不同初始瓦斯压力下煤体动力学特性及其劣化特征

为探究不同初始瓦斯压力下煤体动力学特性及其劣化规律,利用自主研发的含瓦斯煤岩动静组合加载试验系统对含瓦斯煤开展冲击压缩试验,结合CT扫描系统分析了含瓦斯煤内部裂隙的扩展演化规律,并基于不同初始瓦斯压力下冲击煤样内部裂隙率增量定量表征了其细观损伤程度,探讨了冲击荷载作用下含瓦斯煤宏观力学参量劣化规律。研究结果表明：（1）冲击荷载作用下含瓦斯煤动态应力-应变曲线无明显压密阶段,分为线弹性阶段、塑性硬化阶段和破坏阶段,并发现随初始瓦斯压力升高,冲击煤样峰值强度、峰值应变和弹性模量均出现弱化现象;（2）瓦斯加剧了煤体内部裂隙的扩展和贯通,并根据CT扫描结果发现,含瓦斯煤冲击破坏模式主要以劈裂和层裂破坏为主,随初始瓦斯压力升高,两种破坏模式越显著,煤体内部裂隙数量及其损伤程度逐渐增大,空间裂隙网络更为复杂;（3）基于细观层面定义了损伤变量,得其值随初始瓦斯压力升高呈现二次函数上升,对比冲击载荷作用下煤体动态强度与以裂隙率增量定义损伤程度所得理论强度,验证了细观层面煤体裂隙率增量定义损伤变量的合理性,建立了含瓦斯煤细观劣化与宏观参量损失的内在联系。研究成果丰富了含瓦斯煤动力学基础理论,为矿井煤岩瓦...     

动荷载和含水率对红砂岩破坏及能耗特性的影响

地下工程岩体爆破开挖过程中,动荷载和地下水对工程岩体的安全稳定具有显著影响。为研究动荷载和含水率对岩体破坏和能耗特性的影响,利用改进的SHPB试验装置,设置4个冲击速度和6个含水率等级,对红砂岩进行动态冲击试验。通过分析不同含水率工况下能量反射率、透射率和耗散率的变化规律,构建红砂岩能耗特性与含水率的经验模型;对破坏试样进行筛分试验,根据破碎分形理论,研究岩石破碎分形维数随含水率的变化规律。结果表明：（1）同一冲击速度下,能量透射率和含水率具有指数函数关系且呈负相关,能量耗散率随含水率先增大后减小且具有二次函数关系;（2）同一含水率下,能量透射率和冲击速度呈负相关,能量耗散率和冲击速度呈正相关;（3）在出现宏观破坏的试样中,红砂岩的破坏程度随含水率的增加而增大,且在含水率为1%处出现拐点,破碎分形维数和含水率具有指数函数关系。     

三轴压缩下含瓦斯煤的能耗与渗流特性研究

以重庆松藻同华矿K3煤层制备的煤样为研究对象,利用自主研制的渗流装置,进行了不同围压和瓦斯压力下煤样的三轴压缩试验,并应用能量积聚与耗散的方法,研究了煤样在压缩过程中的能耗特征和渗流特性。结果表明：三轴压缩破坏过程中,含瓦斯煤样存在着能量积聚与耗散。煤样以弹性应变能的形式吸收并储存能量;荷载达到峰值时,煤样储存的弹性应变能在瞬间释放转化为耗散能,成为煤样破坏的源动力。围压和瓦斯压力对煤样的能耗特征有较大影响,随着围压增加,煤样吸收的总能量、储存的弹性应变能和耗散能均会增加;随着瓦斯压力增加,煤样吸收的总能量及耗散能呈现缓慢的增加,储存的弹性应变能呈逐渐下降趋势。围压和瓦斯压力对煤样的渗透性亦有较大影响。应力达到峰值前,随着围压的增加,煤样的渗透性逐步减小;随着瓦斯压力的增加,煤样的渗透性则呈增加的趋势。研究结果可为煤与瓦斯突出的防治和瓦斯抽采提供参考。     

