裂隙煤体受载破坏红外辐射特征规律研究

为了研究裂隙煤体受载破坏红外辐射变化特征规律,进行了单轴压缩条件下预制裂隙煤样红外辐射实验,对比分析了预制裂隙煤样与完整煤样受载破坏过程红外辐射温度以及红外热像云图的变化特征。结果表明：相对于完整煤样,预制裂隙煤样受载破坏过程中最高红外辐射温度突增量相对较小,而平均红外辐射温度突增量相对较大,且在主破裂发生前,红外辐射温度曲线波动较小;红外热像云图的变化更加明显,主破裂发生前,白色和深蓝色低温区域逐渐缩小,可以作为预测煤体失稳破坏的前兆信息。     

基于不同加载速率的含瓦斯煤体裂隙演化规律研究

为研究不同加载速率对含瓦斯煤体试件破坏过程中损伤单元数分布情况及瓦斯渗流情况的影响,采用数值模拟方法,得出五条结论。     

卸载煤体渗透特性及微观结构应力效应研究

针对加载、卸载作用下煤体变形及渗透机制的复杂性,利用渗透-力学耦合特性测定仪,根据瞬态脉冲原理,在40℃下,研究了不同卸载状态时CH4在煤体中的渗透行为,并就卸载前后煤样红外光谱和透射电镜结果进行对比分析,从微观角度讨论了加卸载对渗透特性的影响及引起煤体微观结构的应力效应.研究结果表明:带围压试验的煤样渗透率均较低,卸载到设定值后渗透率增高,且有效围压越大,渗透率变化越大;在微观上,煤样的有效围压越大,红外光谱特征参数I2值越高,脂肪链变长且易断裂和脱落,裂隙结构面活性增强,煤体颗粒易于损伤而破裂,并呈现出颗粒多碎性和强度弱化区,对煤体微裂纹的萌生、扩展直至形成宏观裂纹起加剧作用,卸载后煤体渗透率增大.     

不同加卸载下层理裂隙煤体的渗透特性研究

为获取不同载荷条件层理裂隙煤体渗透演化规律,采用煤岩渗透-力学试验系统,在加载、卸载过程中对含层理原煤试件进行渗透实验研究。实验结果表明:加载阶段,随着有效应力的增大,层理面间隙宽变小,渗透率降低,加载初期的渗透率急剧降低,当有效应力从1 MPa升高到7MPa时,渗透率下降近81%,随后渗透率的变化趋于平缓;卸载阶段,随着围压的不断卸除,受压的层理裂隙得以逐渐恢复,渗透率逐渐增大,但最终渗透率只恢复到初始值的14%,即加载过程煤体层理裂隙变形、闭合对裂隙面造成永久性的损伤,使得在卸载过程中难以恢复而造成渗透率损失;并结合实验条件建立了层理裂隙煤体渗透率与有效应力之间的理论模型,与实验结果对比分析,具有较好的吻合度。     

不同加载速率下含瓦斯突出煤体受载破坏损伤特征研究

为研究加载速率对含瓦斯突出煤体受载损伤特征的影响规律,开展了0.001、0.005、0.01、0.05、0.1 mm/s等5种加载速率下含瓦斯突出煤单轴压缩实验,从声发射累计损伤和煤体表面裂隙分形数2个方面分析了煤体的损伤特征。结果表明:随着加载速率增大,含瓦斯突出煤体的单轴抗压强度均逐渐减小,并呈现出对数函数关系;随着应力不断增大,煤体损伤曲线呈现出平静期、提速运动期和加速运动期,煤体最大损伤值均出现在峰后破坏阶段;随着加载速率增大,煤体的最大损伤值呈现出先增加后降低的规律,加载速率0.05 mm/s为曲线的拐点;煤体破坏后表面裂隙的分维数也随着加载速率增加呈现出先增加后降低的规律,拐点出现在加载速率为0.05 mm/s时,2种方法所得结论一致。     

