基于纳米压痕技术的破碎煤样力学特性实验研究

在煤系地层中,与完整坚硬岩石不同,煤体松软破碎、强度低。受地应力和开采扰动的影响,松软破碎煤体内部裂隙进一步发育,强度进一步弱化,很难获得标准的完整煤样进行常规的拉压剪力学测试。煤体力学参数的缺失增加了采煤、掘进、支护和瓦斯抽采等采矿活动的风险。因此,探究新的力学实验方法对于煤矿生产活动非常有必要。文章采用纳米压痕技术测试破碎煤体的硬度、弹性模量和断裂韧度,分析了不同力学参数之间的联系。纳米压痕实验设计4个峰值荷载,每个峰值荷载进行12次实验,阐述了煤的力学特性与峰值荷载之间的关系。结合X射线衍射和扫描电镜实验,讨论了煤样矿物组分对其力学性质的影响规律。实验结果表明,峰值荷载在1～30 mN,煤的硬度和弹性模量不随峰值荷载的增加而明显变化;然而,煤的断裂韧度随峰值荷载的增加有增大的趋势。峰值荷载为1,5,10和30 mN时,煤的平均断裂韧度为0.40,0.36,0.61和0.77 MPa·m^0.5。煤的纳米压痕硬度、弹性模量和断裂韧度具有明显的线性关系。硬度和弹性模量之间的线性关系与峰值荷载无关;断裂韧度与弹性模量之间的线性关系受峰值荷载的影响。煤是以有机质为基体...     

煤岩显微组分离心分离实验的影响因素分析

结合煤岩等密度梯度离心分离技术(DGC)分离实验的原理,分析手选因素、解离因素、脱矿因素、重液密度等因素对分离实验效果的影响,以改进提高显微组分的分离纯度。     

煤岩单轴力学特性层理结构效应研究

以新疆沙吉海矿区不同层理角度煤岩为研究对象进行室内的单轴压缩试验,研究层理角度对煤岩单轴力学特性和破坏模式的影响规律。试验结果表明:层理角度对煤岩力学性质有较大的影响;单轴抗压强度和弹性模量随着层理角度的增大表现出先减小后增大的规律,变形破坏方式也随层理角度不同出现脆性破坏和脆延性破坏2种形式;在破坏模式上也随层理角度不同出现3种破坏方式。     

不规则煤岩的力学特性试验研究

以马兰选煤厂煤岩为研究对象,进行了不规则煤岩力学特性试验。试验表明不规则煤岩强度具有离散性,且煤岩强度受煤岩粒度影响较大,随煤岩粒度减小,煤岩点载荷强度逐渐增加,且离散性逐渐升高。另外,煤岩强度具有明显的层理效应,垂直于层理面的点载荷强度明显高于平行于层理面的点载荷强度。随浸水时间增加,不规则煤岩点载荷强度先减小后趋于稳定。不规则煤岩点载荷强度随灰分增加逐渐升高,并且在高灰阶段增幅更大。     

煤岩变形力学特性及其对渗透性的控制

通过煤岩力学试验研究了煤岩物理力学性质和煤岩全应力-应变过程中的渗透规律。研究结果表明：煤的力学强度相对煤层顶底板岩石具有低强度、低弹性模量和高泊松比特性,易于产生塑性变形;在全应力-应变过程中具有明显应变软化现象的煤样,在微裂隙闭合和弹性变形阶段,煤岩体积被压缩,煤岩渗透率随应力的增大而略有降低或渗透率变化不大;在煤岩的弹性极限后,随着应力的增加,煤岩进入裂纹扩展阶段,煤岩体积应变由压缩转为膨胀,煤岩渗透率先是缓慢增加然后随着裂隙的扩展而急剧增大;在煤岩峰值强度后的应变软化阶段煤岩渗透率达到极大值,然后均急剧降低,峰后煤岩的渗透率普遍大于峰前。在全应力-应变过程中应变软化现象不明显或者具有应变硬化现象的煤样,煤岩全应力-应变过程中最大渗透率主要发生峰值前的塑性变形阶段,在煤岩峰值强度后的应变硬化阶段,随着煤岩应力的增大,煤岩渗透率减小,峰后煤岩的渗透率普遍小于峰前。     

基于ABAQUS的煤岩动态拉伸力学特性研究

为探究煤岩在动态拉伸载荷下的力学特性,基于ABAQUS显示算法,建立了分离式霍普金森拉杆(SHTB)实验系统模型,选用并改进了朱-王-唐(Z-W-T)本构模型,对煤岩在高应变率下的应力应变关系进行研究。结果表明:数值模拟建立SHTB的实验系统能够实现恒应变率加载,改进后的煤岩本构模型能够较好地符合其在动载荷下的力学行为,煤岩在动态拉伸载荷下表现出了明显的应变率和应变硬化效应。     