变轴压加载煤体变形破坏及瓦斯渗流试验研究

为探究煤岩在变轴压加载下的变形破坏和瓦斯渗流演化规律,以原煤煤粉压制的煤体试件为研究对象,采用含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验系统,进行了5种不同轴压加载路径下的煤体三轴压缩及瓦斯渗流试验。研究结果表明,煤体变形可分为压密、稳定发展、非稳定破裂发展和破裂后4个阶段;压密阶段试件的应变变化速率主要与张开性结构面和裂隙有关,与轴压加载区间无关,稳定发展阶段虽然轴压加载速率不同,但在相同的轴压加载区间,轴向应变变化速率基本相同;变轴压加载前期煤体渗透率与轴压的加载速率呈负相关变化,中后期渗透率变化速率与轴压加载速率相关性不大。研究结论对指导冲击地压以及煤与瓦斯突出的监测预警有着重要意义。     

基于塑性变形的煤体损伤本构关系及渗透率模型研究

开采扰动诱发的煤与瓦斯突出是煤矿生产过程中的主要瓦斯动力灾害之一。为系统探索开采扰动下煤体损伤演化特征和瓦斯渗流规律,拟开展不同瓦斯压力下全应力应变–渗流实验。通过考虑气体吸附和热膨胀效应修正广义胡克定律,建立基于塑性变形的煤体损伤本构关系,进一步构建考虑损伤的分段渗透率模型。结果表明:以渗透率突变点为界,可将煤体渗透率分为峰前和峰后2个变化阶段。其中,峰前呈指数型降低,而峰后急剧增加,峰值抗压强度和弹性模量均随着瓦斯压力升高而降低;煤体轴向塑性应变和损伤演化规律具有良好的一致性,二者均呈现出峰前变化不大,峰后激增的变化趋势;利用不同瓦斯压力和50℃实验数据对所建的损伤模型及渗透率模型进行验证,得到理论曲线和实验数据具有较好的吻合度,表明新建模型可较好地反映不同条件下煤体破坏失稳过程中的损伤演化规律和瓦斯渗流特征。      

瓦斯压力影响下煤岩力学性质与冲击能量指数演化规律及机制

深部煤层冲击地压诱发瓦斯涌出、突出事故频繁发生,对井下安全生产带来了巨大威胁,厘清瓦斯对煤岩力学性质、冲击倾向性演化规律是建立有效防治手段的基础。运用物理试验方法,基于自主研发的可视化煤岩流?固耦合试验系统,研究瓦斯压力影响的煤岩吸附、力学性质及碎块分布规律,分析瓦斯影响的煤岩冲击能指数演化特征与机制。结果表明:具有强冲击倾向性煤岩的瓦斯等温吸附曲线符合Langmuir模型,随瓦斯压力升高,煤岩软化特性越发明显,弹性模量、软化模量均呈阶段性降低,瓦斯对二者在煤岩峰值前后具有不同的影响效果且存在临界压力,试样破坏形式呈“脆性张拉→剪切→张拉+塑性流动”过渡,冲击能指数与试样碎块尺度均呈先减小后增大的“V”形变化特征,破碎后具有更多盈余能;含瓦斯煤岩小尺度碎块是灾害发生的客观条件,瓦斯膨胀能为煤体动态失稳提供了额外的能量,增大了冲击地压发生过程的强动力性和破坏性,这种煤岩基质骨架与瓦斯运移的固?流耦合降低了冲击地压发生的临界指标且具有更高的致灾潜能。研究成果与启示为进一步判定深部高瓦斯煤层灾变倾向并建立行之有效的防治手段提供了试验基础和研究思路。      

静态致裂作用下低渗厚煤层瓦斯增透数值模拟研究

为提高煤层静态致裂井下作业效率,优化致裂布孔参数,以中煤华晋王家岭矿12316综采工作面胶带巷为实验背景,结合煤层变形破坏方程、瓦斯扩散渗流方程和煤层渗透率演化方程,构建煤层破坏及渗透率演化模型;采用FlAC^3D-COMSOL Multiphysics对煤体静态致裂增透过程及影响因素进行数值模拟,揭示静态致裂作用下煤层应力分布、塑性扩展与瓦斯压力传递演化规律。通过优化选取致裂工艺参数开展现场试验,定量分析不同孔距下静态致裂过程中煤层瓦斯抽采量的变化特征。结果表明：静态致裂过程中膨胀应力在煤体内部沿致裂孔半径方向向四周均匀传递,单孔致裂过程中形成圆环状应力圈和塑性区;在双孔致裂条件下,两致裂孔内膨胀应力的水平叠加效果优于竖直叠加效果,使煤体水平方向破坏效果较竖直方向显著,且两致裂孔中间区域的煤层先于其他区域破坏。受静态致裂作用范围的限制,增透促抽后煤层内瓦斯压力大小与孔距呈正相关关系,煤层渗透率与孔距间呈负相关关系;现场试验表明,将孔距设为1.6 m以内进行静态致裂增透,在抽采负压为20 kPa条件下抽采30 d,测得致裂后瓦斯抽采纯量提升1倍左右,说明静态致裂对瓦...     

