饱水时间对千秋煤矿2#煤层冲击倾向性指标的影响

 为分析饱水时间对煤体的力学性质与冲击倾向性指标的影响,对千秋煤矿2#煤层自然和饱水7～28 d处理后煤样,在RMT–150B岩石力学试验系统进行冲击倾向性指标测定。结果表明：在自然与饱水状态下,煤样的抗压强度与弹性模量、峰前积蓄能量和冲击能量指数均成正相关。饱水煤样的抗压强度、弹性模量、冲击能量指数以及峰前积蓄能量均有不同程度降低。饱水7～10 d后煤的力学性质和冲击倾向性指标变化显著,而后有所减缓。在自然含水状态下,2#煤层属于中等冲击类(II类),饱水7～28 d后2#煤层的冲击倾向性指标有较大降低,由中等冲击类变为弱冲击类(弱II类);建议千秋煤矿采煤工作面注水超前时间7～10 d,超前距离约30 m为宜。     

饱水时间对千秋煤矿2~#煤层冲击倾向性指标的影响

为分析饱水时间对煤体的力学性质与冲击倾向性指标的影响,对千秋煤矿2#煤层自然和饱水7~28 d处理后煤样,在RMT–150B岩石力学试验系统进行冲击倾向性指标测定。结果表明:在自然与饱水状态下,煤样的抗压强度与弹性模量、峰前积蓄能量和冲击能量指数均成正相关。饱水煤样的抗压强度、弹性模量、冲击能量指数以及峰前积蓄能量均有不同程度降低。饱水7~10 d后煤的力学性质和冲击倾向性指标变化显著,而后有所减缓。在自然含水状态下,2#煤层属于中等冲击类(II类),饱水7~28 d后2#煤层的冲击倾向性指标有较大降低,由中等冲击类变为弱冲击类(弱II类);建议千秋煤矿采煤工作面注水超前时间7~10 d,超前距离约30 m为宜。     

桃山90~#煤层有效弹性能量释放速度研究

冲击地压防治基础是进行冲击倾向性鉴定,测定指标的准确性和合理性尤为重要。在对现行冲击能量指数分析的基础上,综合考量煤岩体峰前塑性变形能释放和有效弹性能释放时间效应,建立有效弹性能释放速度计算模型,提出基于声发射特征参数和循环加卸载载荷表征峰值前释放塑性能,利用TYJ–500KN微机控制电液私服岩石剪切流变试验系统对煤样进行循环加卸载声发射实验,通过上述表征公式拟合得到分段函数计算式,进行冲击能量指数测定实验,验证表征公式可靠性。结果表明:依据峰值卸荷表征与声发射特征参数表征结果差仅为5.27%,2种表征方式相互印证。有效弹性能释放速度与冲击能量指数、单轴抗压强度、有效弹性能成正相关,与破坏时间成负相关。从而证明利用有效弹性能释放速度鉴定冲击倾向性具有一定合理性。     

基于非线性储能与释放特征的煤冲击倾向性指标

煤的冲击倾向性是煤矿冲击地压灾害发生与否及致灾程度的重要影响因素,冲击倾向性指煤积聚应变能并产生冲击破坏的性质,因此,峰值强度时刻弹性能量积累是冲击倾向性评价的关键。因煤富含结构缺陷,破坏过程和能量演化更加复杂,针对此种煤样峰值强度时刻弹性能量无法准确求得的难题,对标准煤样进行单轴循环加卸载试验,以获取煤样不同应力状态下弹性应变能积累量,发现弹性应变能积累与应力–应变曲线变化趋势一致,在峰值强度时刻达到最大值。能量输入、弹性能量积累及能量耗散随煤样受载变形呈非线性演化规律,但在任一时刻应力的平方与弹性能量积累表现出良好线性关系。基于此改进峰值强度时刻弹性能量积累量计算方法,更加准确获取试件峰值强度时刻弹性应变能积累量。进一步提出综合考量煤体强度、能量演化及破坏时间的有效弹性能释放速率指数K_(ET)评价煤的冲击倾向性,并结合现有指标给出冲击倾向性分类临界值。最后采用远场碎屑质量占比w及平均粒径d_a表征的煤样破碎程度验证评价结果合理性。研究结果表明:K_(ET)可有效解决现有各项指标评价结果离散性大且相互之间存在冲突的局限性;冲击倾向性K_(ET)评价结果与煤样破坏状态对比,发现K_(ET)与w及破碎程度正相关,与d_a负相关,评价结果更符合实际。     