单轴压缩下松软煤体波速演化与裂隙分布特征

为研究松软煤体超声波传播规律与破坏特征,选用型煤代替原煤,设定3条波速传播路径,运用MTS岩石力学实验机、PCI-II声发射仪开展单轴压缩条件下煤体多路径波速同步监测试验,引入各向异性指数分析波速演化规律;选定3个横、纵向切面,采用CT扫描设备开展破坏特征观测试验,重构破坏后煤体细观几何结构,对比研究二维横纵切面裂隙分布差异性;探讨波速和三维裂隙体积的关系。结果表明：(1)随轴向应变的增加,平行、垂直加载方向及煤体平均波速均表现出先平稳后降低再平稳的基本规律,波速各向异性指数具有先平稳后增大再平稳的变化趋势;垂直加载方向波速最先下降,且降幅最大。(2)与纵向切面相比,破坏后煤体横向切面裂隙谱峰占比和裂隙分形维数均较大,裂隙密度较高,裂隙形态也较为复杂。(3)随裂隙体积的增大,破坏后煤体平均波速大致呈线性降低,单轴荷载作用下煤体内部裂隙扩展以平行加载方向为主,裂隙竖向线状扩展是造成各方向波速和横纵切面破坏特征差异性的主要原因。(4)与平行加载方向相比,采用垂直加载方向波速求得的损伤变量较大、评价煤体损伤破坏状态也更为可靠。现场采用声波评价煤体破坏状态时,将声波传播路径设置为垂直煤体受载（...     

加卸载煤体损伤-渗透特性影响因素实验研究

深部煤层开采过程中,多重因素影响着煤体损伤-渗透特性.为揭示采动煤体损伤-渗透特性演化规律,开展了不同工程条件代表的恒围压加轴压(路径1)、恒轴压卸围压(路径2)和同时加轴压卸围压(路径3)3种力学路径下煤体损伤-渗透实验,分析加卸载方式、轴压加载速率、围压卸荷速率以及围压等因素对型煤煤体损伤-渗透特性的影响规律.结果...     

多级围压变应力下限循环加卸载煤体冲击倾向性特征研究

围压作用下煤体冲击倾向性研究对于探明地下深部矿井中煤体冲击地压形成机理起着关键作用。为了探究不同围压作用对煤体冲击倾向性的影响,对煤体进行了多级围压下不同应力下限循环加卸载。结果表明：在3、6、9 MPa围压环境下变应力下限循环加卸载作用后煤试件抗压强度分别增加了3.1%、4.7%、6.2%,最后一级循环加卸载过程中轴向应变分别增加了0.61%、0.42%、0.28%,体积应变分别增长了0.32%、0.24%、0.17%,表明煤体受到的围压越大对煤体变形约束越强;随着围压的提高,声发射事件累积数量逐渐降低,峰后声发射累积数量不断降低,累积能量同样逐步降低,表明随着围压的升高,煤试件变得更加致密,破坏形式逐渐由脆性破坏过渡到韧性破坏;经过3、6、9 MPa围压作用,输入能U_inⁿ与弹性应变能U _eⁿ不断升高,较之常压条件下煤试件剩余弹性能指数C_EF分别提高了21.76%、42.92%、71.69%,说明围压对煤体冲击倾向性具有增强作用,且剩余弹性能指数C_EF...     

微波辐射下含水分煤体孔渗特性及表面裂隙演化特征实验研究

可控源微波辐射法因其选择性加热、热效率高、环保等特点,被认为是一种极具发展前景的煤层增透新方法。煤体中的水分作为一种良好的吸波介质,将对煤体的吸收微波能力产生重要影响。为了探索煤体中的水分对微波致裂煤体效果的影响,采用自主研制的微波辐射实验装置和基于核磁共振(NMR)测试的煤体孔隙结构定量表征方法,研究了微波辐射前后煤体的NMR弛豫时间T₂图谱的变化规律和煤体表面裂隙分布特征,揭示了微波辐射下不同含水饱和度煤体孔隙的数量、尺度、连通性以及煤体的核磁渗透率和表面裂隙的演化规律。研究表明:无论煤体含水饱和度的高低,微波辐射后煤体微孔的数量与体积减少、煤体中孔和大孔及微裂隙的数量与体积均增加,各类尺寸孔隙之间的连通性得到改善,从而表现为煤体核磁渗透率增大且煤体表面出现原生裂隙扩展、新孔洞裂隙发育、煤体剥离和脱落和新的裂隙网络形成等现象;随着煤体含水饱和度的增加,微波辐射后煤体孔隙的数量、尺度与连通性以及渗透性的变化幅度呈现出"小幅减小—急剧减小—轻微增加"的趋势;微波对煤体的选择性热效应所产生的热应力引起煤体热破裂是煤体渗透性提高的主要原因,而微波辐射下煤体中水分蒸发所...     