瓦斯煤层裸露面蠕变失稳的时间预测研究

通过对煤体蠕变特性的分析,提出采用五元粘弹塑流变模型能很好地描述煤体的蠕变特征。在考虑煤层瓦斯的作用下,得到了含瓦斯的煤蠕变状态方程。由于揭开的煤层裸露面由原来的三向受力变为二向受力,在合适的条件下煤体会产生蠕变。而煤体在双向受压时,裸露面方向的应变为拉应变,当裸露面方向的煤体的拉应变大于煤体破坏时的拉应变时,煤体将产生蠕变失稳。从而可以预测煤体蠕变失稳的时间。研究成果可以解释揭煤工程岩体失稳。     

三峡库区泥质粉砂岩的SHPB试验及能量耗散特征研究

为了研究含水状态下泥质粉砂岩的动态力学性能,进行了不同冲击速度下的分离式霍普金森压杆动载试验,重点研究泥质粉砂岩动力冲击过程中的能量耗散特征。结果表明:加载速率及含水率的变化将对岩样破坏均产生较大的影响。含水率的变化对岩样能量耗散特征产生较大影响,冲击速率越高时,试件的应变率越高,含水率越大时,比能量值及破碎程度也越高,平均破碎块度d越小;含水率的变化是导致断裂韧度变化的重要影响因素,含水率增加将导致试件的断裂韧度降低,在相同的冲击荷载下更容易断裂成碎块。     

卸围压时含瓦斯煤力学性质演化规律试验研究

以固定轴向应变条件下的轴向应力和径向应变为研究参数,对含瓦斯煤卸围压条件下的力学性质演化规律进行了试验研究,并对各参数的演化规律进行了数学拟合。结果表明,固定轴向应变被逐渐卸除含瓦斯煤的围压后,含瓦斯煤的轴向应力呈分2个阶段逐渐减小的趋势,其减小率与围压、瓦斯压力之差呈正向关系;瓦斯压力越大,卸除单位围压后轴向应力降低越大,轴向应力对卸围压效应越敏感,轴向应力与围压卸除量关系可用二次函数形式表征;固定轴压而逐渐卸除围压时,含瓦斯煤的径向应变呈逐渐增大趋势,瓦斯压力越大卸除单位围压后产生的径向应变越大,径向应变的变化是卸除围压量和瓦斯压力之和的综合作用,径向应变与卸除后的围压关系可用修正对数函数表征     

含非贯通裂隙砂岩的动力破坏特性研究

为研究动载作用下非贯通裂隙对岩石破坏特性的影响,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)对含不同裂隙数量及深度非贯通裂隙砂岩进行冲击试验,并基于分形理论和能量耗散原理分析其动力破坏特性。研究结果表明,动态峰值应力随裂隙数量及深度变化情况较复杂;峰值应变随裂隙数量增加而增加,随裂隙深度增加先增大后减小;动态弹性模量随裂隙数量增加先增加后减小,随裂隙深度增加而减小;不同工况试样的破坏模式分为张应变破坏、张应变?剪切复合破坏和压碎破坏3种,且裂隙数量对破坏模式的影响较裂隙深度大;试样破坏后的分形维数、单位体积耗散能和能量吸收率均随裂隙数量及深度的增加而增加,且分形维数与单位体积耗散能和能量吸收率均近似正线性关系。     

开采扰动下考虑损伤破裂的深部煤体渗透率模型研究

为了研究深部煤体在开采扰动影响下的渗透率演化规律,以三向应力条件下的煤体渗透率模型为基础,从吸附解吸作用引起裂隙变形和损伤破裂造成煤基质弹性模量劣化的角度进行理论推导,引入内膨胀应变系数的概念,同时基于Drucker-Prager破坏准则的损伤本构关系建立了两种考虑煤体损伤破裂的渗透率演化模型——指数型和立方型,并且对常规三轴加载、开采扰动加卸载和改变气体压力下的瓦斯渗透试验结果进行了拟合分析。结果表明：所构建的两种模型可以较好地反映常规三轴加载和开采扰动加卸载下煤体渗透率的分区段变化特征,也可以描述有效围压恒定条件下煤体渗透率随气体压力升高而降低的规律。在开采扰动加卸载和改变气体压力的试验中,指数型的拟合效果略优于立方型。研究结果可为深部煤炭开采及瓦斯抽采的工作提供指导。     