煤岩冲击倾向性研究

 基于大量试验数据,系统分析煤岩冲击倾向性各种指标的相关数据,并针对现有行业标准中关于煤岩冲击倾向性评价存在的问题,提出将煤的单轴抗压强度作为评价煤层冲击倾向性的新指标,并给出判据;对原煤矿顶板岩层冲击倾向性指标的适用性进行分析,并指出不足,提出并推导出新的基于简支梁模型的顶板岩层冲击倾向性计算公式及其界定指标;分析脆性系数、含水率等与冲击倾向性之间的相关性。研究结果表明,煤的单轴抗压强度可以作为煤层冲击倾向性评价指标;依据简支梁模型确定的弯曲能量指数的计算公式,其计算结果与现场实际情况相吻合。     

硬煤冲击倾向各向异性特征及破坏模式试验研究

煤体冲击倾向性是煤矿冲击地压灾害危险程度的重要影响因素,层理等结构弱面使煤体冲击倾向性表现出各项异性特征。为探究煤体层理对冲击倾向性影响,自塔山矿4#煤层采集煤块,按不同层理角度加工成3组标准煤样,采用ZBL-U510非金属超声检测仪测得煤样波速,以MTS815.04型岩石伺服刚性试验系统测定力学参数,并对煤样破坏断口进行扫描电镜细观分析。研究结果表明:(1)塔山4#煤层具有典型硬煤特征,各项力学指标表现出强烈各向异性;(2)当层理面与加载方向夹角为90°时煤样冲击倾向性最强,0°时次之,45°时最弱;(3)将煤样应力–应变曲线归纳为3种典型形态,并对比分析不同层理角度煤样破坏形态;(4)基于煤样承载特征及宏观破坏模式差异,认为冲击倾向性由强到弱破坏模式依次为突发失稳、渐进失稳和延性失稳,从能量积聚与释放量级与速度角度分析了不同层理角度煤样冲击倾向性;(5)不同层理角度煤样断口形态不同,90°层理煤样断口呈光滑柱状,45°为粗糙破浪状,颗粒分布较多,0°为光滑台阶状,煤样存在穿晶与沿晶两种细观断裂方式,其能量吸收与断裂速度不同,导致煤样细观上冲击倾向的各向异性。     

基于剩余能量释放速率指数的煤岩组合体冲击倾向性判定

煤岩冲击倾向性是煤岩是否发生冲击地压的自然属性，是煤岩发生冲击地压灾害的关键影响因素。为准确评判煤岩冲击倾向性，以煤岩组合体为研究对象，对其开展单轴循环加卸载试验，获得组合体不同应力水平下弹性应变能，建立弹性应变能与应力水平之间的函数关系，提出一种峰值应力时刻弹性应变能计算新方法。据此，提出一种综合考虑试件峰值强度、弹性应变能、破坏过程能量耗散及破坏时间的剩余能量释放速率指数，并结合现有指标给出冲击倾向性判定区间，最后进行合理性验证。结果表明：(1)随着应力的增大，弹性应变能呈现“缓慢→快速→缓慢”的增长规律，对应了应力–应变曲线的压密阶段、弹性阶段、塑性阶段。(2)输入应变能、弹性应变能、耗散应变能的演化规律与应力演化规律相似，均随应力的增大而增大，输入应变能增幅最大，耗散应变能增幅最小。(3)试验获得了组合体不同应力水平时刻的弹性应变能，建立弹性应变能与应力水平之间的函数关系，即任一时刻应力的平方与弹性应变能具有良好线性关系，据此，提出一种峰值应力时刻弹性应变能计算新方法。(4)综合考虑试件峰值强度、弹性应变能、破坏过程能量耗散及破坏时间等多种因素，提出一种新的冲击倾向性鉴定指标：...     