不同围压下含预制裂隙煤体裂隙演化特征研究

为探究不同围压下含预制裂隙煤体裂隙演化特征,基于受载煤岩工业CT扫描系统开展不同围压下三轴压缩试验,通过受载煤体内部裂隙三维可视化分析,研究不同围压下煤体裂隙演化规律,借助PFC模拟软件,以裂纹数量为量化指标表征围压对裂纹发育程度的影响。此外,推导出考虑裂隙宽度的应力强度因子表达式,并以最大周向应力准则计算裂隙的理论起裂角度。结果表明：随着围压的增大,裂隙起裂角度减小,3,5,7 MPa围压下,翼裂纹在预制裂隙端部沿着最大主应力方向扩展,最终呈现为“X”或“Y”型拉-剪复合型破坏,9 MPa围压下,煤体翼裂纹发育受阻,次生裂纹充分扩展,呈现出次生裂纹沿共面扩展的剪切破坏形式;围压效应和剪切裂纹的互锁效应均对裂隙发育模式产生影响,但二者作用机制不同,前者为全局作用,后者必须在原生裂隙压密到一定程度时才发挥作用;矿物颗粒赋存状态影响裂隙的发育形态,由纯粹拉应力导致的翼裂纹较为完整,而次生裂纹则呈“残缺”状态,该残缺状态随围压增加而增加;峰值应力前,各裂纹数量呈先减少后增加的规律,拉伸裂纹占比不断减少;经典欧文Ⅰ型应力强度因子适用于张开型裂隙,采用考虑裂隙宽度的应力强度因子计算的起裂角度更接...     

基于CT技术的裂隙煤体细观数值重构方法

为研究采动过程中原生裂隙对矿山压力的响应规律,运用高精度工业CT扫描技术,对王家岭煤矿12309工作面煤体原生裂隙场进行扫描,获得了煤样原生裂隙场的细观分布情况。基于Matlab软件编程,利用Soble算子对扫描所得裂隙数据进行三维重构,将三维重构结果导入PFC~(3D)数值模拟软件,建立包含原生裂隙场的煤岩三维细观数值模型。结果表明:该方法在细观尺度方面有效、精确地重构了煤样原生裂隙场,建立了充分考虑细观裂隙的PFC~(3D)细观数值模型,为提高数值模拟的可靠性与准确度提供了更为有效的数值建模方法。     

不同加载速率下煤体强度与破碎特征实验研究

通过AG-Ⅰ250 kN万能实验机对滇东矿区煤体试件进行单轴压缩实验,探讨了突出危险煤体在不同荷载速率环境下的强度特性与破碎特征。结果表明：煤体应力—应变曲线经历线弹性、塑性、峰后破坏3个阶段,弹性特征随加载速率的增加愈发明显;随着加载速率的增加,煤体峰值应变增大,弹性模量与加载速率呈线性关系;煤体在单轴压缩条件下的破坏形式多表现为脆性破坏,随着加载速率的增加,破碎煤样的折算直径减小,新增表面积增大,整体破碎程度随加载速率的增加而增大,与宏观煤体破坏剧烈程度吻合;不同加载速率下煤体强度特征符合Coulomb准则,峰值强度与达到破坏时间与加载速率呈线性关系。     

煤田火区煤体裂隙演化过程中温-压耦合模型研究

为了明确煤体裂隙演化过程中温-压耦合作用机理及裂隙产生本质,分析了温度、压力、温-压耦合作用对煤体破裂的影响,将损伤理论和破裂准则相结合,建立煤体裂隙演化的温-压耦合模型,从理论和数学关系上进行了说明,指出了煤体在温-压耦合下先损伤后遵循破裂准则表现的本质。     

不同围压和气压下煤体渗透特性的试验研究

为探究不同地应力及气体压力下瓦斯气体在煤层中的渗流规律,进而为瓦斯抽采及瓦斯事故防治技术提供技术支持,以科学试验为手段,对不同围压及气体压力条件下煤样渗透率的演化规律进行了深入研究.得出如下结论:煤样渗透率在全应力-应变过程中可被划分为3个阶段,即逐渐减小阶段、基本稳定阶段、显著增加阶段;当煤样所处气压与轴压恒定不变时...     