珊瑚颗粒力学特性应变率效应试验研究

珊瑚单颗粒破碎特性与珊瑚砂高压缩性、剪缩性及良好蠕变性等宏观力学行为密切相关。珊瑚颗粒的应变率效应对于不同形式荷载作用下珊瑚砂强度与变形特性研究具有重要意义。对约300颗珊瑚颗粒进行0.1～50 mm/min位移速率下的单颗粒破碎试验,探讨加载应变速率对颗粒破碎强度、破碎模式、破碎能量及破碎分形的影响。结果表明,珊瑚颗粒破碎强度服从Weibull分布规律,且特征破碎强度随应变率的提高非线性增大;随着加载速率的增大,颗粒主劈裂破坏往往先于棱角的局部碎裂和表面研磨,相应的荷载?位移曲线呈现出由峰前“多峰”向峰后“多峰”现象转变;珊瑚颗粒破碎能量密度和破碎分形维数同样具有明显的应变率效应,且均与对数应变率呈线性正相关关系,表征能量耗散和破碎程度均随加载应变率的增大而增大。     

动态荷载下胶结充填体力学响应及能量损伤演化过程研究

为研究尾砂胶结充填体的动态力学性能及能量损伤演化过程,采用分离式霍普金森杆对尾砂胶结充填体进行了不同应变率下的冲击加载试验。试验结果表明：充填体的动态抗压强度和动态抗压强度增强因子随应变率的增加呈指数函数递增规律,且水泥含量越低的充填体应变率效应更显著;充填体的峰前能耗量密度、峰后能耗量密度、单位体积应变能及总能耗量密度随应变率的增加均呈指数函数递增规律,且动态抗压强度与峰后耗散能密度具有明显的正相关关系;冲击载荷作用下,充填体变形破坏主要经历了线弹性变形、屈服破坏及峰后破裂这3个阶段;在充填体的线弹性变形及屈服破坏阶段,能量以弹性应变能的形式储存在试样内部,而在峰后破裂阶段,能量以耗散能释放为主;冲击加载下,充填体的受荷能量损伤演化过程划分为损伤稳定发展阶段、损伤加速阶段及损伤破坏阶段3个阶段。     

含瓦斯煤孔隙率和有效应力影响因素试验研究

以孔隙率基本定义和力学平衡原理为出发点,充分考虑由煤层瓦斯的吸附膨胀和解吸收缩、温度效应的热胀冷缩和煤体骨架受孔隙瓦斯压力的压缩共同引起的本体变形,建立了在压缩条件下(扩容前)的含瓦斯煤孔隙率动态演化模型和以吸附热力学参数及瓦斯压力表达的有效应力方程,并分别根据现场实测孔隙率数据和含瓦斯煤三轴应力试验数据,对所建立的理论模型进行了验证。结果表明,理论计算值与实测资料和试验结论一致性较好,理论模型拟合精度较好,误差不大,所得结论对煤层气开采和矿井瓦斯灾害防治具有一定的指导意义。     

基于能量理论的煤岩体破坏电磁辐射规律研究

为了给电磁辐射预测矿井冲击地压灾害提供理论依据,采用电磁波和损伤力学理论初步分析了电磁辐射能和加载机械能的关系;采用试验和能量理论研究了单轴压缩条件下煤体变形破坏产生电磁辐射能与受载煤体能量积聚、耗散的耦合关系。研究结果表明：加载机械能与煤体变形破坏产生的电磁辐射能成系数为m正线性关系,m与煤体的弹性模量成0.107 4的比例关系;受载煤体峰值弹性应变能与电磁辐射能成正对数关系,煤体的弹性能指数与峰值累积电磁辐射能、总累积电磁辐射能均成正线性关系,电磁辐射信号反映了能量聚集和耗散的状态,表征了煤体冲击破坏的难易程度。因此,电磁辐射能够预测矿井冲击地压灾害的发生。     

