比值随着围压的升高而增大,而且低围压下页岩残余强度比峰值强度受围压影响更明显;岩石破裂面擦痕具有明显的分形特征,破裂面擦痕的分形维数随围压的增大而非线性增加,岩石残余强度和其对应的破裂面擦痕分形维数具有较好的指数函数关系。     

砂岩力学特性与本构方程

采用MTS815岩石力学测试系统和CT机对高围压下砂岩的变形规律和断裂特征进行了试验研究,得到岩石应力应变全过程曲线。研究表明,岩石变形规律分为初始压密、弹性变形、应变硬化、应变软化4个阶段;随围压的增高,岩石的强度和残余强度增大,峰值应力点对应的轴向应变、横向应变增大,弹性变形阶段增长,岩石呈脆性-塑性-延性转变;三轴压缩试验试件破坏形式为剪切破坏,且破裂面与水平方向的夹角随围压的增高而减小。根据岩石的变形规律,对邓肯-张(Duncan-Chang)本构方程进行了改进,改进的本构方程能更好地描述岩石的变形特性。     

混合岩变形及损伤演化试验研究

利用SAM-2000型岩石伺服试验系统和DS2声发射监测仪,对混合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：轴应变随着围压的变化呈现线性正相关关系;混合岩岩样每出现裂缝时,累计声发射振铃计数数值将发生骤增,且随着围压的增大,岩石破裂前夕声发射特征参数呈现突发性特征;建立了混合岩体应变损伤演化模型,该混合岩体应变损伤演化模型描述混合岩损伤过程分为初始损伤阶段、损伤稳定发展阶段、损伤加速发展阶段及损伤破坏阶段;低围压下混合岩主要发生弹脆性破坏,随着围压的增大,混合岩由弹脆性到延性的转换,混合岩在20MPa围压压缩过程中发生由延性状态转化为塑性状态。该结果合理地反映由低围压到高围压,混合岩由弹脆性到弹延性再到弹塑性的转化。     

围压下岩石破坏过程的离散元模拟

采用离散元软件PFC2D对模拟岩样进行了双轴压缩模拟,从细观角度观察和分析了围压对岩石强度特征、变形特征和破坏形态的影响。研究结果表明:随围压增加,岩样的抗压强度呈线性增强,且符合库伦强度准则;岩样的初始破裂应力和裂损应力均随围压增大而线性增大,但与峰值抗压强度的比值接近常数;岩样的弹性模量亦随围压增大而增大,但在较高围压时趋于平稳;压缩过程岩样轴向峰值应变和径向峰值应变均随围压增大呈线性增大,轴向峰值应变的增加幅度更大,且在模拟围压范围内均出现了体积扩容现象;围压下岩样以剪切破坏为主,且随围压增大,岩样破坏模式由脆性向延性转变,但围压对破坏角的影响较小,符合库伦准则。     

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。     

不同加载条件下花岗岩声发射特征及其岩爆倾向性研究

试验现场取样并利用TYP-500型三轴试验机进行岩石力学实验,借助PCI-2声发射系统记录试件的加载破坏全过程的声发射响应信号;通过声发射振铃计数分析单调加载不同围压、循环加卸载不同围压、单轴不同加载以及三轴不同加载条件下花岗岩声发射特征,发现常规单轴和常规三轴试验岩样声发射规律基本一致;大致均在峰值应力强度的90％左右,声发射累计计数突然增大,可将此作为判定花岗岩破坏的前兆特征;在室内岩石力学试验与现场调研的基础上,基于全应力-应变图,结合冲击能系数判据,确定金源矿区的岩爆倾向性,且用单轴循环加卸载方式来快速判断岩石岩爆倾向性具有一定的参考价值,并可在进一步的研究中将其应用到现场预测当中。     

不同加载速率对类软岩三轴峰值强度的试验研究

利用相似材料配制类软岩试件,对类软岩试件进行不同围压下不同加载速率的三轴破坏室内试验,分析了不同围压下不同加载速率对类软岩的应力应变曲线、三轴峰值强度、轴向应变等物理参数的影响。得出结论,相同围压下,类软岩试件峰值强度、应变整体上随加载速率增大先升高后降低,但相比围压为0的环境,峰值强度降低缓慢;相同加载速率下,围压越高,峰值强度和应变越大;加载速率为0.5 MPa/s时,相邻围压间的峰值强度差值较为均等。     

蠕动磨削力随机性和非线性的研究

提出了随机性、非线性的蠕动磨削力数学模型,花岗岩锯切实验验证了该模型的正确性,研究结果可以应用于砂轮、锯片磨损形貌研究和磨削参数选择。     

表面改性加重质的流化特性与分选特性

为提高空气重介质流化床对不同外在水分入选煤的适应性,对磁铁矿粉进行表面疏水改性是一条有效的途径。研究了表面改性对磁铁矿粉流化特性的影响,结果表明：表面改性提高了磁铁矿粉的最小流化速度,但对床层压降分布无显著影响;与改性前相比,床层密度更均一、稳定,有利于形成高质量的流化状态;随着入选煤的外在水分的逐渐提高,对改性前后的磁铁矿粉流化特性都有影响,表面改性使入选煤的外在水分上限从2%提高到4%,并且在水分含量为4%时仍然保持较好的流化状态。以改性磁铁矿粉作为加重质,形成的流化床具有良好的分选性能,分选试验结果表明,入选煤外在水分为3%时,分选密度为1.55和1.82 g/cm³时,可能偏差E值均为0.075。     

