组合煤岩破坏过程能量耗散特征及冲击危险评价

为揭示组合煤岩失稳破坏过程中的能量耗散规律,通过组合煤岩单轴压缩试验,从能量角度对组合煤岩失稳特征进行了分析。引入分形理论,研究了声发射信号与煤岩破坏程度之间的关系,以及不同组合结构对组合煤岩破坏过程的能量耗散的影响,提出一种利用煤岩结构力学特性判定冲击危险的方法。结果表明：随组合煤岩顶板岩石高度增加,试样整体强度和弹性模量增加,峰后应变软化过程缩短;岩石高度的增加,岩石与煤的弹性模量差值的减小均会导致冲击危险增加;通过对组合煤岩中岩石和煤的高度及其力学性质分析,提出了组合煤岩冲击倾向性判定指数,利用冲击倾向性判定指数对组合煤岩冲击危险进行评价,其准确度和实用性优于传统模糊判定的“四指标”方法,为深入开展煤岩组合结构冲击倾向评价提供了试验和理论支持。     

动态冲击下锦屏大理岩力学响应与能量特性

为了分析锦屏水电站大理岩的动力学响应和能量特性,采用分离式霍普金森压杆对岩样开展了动态压缩试验,并引入分形维数定量表征试样的破碎形态、能耗特性及其与应变率的内在关系。结果表明：动态载荷下大理岩应力-应变曲线初始压密段不明显,当应变率较低时,应力-应变曲线呈现出回弹现象;试样峰值应力随应变率的增大而增加,且动态抗压强度与应变率对数呈线性关系;试样能量时程曲线呈“S”型演化,入射能、反射能及透射能均随应变率的增高而增大,动态抗压强度与能耗密度呈对数增长关系;随着比能量耗散值或应变率的增加,试样破坏程度和分形维数均逐渐增大。本文研究对提高爆破等动态荷载下岩石损伤破坏机理的认知具有一定参考价值。     

冲击荷载下含瓦斯煤能量耗散及损伤破坏规律

为探究冲击荷载下含瓦斯煤体动态响应差异,利用可视化含瓦斯煤分离式霍普金森压杆试验系统,对不同初始瓦斯压力下的煤体进行动态冲击试验,分析了不同瓦斯赋存状态下煤体能量耗散规律,并借助超高速摄像机和数字图像相关(digital image correlation,简称DIC)技术阐述冲击过程含瓦斯煤表面裂纹演化特征,结合分形理论获得了瓦斯压力对破碎煤体分形特征的影响,揭示了瓦斯赋存状态与破碎煤体特征尺寸的内在联系。结果表明：冲击荷载下,含瓦斯煤体应力-应变曲线基于能量耗散规律大致可分为4个阶段,瓦斯对煤体劣化作用显著,破碎耗能与破碎耗能密度随初始瓦斯压力增加均呈指数函数减小;受瓦斯气楔效应影响,冲击荷载下含瓦斯煤体应变场演化更为复杂,煤体破坏逐步从横向层裂破坏演变为横向层裂-纵向劈裂的复合型破坏;瓦斯压力作用下,煤体内部损伤加剧,破坏失稳后,破碎煤体平均粒径及破碎块度尺寸随初始瓦斯压力增加而逐渐减小,但分形维数呈指数函数增加,煤体破碎程度更加剧烈;构建了基于煤体破碎过程中能量消耗守恒的多维动态含瓦斯煤破碎模型,结合试验数据验证了模型的合理性,可较好地描述受瓦斯影响下的破碎煤样特征尺寸。研究成...     