组合煤岩冲击倾向性演化及声电效应的试验研究

在采掘工作面及巷道中,顶板、煤层、底板共同组成一个力学平衡系统,当这个系统受到采动的影响时,就有可能诱发煤岩体所积聚的弹性能通过弱面结构突然释放,形成冲击矿压灾害。因此,研究不同组合类型的顶板–煤样–底板组合试样的冲击倾向性演化及声电效应规律对于监测、预警冲击矿压灾害及强度弱化治理起到非常重要的指导作用。通过大量组合煤岩试样的冲击倾向性及声电效应的试验研究发现,随着煤样强度、顶板岩样强度及其厚度的增加,组合试样的冲击倾向性随之增强,且电磁辐射与声发射信号强度随着组合试样的强度、顶板岩样的高度比例以及冲击能指数的增加而增强。同时发现试样冲击破坏前,声电信号的强度达到极值,冲击破坏之后,信号强度均产生突降。上述研究成果对于指导现场冲击矿压灾害强度的弱化控制以及卸压解危效果的检验具有重要的意义。     

含水量对沉积岩力学性质及其冲击倾向性的影响

 通过试验和统计分析系统研究不同含水条件下煤系沉积岩石力学性质及其冲击倾向性,建立岩石力学性质及其冲击倾向性与含水量之间的相关关系和模型,揭示含水量对岩石力学性质及其冲击倾向性的控制机制。研究表明：岩石单轴抗压强度和弹性模量值随含水量的增加而降低;不同岩性岩石单轴抗压强度和弹性模量值受含水量的影响程度不同,降低的速率受岩性所控制。在干燥或较少含水量情况下,应力–应变曲线在峰值强度后岩石表现为脆性和剪切破坏,具有明显的应变软化特性,且随着含水量的增加,峰值强度后岩石主要为塑性破坏,应变软化特性不明显。随着含水量的增加,岩石脆性指标修正值(BIM)逐渐增加,弹性变形指数逐渐减小,岩石在受力过程中储存的弹性应变能随含水量的增加而急剧减少,而消耗的塑性永久变形能相对增加,即岩石的冲击倾向性随含水量的增加而显著降低。     

煤冲击破坏的微破裂演化特征及前兆识别

煤岩冲击倾向性是冲击地压发生的重要条件。针对冲击倾向性煤微破裂演化特征及前兆识别难题开展研究,利用MTS试验机开展单轴压缩试验,综合运用声发射和高速摄像机监测手段,研究冲击倾向性煤应力变化–弹性能耗散–动态冲击破坏特征,得到煤峰前微破裂事件的时空强发育规律,构建冲击危险度指标,定义冲击危险指数,并开展前兆识别,结果表明：(1)冲击倾向性煤样峰后存在阶梯状子破坏,子破坏的应力降幅值越大,且应力降速率越快,峰后冲击破坏越剧烈,煤样分区微破裂相互交汇造成整体的冲击破坏;(2)煤样内部存在多个破裂成核区域,区域内大尺寸裂纹(大能量事件)是由众多小裂纹(小能量事件)周期性累积集中孕育,峰前大能量事件集中区域与峰后冲击破坏位置基本吻合;(3)在煤塑性应力降附近和峰值应力降前,微破裂事件呈现出短时强烈局部化特征,对应的冲击危险指数均超过1,对煤即将发生的宏观破裂(应力降)具有预警作用,可作为有效前兆指标。研究成果可深入挖掘煤岩破裂前兆信息,为煤岩灾变及冲击地压的监测预警提供参考。     

煤岩吸附量–变形–渗透系数同时测量方法研究

 近年来,随着人们对CO2煤层封存、煤层气注气开采等技术关注程度的不断提高,大量学者开始煤岩吸附量、变形以及渗透系数测量方面的研究,并开发大量测试装置和技术。但是,要在一个试样上同时测量吸附量、变形和渗透系数比较困难,目前还没有相关试验方法和试验装置的报道。提出煤岩吸附量–变形–渗透系数同时测量方法并开发试验装置。采用圆柱形块煤作为试验样品,利用变形传感器测定吸附引起的变形,利用双计量泵测定吸附量和渗透系数。介绍该方法的原理、试验装置及试验流程,并利用该方法和装置进行煤岩对CO2气体的吸附量、变形和渗透系数同时测量试验。试验结果表明,该方法和装置能够同时测量煤岩吸附量、变形和渗透系数,试验效果良好。     

