瓦斯压力对卸荷原煤力学特性及能量特征的影响

运用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置,以原煤煤样作为研究对象,进行了含瓦斯煤固定轴向压力、卸围压的渗流试验,研究了卸围压过程中瓦斯压力对煤样力学特性和能量特征的影响。结果表明:在轴压加载阶段,煤样的变形模量基本不变,泊松比逐渐减小;在定轴压卸围压阶段,煤样的变形模量先小幅度增加,然后逐渐减小,泊松比则逐渐增大。瓦斯压力越高,煤样的承载能力越低,煤样发生破坏时相应的轴向应变和围压卸荷量百分比越小,而煤样破坏时的径向变形和扩容量越大。各应变围压柔量Δεi与瓦斯压力呈线性关系且线性相关性良好。随瓦斯压力升高,轴向应变的围压敏感性降低,径向应变和体积应变的围压敏感性显著升高。随瓦斯压力升高,煤样发生破坏时存储的弹性应变能Ue减小,而总能量U、耗散能Ud和耗散能比例Ud/U都增大。     

轴向载荷波动下海上测试管柱动力响应与安全系数分析

为研究海上测试管柱在作业过程中轴向载荷波动对管柱强度和变形的影响,针对泥线上管柱的作业特点,对适应于简化条件下的泥线上管柱的轴向力计算方法及振动模型进行了推导;基于建立的管柱有限元模型及其固有频率分析结果,应用Workbench进行了不同频率、不同水深、不同波动幅度轴向力下测试管柱的动力响应分析及对应的安全系数计算。研究结果表明:轴向力三角形波动一定周期后,响应参数趋于稳定,波动幅度对管柱的响应结果影响不大;同幅度载荷变化下,正弦波动时的最大应力、最大变形响应数值较三角形波动时要小;随着水深的增加,最大变形、最大应力的数值均明显减小,二者响应规律基本一致;在基频不同倍数的波动下,波动频率对响应频率、稳定前的时间占比、幅度等影响明显;测试管柱在轴向波动载荷作用下的强度均满足材料的使用安全系数,但正弦波动时管柱的变形与应力始终随轴向力的变化而变化,正弦波动下的管柱易出现周期性疲劳破坏。     

渗透水压力作用下软岩蠕变特性及变参数蠕变模型

针对渗透水压力作用下极软岩石巷道蠕变变形量大、容易突水等问题,选取油页岩为软岩试样,采用室内蠕变试验与理论分析相结合的方法,分析渗透水压力作用下软岩蠕变特性,建立了考虑渗透水压力的变参数软岩损伤蠕变模型。结果表明:随应力水平提高,起始蠕变速率增大,进入稳态蠕变阶段用时延长,瞬时应变以线性关系增加;在蠕变过程中,随渗透水压力增加,岩石蠕变变形量呈先减小后增加的趋势,表明渗透水压力增大了岩石蠕变变形的能力;采用1st-Opt中的Levenberg-Marquardt+通用全局优化法反演蠕变参数,所得理论曲线与试验曲线吻合较好,表明所建模型合理。     

应力加卸载下层理裂隙煤体瓦斯渗流试验研究

为探讨同一应力加卸载作用下不同层理方向裂隙煤体的瓦斯(甲烷)渗透规律,采用自行设计、改装的三轴应力瓦斯渗透模拟装置,在相同瓦斯压力条件下,对平行及垂直层理方向的2种原煤样试件进行试验研究。结果表明,加载过程中,2种试件的渗透率均随有效应力的增大而减小,应力加载至最大值时,渗透率分别下降了99.01%和80.49%;卸载过程中,渗透率随有效应力的减小而增大,卸载初期渗透率变化较小。有效应力从11.65 MPa卸载至8.98 MPa时,渗透率分别恢复到最大应力加载值的87.45%、68.8.5%。当卸载至4.98 MPa时,渗透率的增加幅度分别为736.78%和99.67%。相同的卸载条件下,平行层理裂隙试件的渗透率增幅比垂直层理裂隙试件大得多。     

冻融循环作用下尾矿砂抗剪强度和变形特性研究

为探究冻融循环后尾矿物理力学特性的变化特征,使用高低温试验箱和应变控制式三轴剪力仪对处于不同初始条件下的尾矿砂进行不排水不固结试验,揭示了尾矿砂的抗剪强度参数、不同围压条件下的变形模量与冻融循环次数、含水率之间的关系。结果表明:相同含水率条件下,随冻融循环次数增加,尾矿砂黏聚力先减小后趋于稳定,内摩擦角先增大后减小,围压100 k Pa和200 k Pa时变形模量逐渐减小,围压300 k Pa时变形模量呈现先减小后缓慢增大的趋势;相同冻融循环次数条件下,随尾矿砂含水率增加,其黏聚力先增加后减小、内摩擦角不断减小;不同围压条件下变形模量在总体上均呈现出不断减小的变化趋势,围压200 k Pa时变形模量总的衰减量最大,100k Pa次之,300 k Pa最小。     