煤层瓦斯卸压抽放动态过程的气-固耦合模型研究

根据瓦斯渗流与煤体变形的基本理论,引入煤体孔隙变形与透气性演化的耦合作用方程,建立了考虑煤层吸附、解吸作用的含瓦斯煤岩固-气耦合作用模型。应用该模型模拟研究了不同压力影响下瓦斯抽放过程中煤层透气性的演化和抽放孔周围瓦斯压力的变化规律,其结果对于深入理解瓦斯抽放作用机制并采取相应的瓦斯预防和控制措施等具有重要的理论和实践意义。     

动态载荷下大理岩断口形貌特征试验研究

为了探究动态载荷下大理岩的断口形貌特征,本文先利用分离式霍普金森压杆对岩样进行不同弹速下的冲击压缩和动态劈裂试验。接着,采用钨丝灯扫描电镜对岩样断口形貌进行细观观察,对比分析了不同试验条件下岩样的断裂模式。最后,引入分形维数定量表征了岩样断口细观形貌及其粗糙程度与冲击弹速间的内在关系。结果表明:在动态载荷下大理岩断口呈脆性特性,其基本断裂模式为沿晶断裂或穿晶断裂;高弹速冲击下,岩样断裂花样变小变密,表面附着岩粉趋多;相对于动态劈裂试验,动态压缩后岩样的破碎程度要高,断口花样中穿晶断裂形式所占的比重较大;随着弹速的增加,动态劈裂和动态压缩断裂模式均由耗能较低的沿晶断裂向耗能较高的穿晶断裂转变,分形维数值相应增大,但动态劈裂试验中分形维数值比动态压缩试验的应变率敏感性更加明显。     

含瓦斯砂岩卸围压变形特征与渗透规律试验研究

为研究含瓦斯砂岩卸荷破坏过程中的变形及渗流规律,采用自主研发的含瓦斯煤热-流-固耦合渗流伺服试验系统,开展了不同围压和相同瓦斯压力条件下的卸围压渗流试验,建立了基于应变指标的瓦斯渗流模型。得出的主要结论有:(1)含瓦斯砂岩破坏表现出明显的脆性特征,峰值应力点后瞬间,应力、应变及流量均出现突跳;(2)应力-应变及渗透率变化呈现明显的阶段性特征:孔隙、微裂隙压密及弹性变形阶段(Ⅰ、Ⅱ阶段),砂岩渗透性为0;卸荷屈服阶段(Ⅲ阶段),产生新的损伤,渗透性小幅增加;卸荷破坏应力跌落阶段(Ⅳ阶段),应力突降,应变陡增,裂隙贯通后渗透性陡增,是渗透性主导阶段;破坏后阶段(Ⅴ),应力、应变及流量变化均趋于稳定;(3)含瓦斯砂岩破坏阶段,受气体压力和泊松效应影响,使径向应变和体积应变远大于轴向应变;(4)含层理砂岩卸荷破坏形式以产生沿层理面方向的张剪混合裂缝为主。基于Kozeny-Carman方程和裂隙流理论,建立了应变相关渗透率模型,揭示了含瓦斯砂岩损伤破坏渗流机制,对研究瓦斯突出、及在破断岩体中的运移规律及抽采孔优化设计等具有借鉴意义。     

CO2相变致裂本煤层增透技术研究

研究液态CO₂相变特征和煤体对气相CO₂和CH₄的吸附规律,在不同煤质、温度和平衡压力条件下,实验得出在无烟煤和焦煤的煤体中CO₂竞相吸附的能力是CH₄的1.8~2.4倍。研究发现,液态CO₂在0.2 s内完成相变过程,体积瞬间膨胀至794倍。通过理论研究建立了采用不耦合致裂条件下的爆破孔初始冲击压力峰值、裂隙圈有效半径和爆破致裂钻孔孔径3个主要爆破参数变量的数学模型。采用液态CO₂瞬间相变出口压力为200MPa的致裂器,进行致裂爆破本煤层增透现场实验研究,研究得出距离致裂爆破孔2m和3m的控制孔在爆破后单孔瓦斯抽采纯量提高至6倍和4倍,单孔瓦斯抽采浓度提高至5倍和4倍,单孔瓦斯抽采浓度保持在35%~55%,而距离致裂爆破孔4m的控制孔在爆破5d后瓦斯抽采效果衰减至爆破前的水平。现场试验得出初始冲击压力峰值200MPa和钻孔孔径0.094m时,本煤层致裂爆破裂隙圈有效半径为3m。