煤岩组合体峰前能量分布公式推导及试验

冲击地压一定是在能量驱使下发生的,为探索引发冲击地压的能量在煤岩系统中的积聚层位,构建了煤岩组合体力学模型,推导了煤岩组合体峰前能量分布公式,对细砂岩−煤（fine sandstone-coal,简称FC）、粗砂岩−煤（gritstone-coal,简称GC）、细砂岩−煤−粗砂岩（fine sandstone-coal-gritstone,简称FCG）3种组合体开展5种加载速率下的能量积聚规律试验,分析了组合体破坏特征、力学特性及能量积聚规律。试验表明：（1）在0.001 mm/s加载速率下,组合体峰前能量主要以原生裂纹的扩展、贯通的形式缓慢耗散,属于塑性完全破坏;在0.1 mm/s加载速率下,组合体峰前能量主要以局部弹射破坏的形式快速释放,属于脆性不完全破坏。（2）组合体的抗压强度、弹性模量、峰前能量、冲击能量指数与加载速率呈对数关系。随着加载速率增大,组合体抗压强度、弹性模量、冲击能量指数增幅逐渐减小,峰前能量增长率呈现低－高－低的趋势。（3）随着加载速率增加,煤组分储能增多,能量占比增大。在0.001～0.010 mm/s加载速率下,煤组分积聚能量增加较快;在0.010～0.100 mm/s加载速率下,煤组分积聚能量增加较慢。（4）相同加载速率下,煤组分能量占比顺序：FC组合体＞FCG组合体＞GC组合体。（5）组合体中煤组分能量占比均大于50%,煤组分是能量积聚的主要载体。相同应力条件下,软弱岩层能量积聚能力强于坚硬岩层,更易积聚能量。研究结果可为确定冲击地压能量积聚层位和释能减冲工作提供参考。     

高温后花岗岩力学性质及微孔隙结构特征研究

采用MTS815液压伺服试验系统及9310型微孔结构分析仪对花岗岩在温度作用下（常温～1 300 ℃）的宏观力学性质及微孔隙结构特征进行了较为系统的研究。结果表明：①在800 ℃之前,岩样力学性质变化规律不明显;超过800 ℃,岩样强度迅速劣化;达到1 200 ℃,岩样基本失去了承载能力。②岩样孔隙率随温度升高而增大,孔隙率的阀值温度在800 ℃左右,与岩样在该温度点强度突然降低相一致。③岩样孔隙率较小,但连通性好,在阶段进汞曲线上显示为不同宽度微裂隙并存的特征,累计进汞曲线呈台阶状,温度超过800 ℃,超微孔逐渐向微孔隙转化,岩样连通性增强。④岩样孔隙分布分形维数随温度的升高反而降低。在高温作用下,岩样中的热损伤由初始非规则的裂隙结构逐渐向均匀化的孔穴结构转化,非均匀性弱化是导致岩样孔隙分布分形维数降低的根本原因。     

循环冲击层理煤岩动力学行为及破坏规律研究

针对考虑层理倾角的硬质砂岩力学行为及破裂响应特征问题,对不同层理倾角的硬质砂岩进行单轴压缩试验,深入探究层理倾角对硬质砂岩力学行为的影响以及层理倾角与碎块分形特征之间的关系。试验结果表明：(1) 层理倾角对硬质砂岩应力−应变曲线的类型特征无显著影响,但倾角较小时(0°、22.5°、45.0°),曲线表现为单峰变化规律,倾角较大时(67.5°、90.0°),曲线表现为多峰变化规律,且曲线波动位置主要位于峰值附近。(2) 峰值应力σ_d和峰值应变ε_d均在倾角为67.5°(最不利层理结构面)时达到最小值46.25 MPa和9.80×10⁻³,层理倾角对硬质砂岩应力的影响明显大于应变,受层理倾角的影响,硬质砂岩的各向异性度为1.32~1.64,表现出低各向异性特征。(3) 硬质砂岩随着层理倾角的增大呈现出剪切破坏−剪切张拉复合破坏−层理结构面剪切破坏−劈裂破坏的损伤破坏演化规律;单轴压缩下硬质砂岩的碎块质量特征和分形特征明显,硬质砂岩碎块以中块分布为主,层理倾角对细粒碎块的质量分布影响较小,其分形维数值位于1~2,碎块较大比例分布在大尺寸分布区间。研究结果可为含层理结构面岩石的稳定性及地下空间工程灾害防治提供理论参考。

     