“两硬”条件正断层影响下的冲击地压发生规律研究

断层是能够诱发冲击地压的一种重要地质构造,为研究断层活动对冲击地压发生的作用机制,以大同忻州窑煤矿8935回采工作面为例,通过对4个月内连续发生的十余次冲击地压案例的分析,得到正断层影响下的冲击地压的发生特征,冲击地压发生前后电磁辐射、微震等的信号特征和前兆信息。研究结果表明：冲击地压发生频度和强度受断层影响明显,断层对冲击地压的影响体现在两方面：一方面是改变了煤岩体的物理力学性质,另一方面是使构造应力场变得复杂;微震事件集中在断层前方230～360 m,冲击位置在工作面前方0～60 m;电磁辐射能量和脉冲数曲线呈现马鞍形的形态时预示着冲击危险来临,随后发生冲击地压的概率极高;微震监测显示冲击地压发生能量为105～106 J量级,持续出现能级大于105 J的微震事件,且能量起伏变化大,则存在冲击危险。     

急倾斜坚硬岩柱动态破裂“声–热”演化特征试验

急倾斜坚硬岩柱稳定性预测对科学采矿具有重要意义。以乌鲁木齐矿区急倾斜特厚煤层安全开采为背景,基于平面组合加载试验平台,构建急倾斜坚硬岩柱动态破裂"声–热"演化特征模型试验,采用岩石破裂声发射和红外热像综合监测方法,揭示开采扰动作用下岩柱破裂过程中的声发射与温度演化规律。研究表明:坚硬岩柱破裂过程中红外热像呈现温度辐射区(可分为低温边界区、中温过渡区和高温中心区);岩柱破裂经历弹性变形、微破裂至破裂失稳过程,该过程中温度辐射区温度逐渐降低,AE能率呈持续性增长;动态破裂"声–热"演化实质为热弹效应和摩擦热效应。这对急倾斜特厚煤层安全开采具有科学意义。     

应用煤岩组合模型方法评价煤岩冲击倾向性探证

在大量实验室试验的基础上，总结、分析了煤岩组合模型的冲击倾向性，并与单一煤模型的冲击倾向性进行了对比分析。研究结果表明，采用煤岩组合模型测得的冲击倾向性指标均高于单一煤模型；同时考虑到实际煤岩层结构特点与覆存特性，建议采用组合模型来评价煤岩冲击倾向性。     

砚北煤矿地应力测量及其特征分析

为了弄清华亭矿区砚北煤矿矿井动力现象和巷道剧烈变形破坏的机制与特征，采用空心包体应力解除法，对砚北煤矿进行了地应力测量。结果表明，该区地应力以水平压应力为主，具有明显的构造应力特征，实测最大主应力为14．49～16．88MPa，方向与测点处构造形态基本一致，即基本与煤岩层走向垂直；从应力的绝对值看，该区地应力场属正常偏高情况，而不属于高应力区域，但最大与最小主应力的差值较大(差值为9．85-10．51MPa)。地应力场表现出明显的不均匀性，其大小和方向有较大差异，这是该地区地质环境及演化、地质构造特征和煤岩特征等共同影响的结果。     

动静加载下煤的破坏特性及机制的试验研究

动静加载下煤的破坏特性及机制是研究动载冲击地压机制的基础问题,利用改进的霍普金森杆对该问题进行试验研究。首先,通过试验结果的回归分析发现煤在动静加载下有其不同于均质致密岩石的独特的破坏特性。然后,通过对试验结果的讨论对动静加载煤的破坏机制进行分析,发现较多裂隙的存在是导致独特破坏特性的主要原因。破坏模式以裂隙脆性扩展为主;动载的作用主要是使裂隙扩展,进而发生破坏;而静载的作用主要是改变原生裂隙的数量和裂隙尖端的蓄能。最后,基于试验结果对动静加载下煤的冲击危险性进行分析,得出动静加载下煤具有临界静载和最优动载;并将动静载荷下煤的强度作为动载抵抗指数,用来反映抵抗动载能力的强弱;将碎片的分维值作为动载冲击能量指数,用来衡量动载冲击破坏的剧烈程度。     