不同卸荷速率下节理岩桥变形破坏及裂隙扩展演化试验研究

边坡开挖速率对边坡稳定性有重要影响,探究锁固型高陡岩质边坡在不同开挖卸荷速率下的变形破坏特征和内部岩桥破坏机制具有重要意义。为模拟滑坡前缘蠕滑破坏和后缘陡拉裂隙,在完整试样端部预制裂隙以形成中部岩桥,开展3种不同岩桥长度双轴单面卸荷试验,分析了不同卸荷速率下试样强度、变形、破坏特征和裂隙扩展模式,探讨了裂隙扩展力学机制。结果表明:①卸荷速率主要影响试样卸荷强度及次生裂隙数量,对裂隙扩展方式影响较小;②应力-位移曲线呈现出"应力陡降"和"峰后回升"现象,且试样还表现出"多峰值"特征;③随卸荷速率的增加,试样破坏模式逐渐由剪切破坏转为张拉破坏,且张性裂隙多集中于卸荷面附近;④总结出6种裂隙扩展类型:贯通岩桥、贯通试样上端面、下部裂隙贯通试样下端面、上部裂隙贯通试样下端面、贯通试样左端面、贯通试样右端面;⑤推导了卸荷条件下闭合裂隙尖端应力强度因子表达式,理论计算和实验所得裂隙起裂角误差在6.5%以内,验证了理论计算结果的可行性与合理性。     

多级加卸载下层理裂隙煤体瓦斯渗流轴向效应及应用

为了获取工作面采动影响下煤体平行层理及垂直层理裂隙方向的瓦斯渗流规律,采用真三轴瓦斯渗透实验装置对层理裂隙煤样进行多级加卸载路径下轴向瓦斯渗流实验。实验表明:煤样在多级加载过程中经历压实、弹性变形和塑性变形3个阶段,2个轴向的瓦斯渗透率均随应力的增加而降低;卸载过程中,2个轴向的瓦斯渗透率均有部分恢复;加卸载下平行层理x轴向的瓦斯渗透率始终大于垂直层理y轴向。实践中在回采工作面前方布置了垂直层理和平行层理方向的2种钻孔考察瓦斯抽采量。实践表明:加卸载条件下层理裂隙煤样2个轴向的瓦斯渗透特性能真实反映受采动影响的煤体内瓦斯渗透规律;但煤样的加卸载过程不完全等同于回采工作面煤层应力"三区"变化过程,回采工作面充分卸压后的煤体各向渗透率均有较大提高。     

不同形式载荷煤体渗透率及其损伤试验研究

通过试验测定煤体分别在不同轴压和围压加、卸载状态下的渗透率,并对试验结果进行拟合.结果表明,在加、卸载过程中,煤体渗透率随轴压呈负幂函数规律减小,随围压呈负指数规律减小;渗透率随围压的变化幅度远大于轴压,围压卸载后煤体渗透率恢复程度远小于轴压;轴压和围压加、卸压过程煤体渗透率不可逆,出现渗透率损伤.     

不同角度结构面条件下裂隙煤岩破坏特征

为了进一步探究裂隙煤岩体的结构面效应,选取现场典型煤岩样,通过在煤岩试样表面预制特定长度、不同角度的单裂隙,以三轴循环加卸载试验为手段,利用CRIMS-DDL600电子万能试验机,研究了单裂隙煤岩体结构面角度效应的强度、变形特性和破坏形式。试验结果表明:试样应力-应变曲线的加载和卸载路径不重合,形成了若干封闭的回线-加卸载弹性滞后环,试样循环加卸载应力-应变曲线的外包络线变化特征与单调加载时相似,随着循环加卸载次数的增多,试样的不可逆变形呈非线性增大的趋势,结构面长度一定,试样的抗压强度随着结构面角度的增大而不断减小。     

瓦斯吸附作用下煤体爆破裂隙扩展规律研究

为了探究不同瓦斯压力作用下煤体爆破裂隙扩展规律,基于含瓦斯煤体力学性质异于普通煤体的研究成果,利用LS-DYNA有限元软件,在普通煤体物理力学参数的基础上进行强度修正以确定含瓦斯煤体力学参数,对不同瓦斯压力作用下的煤体爆破裂隙扩展进行模拟,并对应力场在普通及含瓦斯煤中传播、衰减规律进行分析。结果表明:煤体粉碎区、裂隙区半径随瓦斯压力增大而增大,裂隙分布更加密集;在爆破近区,含瓦斯煤体单元峰值压力随瓦斯压力增大略微降低,在爆破中远区,单元峰值压力升高,且含瓦斯煤体中应力场衰减速度低于普通煤体,应力作用时间增长,促使煤体破碎。