煤岩重复加载力学特性试验研究

利用MTS815.03电液伺服岩石试验系统,对运河煤矿煤岩试件在重复加载作用下的特性进行研究。研究结果表明,在重复加载作用下,煤岩强度极限较常规单轴压缩强度极限降低约23.65%;二次加载时弹性模量较初次加载时弹性模量增大约21.08%。由于煤岩含有大量原生损伤裂隙并且强度较低,在重复加载过程中,煤岩内部原生裂隙和新生裂隙的闭合与张开以及不可恢复的宏观裂纹的产生为煤岩弹性模量的增大、强度极限的降低给予较为合理的解释。在重复加载作用下,有超过1/3的能量以内部裂隙的闭合,材料的屈服、破坏、损伤、断裂以及裂隙面的滑移摩擦等形式消耗掉。煤岩的破坏过程经历了从压密、应变硬化到软化的变化过程。     

煤岩的纳微力学特性研究:以Pocahontas煤岩为例

煤岩的力学特性是煤炭开采设计及安全开发过程中要考虑的重要因素。尽管目前对煤岩的宏观力学性质已经有深入的研究,但是对煤岩纳微尺度力学性能测试及相应的力学参数测试却少有涉及。笔者采用原子力显微镜峰值力轻敲模式(AFM PeakForce Tapping mode)对美国阿帕拉契亚山脉地区Pocahontas煤岩进行试验,定量分析其纳微尺度形貌,纳微尺度的力学参数及相应的纳微尺度力学特性。研究表明:原子力显微镜峰值力轻敲模式可以定量测定纳微尺度煤岩的形貌、折减杨氏弹性模量(DMT)、黏附力、变形量和耗散能,并将测试结果以二维和三维的形式进行展示。该测试煤岩的DMT模量为10～14 GPa,黏附力约20 nN,最大变形量约12 nm,耗散能约3 keV。该结果表明:原子力显微镜峰值力轻敲模式可以用来测定煤岩纳微尺度力学参数,为研究煤岩的纳微力学特性及相应的煤岩力学数值模拟试验奠定基础。该试验方法不仅对研究纳微尺度煤岩破裂机理和解释煤岩瓦斯耦合作用(吸附等)而产生的力学现象有一定的指导作用,同时也为探索煤岩纳微力学特性提供一种新的研究方法和视角。     

陕西省彬长矿区主采煤层煤岩力学特征

通过陕西黄陇侏罗纪煤田彬长矿区煤岩力学参数试验,通过收集、整理彬长矿区各矿地质勘探资料对比分析,研究该矿区主采煤层的煤岩力学性质及其影响因素.研究表明,研究区主采煤层的抗压强度与泊松比呈正相关;弹性模量与泊松比呈负相关.同时发现研究区主采煤层的抗压强度随着镜质组含量的增大而减小,随着惰质组的含量增大而增大;弹性模量随着...     

煤岩组合体力学特性模拟研究

为研究岩煤强度比与煤岩高度比对煤岩组合体力学特性的影响,利用颗粒流软件PFC2D对不同煤岩强度比和岩煤高度比的煤岩体进行模拟研究。结果表明:组合体破裂形态为煤体"V型"剪切破裂、煤体单一裂纹剪切破裂、煤体"X型"剪切破裂、煤岩共剪破裂4类;随着煤岩高度比的减小,冲击能量指数先增大后减小,但随着岩煤强度比的增加,冲击能量指数逐渐减小;随着煤岩高度比的减小,组合体的极限抗压强度及弹性模量均增大;随着岩煤强度比的增加,组合体的弹性模量在增大,但极限抗压强度会趋于一个稳定值。     

组合方式对煤岩组合体力学特性和破坏特征影响的试验研究

为探讨组合方式对煤岩组合体力学特性和破坏特征的影响,利用MTS815岩石力学试验系统,分别对岩-煤-岩(YMY)、岩-煤(YM)及煤-岩(MY)3种组合方式试件进行了单轴压缩和三轴压缩试验研究。试验结果表明,组合体试件破坏主要集中在其煤体部分,而与组合和加载接触方式无关;煤体部分损伤发展和破坏程度的加剧,在一定程度上会诱导岩体出现损伤和发生破坏。单轴加载条件下,3种组合方式均表现为以煤体部分拉张破坏为主的破坏特征,YMY组合的平均抗压强度为40.03 MPa,分别是YM和MY组合方式对应平均值的1.80和1.53倍;三轴加载条件下,均表现为以煤体部分剪切破坏为主的破坏特征;随围压压力增加,各组合方式三轴抗压强度平均值逐渐趋近。     