水-动力耦合作用下红砂岩力学性质及能量机制研究

以干燥试样为对照,对自然、吸水和饱水3类含水试样进行单轴冲击试验,分析水-动力耦合作用下红砂岩试样的动态强度与变形特征以及损伤破坏前后的能量演化机制。试验结果表明：试样的动态抗压强度和峰值应变受含水率和冲击荷载影响较大,而峰值模量主要受含水率影响较为明显,这是由于红砂岩在水弱化作用下颗粒结构疏松膨胀、胶结强度减弱,加之在中高应变率下孔隙水所具有的细观力学效应,致使试样表现出低强度和高应变,而冲击荷载带来的应变率效应则使试样强度增强,塑性变形受到抑制;试样峰值点前吸收的总应变能U多以可释放弹性能Ue存储起来,耗散能Ud占比较小,各部分应变能随着脉冲强度的升高而增加,但随着含水率的变化趋势则不尽相同;不同脉冲强度下的脆性指标修正值BIM（Ud与Ue的比值）显示红砂岩试样的含水率以及冲击荷载的脉冲强度均存在一个阀值,使其塑性变形在水-动力耦合作用下的响应截然不同,而引入的有效冲击能指标Keff显示应变率效应对干燥试样和自然试样的冲击倾向性具有显著影响,对于含水率较高的吸水试样,水弱化作用降低了应变率效应,达到饱水状态时,因为饱和液体对应变率效应的促进作用,饱水试样的应变率效应得到强化。     

单轴压缩下酸腐蚀花岗岩能量演化与分形特征

利用单轴压缩、声发射监测及X射线衍射试验手段分析了不同腐蚀时间花岗岩力学特性,获得了声发射特征参数变化规律,从腐蚀机制角度分析了花岗岩内部结构劣化原因,并对岩样破坏过程中能量演化规律及破碎分形特征进行研究。主要结论如下：随着腐蚀时间增加,单轴抗压强度和弹性模量分别降低了25.6%和38.3%;声发射累计振铃计数降低,高水平声发射振铃计数持续时间缩短;岩样内部结构因矿物成分分解而劣化,而二氧化硅悬浮物又会延缓这一劣化,导致力学参数折减速率与腐蚀时间呈负相关;塑性阶段之前,腐蚀岩样耗散能增长率较大,其内部损伤已经快速发育,耗散能也处于较高水平,在塑性阶段,损伤发育程度低于未腐蚀岩样;耗散能随腐蚀时间增加而降低,但耗散能占比由29.1%升高到35.0%,延性提高;总能量和弹性应变能的峰值、增长速率均随着腐蚀时间增加而减小,内部结构劣化程度增大,岩样吸能能力和储能极限降低;破坏模式由剪切-劈裂破坏转变为剪切破坏,中、小粒径碎块质量占比由44.6%降低到22.8%,破碎分形维数降低了9.5%,破碎程度降低,用于破碎的耗散能也随之降低。     

煤系固废协同固化盐渍土的力学特征与机理研究

以干旱半干旱地区固体废弃物资源化利用为研究背景,利用煤系固废煤矸石(CG)、煤系偏高岭土(CMK)联合干旱区易获取的固废材料电石渣(CS)协同普通硅酸盐水泥(OPC)开发一种新型固化材料,探讨其固化干旱半干旱区盐渍土的力学性能与微观变化机理。基于室内实验,对比100%OPC固化盐渍土,研究不同矿区产出的CG以及煤矸石-煤系偏高岭土-电石渣协同固化剂(CGCMK-CS)替代52%、60%、68%、72%、84%OPC后各龄期的无侧限抗压强度(UCS)特征,并取特征组进行有害阴离子(Cl-、SO42-)浸出试验与微观测试,从微观角度对其强度变化机理进行探讨。结果表明,煤矸石–电石渣–煤系偏高岭土–普通硅酸盐水泥协同固化(CG-CMK-CS-OPC)体系具有良好的Cl-与SO42-结合能力,固化盐渍土后Cl-与SO42-浸出量是100%OPC的一半,其水化产物铝酸三钙能与盐渍土中的Cl-与SO42-生成AFm相产物,并使体系中的团粒内孔隙与团粒间孔隙向颗粒内与颗粒间孔隙转化,由此降低了盐渍土中盐分带来的危害。根据7 d UCS试验结果,使用山西运城CG固化体系的效果最佳,这与其活性钙质和铁铝...     

深埋碳质千枚岩力学特性及其能量损伤演化机制

为揭示深埋碳质千枚岩的遇水软化损伤特性和微层理结构的各向异性,开展了不同层理角度和不同含水状态下的千枚岩力学试验。并基于能量损伤演化机制分析了层理角度和含水状态对千枚岩储能机制和释能机制的影响。研究结果表明：深埋碳质千枚岩的各向异性特性和遇水软化效应是千枚岩内部的沉积层理、层状薄片矿物和高黏土矿物成分导致的固有特性;其破坏机制及其强度各向异性主要受控于层理面间的弱胶结作用,这种弱面效应会随着围压的增大而降低;千枚岩遇水后其力学特性和脆性被弱化,宏观破坏角增大,表现出张拉破坏减弱,剪切破坏增强;基于弹性能和耗散能比例曲线的S型变化规律与能量演化规律,将岩石的渐进破裂演化过程划分为4个阶段,并采用能量损伤演化理论探讨了I型和II型两种典型岩石破坏方式的能量机制及其损伤演化机制;层理方向和含水状态对千枚岩的储能能力具有较大影响,其中层理方向对千枚岩的释能机制和损伤破裂演化机制影响不大,而千枚岩的储能与释能机制则对含水状态的变化更为敏感。     