煤岩固–气耦合细观力学试验装置的研制

 为从细观力学的角度出发研究含瓦斯煤岩变形破坏规律,研制一种煤岩固–气耦合细观力学试验装置,并对装置密封、透明视镜等关键技术难点进行深入分析。该试验装置主要由加载系统、充瓦斯系统、细观观测系统和声发射监测系统4个部分组成。与现有的细观试验装置相比,该装置具有以下特点：可提供单轴、平面应变、三轴(s2 = s3)三种受力状态;试验测试方法多样化,可进行试验过程中的实时显微图像观测和应力–应变、声发射信号的采集;具有良好的气密性和耐爆性,创造具有瓦斯的试验环境,使煤与瓦斯突出机制的试验研究更加接近矿山实际;装置的结构简单,成本低,系统可靠性高。利用该装置进行瓦斯压力为1.0 MPa、围压为1.0 MPa(s2 = s3)下的煤岩细观力学试验,得到煤样受力破坏全过程的表观图像和声发射特征,以此分析试件破坏前后局部区域张拉裂纹的形成和扩展情况。初步的试验结果表明,该试验装置为固–气耦合条件下的相关试验研究提供新的测试手段,具有较大实用价值。     

循环加卸载下煤的黏弹塑性蠕变本构关系研究

 基于岩石三轴循环加卸载蠕变试验,对试样的蠕变应变进行有效的黏弹塑性应变分离,根据试样的弹性蠕变特性和塑性蠕变特性分别建立相应的蠕变模型,继而得到岩石的黏弹塑性蠕变模型,该模型能较好地描述试样的衰减和稳态蠕变特性。为了能够较好地描述岩石加速蠕变特性,在塑性蠕变模型中引入损伤因素,建立相应的弹塑性损伤蠕变模型,对该模型参数进行敏感性分析,同时给出模型参数确定方法。所建模型黏弹塑性概念清晰,模型参数较少。对煤进行三轴循环加卸载蠕变试验,分析蠕变试验中煤样的弹塑性应变特性以及试样的稳态蠕变速率演化规律,用该黏弹塑性蠕变模型对煤样的三轴压缩蠕变试验结果进行拟合,结果表明,该模型能很好地描述循环加卸载路径下试样的弹塑性加载和弹性卸载蠕变特性。     

深部矿区煤岩体强度测试与分析

 基于钻孔触探法原理,开发出小孔径井下煤岩体强度测定装置。在实验室对34个煤岩样品进行试验：在煤岩块上钻取标准试件,测量单轴抗压强度;在留下的钻孔中,用煤岩体强度测定装置测定探针临界载荷,分析探针破坏钻孔壁煤岩的形态;然后确定煤岩块单轴抗压强度与探针临界载荷的关系。试验表明,探针破坏钻孔壁煤岩的形状、深度及范围与煤岩性质密切相关。煤岩体强度越高,破坏范围、侵入深度越小,破坏形状越规则。结合井下实测数据,回归得出描述探针临界载荷与煤岩体单轴抗压强度关系的公式。同时,分析临界载荷的离散性及控制措施,讨论结构面对煤岩体强度的影响及测试分析方法,并在典型的深部矿区——新汶矿区进行井下原位测试。新汶矿区巷道顶板不同岩性的岩层强度相差很大,不同矿井的岩层强度也存在明显差别。煤层强度由于煤帮出现破碎区、煤层性质不均匀、煤层结构面分布不均匀等原因变化较大,出现明显的波动。基于井下煤岩体强度实测数据的巷道支护设计,符合井下环境中的煤岩体条件,设计的合理性与可靠性显著提高,巷道围岩稳定性与支护状况得到明显改善。最后分析钻孔触探法存在的问题,并提出改进建议。     

狭窄煤柱岩爆的突变理论分析

基于简化的狭窄煤柱岩爆分析模型和功、能增量平衡关系，导得狭窄煤柱岩爆的突变模式属折迭突变模型。该突变模型的平衡方程和平衡路径所展示的全部性态，可对煤柱以岩爆形式破坏和渐进形式破坏过程中包括系统稳定性在内的所有主要行为作一一对应的描述。首次给出的岩梁弹性能变化(释放)率曲线包含了丰富的信息量，对理解岩梁-煤柱系统在各阶段的行为规律有着重要的作用。能量输入率，J=0是系统失稳的临界条件，其表达式中蕴涵了Cook刚度判据，故可视为Cook判据能量形式的动态推广。