不同倾角煤岩组合体三轴力学特性的界面水压效应研究

为研究煤层气间接压裂工程中煤岩界面稳定性问题, 进行了干燥与水饱和下１５°、３０°和４５°三种倾角无黏结自由 界面煤岩组合体的三轴压缩试验和不同界面水压下３０°倾角 煤岩组合体的三轴压缩试验,揭示了界面倾角和水压对煤岩 组合体力学特性的影响机理.结果表明:无黏结界面煤岩组 合体强度随界面倾角增大而减小,水饱和状态下,倾角由１５° 增加到 ４５°时,三 轴 抗 压 强 度 由 ３６．９１ MPa 减 小 到 ７．８４ MPa,降幅达８０％,组合体破坏形式由１５°时煤体的劈裂破 坏,转变为３０°和４５°时界面的剪切滑移破坏;水饱和状态对 煤岩组合体强度有弱化作用,且随倾角增大而减小,倾角为 １５°时,强度由５０．８３ MPa降低至３６．９１ MPa,降幅为２７％, 倾角为４５°时,强度由８．７２ MPa降低至 ７．８４ MPa,降幅为 １０％;煤岩组合体峰值强度和残余强度与界面水压呈负线性 关系,随着界面水压从０增加到 ４ MPa,峰值强度从 １８．５３ MPa降低至１１．６７MPa,残余强度从１３．３５ MPa降低至８．８４ MPa,煤岩组合体越容易产生剪切滑移.该研究对了解间接 压裂煤层气开采工程中煤岩界面稳定性与裂纹扩展条件特 征具有重要意义.     

工程温度下煤岩单轴力学特性研究及分析

利用自主研发的深部温度-压力耦合气体运移实验系统,对四川芙蓉白胶煤矿的煤样进行不同工程温度(20、25、30、35、40℃)下的单轴压缩试验,研究工程温度对深部煤岩物理力学性质的影响规律。结果发现,煤岩的单轴抗压强度和弹性模量随着温度的升高而降低,且温度越高力学参数下降梯度越大。根据不同温度下恒温阶段瓦斯逸出量变化趋势认为吸附瓦斯的解吸运移对影响煤岩力学性质有很重要的作用。     

基于真三轴卸荷试验的煤岩力学及损伤特性研究

为深入研究煤矿开采中开挖速率对煤岩力学及损伤特性的影响，通过自主研发的地声过程模拟试验系统，开展了不同卸荷速率条件下煤岩真三轴卸荷试验。结果表明：随着卸荷速率由0.05 MPa/s增至0.4 MPa/s,煤岩在卸荷破坏时的最大主应变值、最小主应变值及体积应变值分别降低了48.2%、73.8%及113.1%,中间主应变值增加了16.3%;卸荷速率越大，煤岩的扩容现象越明显；煤岩在低卸荷速率条件下的破坏形态表现为剪切破坏，而在高卸荷速率条件下则表现为张剪复合破坏；通过试验数据验证，修正后的Drucker-Prager强度准则对煤岩卸荷破坏更为适用；卸荷速率越大，煤岩在破坏时对应的声发射累计振铃计数越大，能量越高；基于累计振铃计数建立的煤岩损伤演化方程能较好地描述煤岩卸荷过程中的损伤过程，研究结果可为实际工程开挖稳定性预测提供参考。     

直接顶岩层力学特性对综放采场煤岩破坏的影响规律

通过相似模拟实验，分析研究了综放采场在直接顶岩层相对于顶煤具有不同厚度和强度时，直接顶与顶煤的宏观破坏特性、位移特征、相互作用的影响规律，以及对支架围岩关系的影响，分析了直接顶在相对于顶煤不同赋存条件下的介质属性，研究结果对于采场支架与围岩关系的深入研究具有重要意义。     