焙烧凹凸棒石矿物学特征、氨氮吸附过程与特性

以天然凹凸棒石为试验样品,对其进行焙烧热处理,分析其矿物学特征并研究不同焙烧温度下凹凸棒石对模拟氨氮污水中氨氮去除过程和特性。研究结果表明,凹凸棒石经焙烧后,随着温度增加失水量逐渐增加,在达到600 ℃时,内部结构开始破坏并逐渐产生新物相。经过450 ℃焙烧热处理,凹凸棒石对氨氮去除效果最好,此时氨氮去除率为60.06%。吸附过程与准二级反应动力学方程和Langmuir等温线拟合程度高,凹凸棒石以化学吸附为主,吸附过程具有前期快速吸附、后期缓慢平衡的特征。      

砂岩岩爆声发射特征及b值动态特性试验研究

在单轴加载条件下,对砂岩进行全程加载声发射试验,得到砂岩岩爆破坏过程中的应力-应变曲线、声发射参数与时间关系曲线。根据需要选择声发射累计数、震级-频度关系中的b值变化规律,研究了砂岩岩爆的前兆信息。研究表明,在砂岩弹性变形阶段后期和塑性变形阶段,声发射累计数快速增加,b值持续下降;在砂岩发生岩爆前,b值下降到最低值。对声发射累计数和b值进行联合分析,能更加准确地预知岩爆的发生。     

灰岩三轴卸荷力学特性及声发射特征的高温后效应

为了研究高温后灰岩三轴卸荷力学特性及声发射特征,利用MTS815型程控伺服刚性试验机对高温后灰岩进行三轴卸荷试验,同时进行声发射监测。研究发现:低于400℃,温度对灰岩具有强化作用,高于400℃,温度对灰岩具有劣化作用,声发射计数率也反映了这一特征。温度能降低灰岩扩容应力水平,高温处理后,随着温度的升高,扩容应力水平又逐渐增大。高温作用后,除100℃外,灰岩在外力作用过程中更易释放能量,内部裂纹的形成、扩展以及贯通更易进行。     

茂名盆地油柑窝组褐煤微观孔隙结构特征与分形特征

以广东茂名盆地油柑窝组褐煤为研究对象,利用高压压汞、扫描电镜等实验技术手段,探究褐煤微观储集空间的发育特征。结果表明:茂名盆地油柑窝组褐煤TOC(%)介于40.8%~67.4%之间,Ro介于0.37%~0.43%之间,成熟度较低;孔隙度介于12%~24%之间,孔隙以中孔、过渡孔为主;样品表面特征复杂,微米级孔隙、微裂隙较为发育;分形维数介于2.80~2.91之间,样品微观储集空间发育结构复杂,非均质性极强。     

岩石工程预测的特征

为进一步提高岩土预测的水平,结合已有的工程实例,对岩土工程预测水平的现状及其在实际应用中 的特征进行了分析、控制。     

煤的拉曼光谱特征

煤具有石墨微晶的特性,对煤微晶结构及其演化的研究在煤岩学、煤化学和煤地质学等领域均有极其重要的意义。通过对不同变质变形程度的煤进行拉曼光谱测试,发现煤微晶结构及其演化与拉曼光谱特征之间存在密切关系：一级模区分出5个峰,分别为D1~D4峰及G峰谱带,芳构化及芳环缩合作用的增强均会导致峰位差(G-D1)的急剧增大和半高宽比(G/D1)的急剧减小,拼叠作用则使得峰位差开始减小,半高宽比降幅减缓;二级模可区分出3个峰,分别为2D1峰、D1+G峰与2G峰谱带,低煤阶煤3峰难以区分,高煤阶煤3峰独立出现。这些特征表明煤中的石墨微晶经历了从小到大、从无序到有序的一个演化过程。同一煤层峰位差和半高宽比的差异反映出软煤分层的煤化程度略高于硬煤。可见拉曼光谱是一种研究煤结构的有效手段。     

吴堡矿区煤层发育特征

吴堡矿区是鄂尔多斯盆地最后勘探的大型矿区,矿区以焦煤资源为主,含煤层数多,主要可采煤层有两层,即s1号煤层和t1号煤层,s1煤层厚度在0.56～2.92m之间,平均厚度2.08m,t1号煤层厚度在8.69～9.91m之间,平均厚度9.25m,具有较好的开发前景。     

电特性在机械传动中的应用

介绍了应用电特性简化机械传动的方法,降低成本、自动化程度高、减小机构体积、噪音小、不需润滑油、环保性凸显是这项技术的突出优点。在煤矿机械、起重运输机械、石油机械、铁路机械等领域,具有重要实用价值。