煤与瓦斯突出过程中气压时空演化规律

煤与瓦斯突出是严重威胁煤矿安全生产的地质灾害之一。近年来,随着采掘深度不断增加,地应力与瓦斯压力不断加大,突出次数也日益频繁,同时由于煤矿井下开采活动,使煤岩体中地应力场发生变化,在掘进工作面或回采工作面前方形成由卸压区、应力集中区和原始应力区组成的三带,给煤与瓦斯突出的预防与治理带来更大的困难。以天府三汇一矿为工程背景,基于相似理论试验模拟了采动条件下的煤与瓦斯突出过程,并分析了突出过程中气压的时空演化规律。研究结果表明:突出的发展是煤体由突出启动点向周围逐渐破坏并抛出的过程,相对突出强度为8.79%,且突出过程具有阵发性,表现为煤体的间歇式多次抛出和气压的反复升降,其中突出口附近气压的升幅较大,达到69.2%,而远离突出口处气压表现为短时间内急剧下降,之后缓慢下降并逐渐趋于大气压;突出过程中气压等压面近似以突出口为中心呈球面分布,且气体解吸区域近似呈球壳状逐渐向外扩展,球壳的扩展速度约为130 mm/s,球壳附近气压梯度较大。     

煤巷掘进迎头煤与瓦斯突出的突变机制分析

将巷道简化为圆形,并将掘进迎头视为圆形直立层裂体建立力学模型;导出了层裂体总势能函数的表达式,建立了圆形层裂体的折叠突变模型,得出了瓦斯突出起动的突变条件,并用有限元方法进行了数值模拟。研究表明,层裂体两侧压力差超过临界值将导致瓦斯突出,这对有效防止瓦斯突出具有重要指导意义。     

二氧化氯对煤储层物性改变的机理研究

二氧化氯在作为煤储层压裂破胶剂的同时,兼具降低煤的亲甲烷能力和化学增透作用。查明二氧化氯对煤储层物性改变的内在机理,对深部煤储层改造摒弃传统活性水改用高粘压裂液有重要意义。通过对二氧化氯改性前后的不同变质程度煤样的压汞和Raman光谱测试,对比分析了煤样改性前后的孔隙结构和化学结构的变化特征。测试结果表明:煤样改性后孔隙度和孔容不同程度增加,比表面积降低;改性后煤的脂肪链的支链化程度和芳香环的缩合程度均降低,煤结构单元缺陷增加,芳碳总量相对减少。可见,煤储层物性改变的机理在于煤孔隙结构及其大分子结构发生了相应变化。     

气体吸附诱发煤强度劣化的力学模型与数值分析

在吸附性气体作用下,煤体将产生吸附应变,吸附应变通过使煤微观结构重新排列从而诱发煤损伤,并使其力学性质劣化。尽管大量试验证实了吸附性气体将会改变煤的力学特性,然而当前描述煤-气相互作用的力学模型并未将吸附诱发的损伤考虑其中,故也无法考虑气体吸附诱发煤强度劣化。基于此,建立一个考虑气体吸附损伤的双重孔隙介质力学模型,揭示气体吸附过程诱发的两个相互作用：一个是游离气体引起的常规弹性力学作用,一个是吸附气体诱发的内部膨胀应力,并在此基础上考虑两个力学作用所带来了煤的附加损伤。研究结果表明：气体吸附诱发煤基质产生细观损伤,以拉伸损伤为主,这使煤的力学性质劣化,表现为弹性模量和强度的降低。吸附能力越强的气体,诱发煤的微观结构改变越大,损伤越明显,甚至会诱发煤样呈现新的破坏形态。超临界CO2会诱发煤更大的损伤和强度劣化。     

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     

新密矿区低临界值瓦斯动力现象及机理

本文从区域构造演化及构造特征、\