煤岩组合体峰后卸加载力学特性及支护作用机理

为深入研究煤岩组合体的峰后卸加载力学特性,采用PFC(Particle Flow Code)数值模拟软件对其进行了模拟试验,分析了不同卸载应力水平、卸载速率和支护方案对其强度、弹性模量、峰值轴向应变、冲击能量指数及声发射等特征的影响。结果表明：煤岩组合体在峰后阶段已经产生损伤,其峰后卸加载强度、弹性模量、冲击能量指数和最大声发射撞击计数均低于峰前常规单轴压缩的结果。在相同的卸载速率下,峰后卸载应力水平越高,煤岩组合体峰后卸加载强度越高。卸载速率对煤岩组合体峰后卸加载有整体强化和局部弱化两方面的作用。在相同峰后卸载应力水平条件下,随卸载速率的增加,煤岩组合体峰后卸加载强度呈“先增大、后减小”的演化特征。支护能够显著提高破碎煤岩组合体的强度和弹性模量,但只有稳定的支护方式才能够有效降低其冲击能量指数。为提高破碎煤岩体的稳定性和降低冲击风险,应当选择具有高强度、高可靠性和大变形能力的支护系统并增加护表面积。工程示例证明研究成果对现场工程实践具有指导意义。     

水岩作用下不同强度煤岩组合体力学特性损伤规律研究

在富水矿井中，煤岩体以及井下留设的隔水煤岩柱受到地下水的长期侵蚀，导致煤岩体在水岩作用下力学特性发生改变并受到损伤，直接影响到矿井的稳定及安全生产。因此，对泥岩-煤-泥岩(N-M-N)、砂岩-煤-砂岩(S-M-S)、石灰岩-煤-石灰岩(H-M-H)3种不同煤岩强度比的煤岩组合体开展饱水前和饱水后的单轴压缩试验，研究水岩作用下煤岩组合体的力学特性演化规律和声发射损伤特征，并结合RFPA2D数值模拟分析水岩作用对组合体破裂形式的影响。研究结果表明：水岩作用对煤岩组合体抗压强度和弹性模量有明显的劣化效应；水岩作用使煤岩组合体的声发射计数和累计计数下降明显；水岩作用使煤岩组合体裂隙扩展及破裂形式发生明显改变，声发射事件数始终伴随有裂隙的产生与扩展。     

沁水盆地煤岩力学特征及其压裂裂缝的控制

以沁水盆地煤层气水力压裂井为研究对象,结合实验室煤样测试分析资料和煤层气井实际压裂数据,深入分析了煤层气井压裂效果,并进一步阐明了研究区煤岩力学特征对煤层压裂裂缝的影响。结果表明:研究区煤岩体弹性模量在2～5 GPa,且煤岩体弹性模量越小,压开的裂缝宽度越大;随着裂缝宽度的增加,裂缝长度将受到限制,其长度50～70 m;在对研究区煤层压裂过程中,压裂裂缝均不同程度地延入煤层顶底板,裂缝高度9～20 m,最大时裂缝的高度超过压裂层厚度的4倍;煤层压裂裂缝的形态特征没有固定的深度界限。煤层压裂裂缝的形成除受地应力影响外,还受局部构造应力及先存裂隙的控制,存在着在某一方向裂缝出现概率相对较大的现象。     

煤岩组合体力学特性与瓦斯渗流规律试验研究

利用三轴渗流测试系统,模拟不同厚度的顶板、煤层和底板条件,进行了不同岩煤高度比条件下煤岩组合试件的力学特性与渗流规律的试验研究。结果表明:对于不同岩煤高度比的煤岩组合试件,失稳破坏的峰值强度存在差异,且峰值强度随岩煤高度比的增加呈增大趋势;组合煤岩体的失稳破坏呈现宏观剪切破裂面,且破裂面贯穿顶、底部岩石;组合煤岩体的渗透率随轴向应变的升高呈现先减小到最小值后迅速增加的"V"型变化趋势;且随着岩煤高度比的增加,渗透率曲线反弹点对应的轴向应变呈增大趋势。     

真三轴条件下深部煤岩试样力学特性研究

为研究深部煤岩体地下实际浸水作用后煤岩体的力学变化情况,以山西某煤矿地下5组原位煤岩体为研究对象,通过制备的标准试验试件分别进行无水状态下、浸水之前和浸水之后的真三轴力学试验,以期还原强降水后深部煤岩体力学特性的变化情况。研究发现:原始状态下煤岩层试样层位岩石在真三向应力下的变形受层理、应力和结构的影响均较大,在垂直层理方向的变形能力较强;破裂模式表现为以结构控制型剪切破坏、结构和应力综合控制型剪切破坏以及结构控制型剪切破坏为主,以层理方向剪切滑移为主的3种破坏形式。当岩样在真三向应力作用下并通过浸水试验后,岩样峰值强度降低,力学性质弱化,弹性模量降低,同时变形能力增加。其破坏模式分为结构控制型和应力控制综合控制型剪切破坏,以及结构控制型剪切破坏形式。