力热耦合条件下煤岩渗透率模型研究

为研究随采深增加煤岩的渗流变化趋势,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,进行不同温度下孔隙压力改变的渗流试验,建立力热耦合作用下考虑滑脱效应的煤岩渗透率模型,采用试验数据验证模型的有效性。研究结果表明:在孔隙压力增大过程中,瓦斯流量逐渐增加,随温度升高体积应变、径向应变均呈降低趋势,轴向应变呈先降低后升高趋势;随孔隙压力增大,煤岩渗透率先逐渐减小后趋于平缓,且随温度升高,煤岩渗透率呈增大趋势;考虑力热耦合作用下煤岩渗透率模型计算出的渗透率与试验所测结果吻合较好;在低孔隙压力下滑脱效应较明显,随着孔隙压力增大,滑脱效应逐渐减弱。     

温度变化对煤系砂质泥岩三轴压缩力学特性的影响

为分析温度对煤系砂质泥岩力学参数的影响,利用RMT-150B岩石力学试验系统和GD-65/150高低温环境箱,对煤系砂质泥岩在25~55℃下三轴压缩试验的力学特性进行了研究。结果表明,在试验温度范围内不同温度下煤系砂质泥岩的力学特性有一定程度的差异。随温度升高,峰值应力整体上呈降低趋势;峰值应变在20~40℃逐渐增大,在40~55℃减小;弹性模量随温度升高,在20~35℃逐渐减小,在35~55℃逐渐增大;变形模量随温度升高,在20~45℃逐渐减小,在45~55℃逐渐增大。     

不同瓦斯压力和孔隙率的原煤电阻率和渗透率变化规律研究

为了解不同瓦斯压力和孔隙率下原煤的电阻率和渗透率变化及电阻率和渗透率的响应规律,以淮南矿区谢一矿51采区C15煤层煤体为研究对象,研究不同瓦斯压力和孔隙率下煤样三轴压缩全过程的电阻率与渗透率的变化规律。研究结果表明:孔隙率相同时,最小电阻率和最小渗透率随着瓦斯压力的增大先增加后减小,瓦斯压力在4 MPa时,最小渗透率基本为0;瓦斯压力相同时,最小电阻率和最小渗透率随着孔隙率的增大而增大;全应力应变过程电阻率和渗透率满足随应变的增大先减小后增大的规律,不同加载阶段电阻率变化和渗透率变化规律保持一致,渗透率变化幅度比-应变曲线拐点滞后于电阻率变化幅度比-应变曲线;可利用电阻率变化规律反映应力变化以及渗透率变化情况。     

不同瓦斯压力和孔隙率的原煤电阻率和渗透率变化规律研究北大核心CSCD

为了解不同瓦斯压力和孔隙率下原煤的电阻率和渗透率变化及电阻率和渗透率的响应规律,以淮南矿区谢一矿51采区C15煤层煤体为研究对象,研究不同瓦斯压力和孔隙率下煤样三轴压缩全过程的电阻率与渗透率的变化规律。研究结果表明:孔隙率相同时,最小电阻率和最小渗透率随着瓦斯压力的增大先增加后减小,瓦斯压力在4 MPa时,最小渗透率基本为0;瓦斯压力相同时,最小电阻率和最小渗透率随着孔隙率的增大而增大;全应力应变过程电阻率和渗透率满足随应变的增大先减小后增大的规律,不同加载阶段电阻率变化和渗透率变化规律保持一致,渗透率变化幅度比-应变曲线拐点滞后于电阻率变化幅度比-应变曲线;可利用电阻率变化规律反映应力变化以及渗透率变化情况。     

低围压下含瓦斯煤三轴压缩变形时的能量变化规律

为探究煤体在受压过程中的能量特征及临界破坏点能量变化规律，基于常规三轴压缩下含瓦斯煤的应力-应变曲线，分析含瓦斯煤破坏过程中弹性应变能和耗散能随应变变化的规律，据此给出含瓦斯煤在不同围压、含水率下变形破坏时的能量解释。研究结果表明：有效能比在同一围压下随着含水率的增大先增加后减小，表明含水率的增大会降低煤样强度。建立围压和含水率对含瓦斯煤三轴压缩变形过程中临界破坏点总能量耦合关系的多元线性回归方程，取得了较好的拟合度。     

含瓦斯构造煤卸围压作用渗透性变化特征试验研究

针对含瓦斯煤轴压恒定卸围压渗透性演化规律,以新登煤业二1煤原煤样为研究 对象,利用自主研发的含瓦斯煤岩三轴应力蠕变渗流试验装置,开展不同围压下轴向应 力恒定卸围压渗流测试试验。基于实验结果表明:构造煤在应力加载阶段渗透率降低, 且轴压围压同时加载,渗透率变化与轴向应变符合线性变化,轴压加载阶段,渗透率与 轴向应变符合负指数函数变化规律;围压卸载阶段,渗透率在卸围压过程中一直减小, 随着轴向应变的增加,渗透率出现反弹,但未出现突变现象,渗透率增加阶段与时间变 化符合退化的负指数函数关系;构造煤渗透率卸围压失稳后,渗透率没有出现突变原因 认为煤样中没有形成较大的有效渗流通道,且在一定的有效应力作用下瓦斯渗流的有效 通道出现自愈合现象。     

三轴应力下煤岩损伤-能量演化特征研究

为有效预防煤岩动力灾害,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验装置对煤岩进行三轴压缩试验,研究三轴应力下煤岩的变形破坏特征及损伤过程中的能量演化机制;建立煤岩损伤本构模型;构建损伤-能量耦合数学表达式。结果表明:不同围压下煤岩偏应力-应变曲线的变化趋势基本一致;煤岩在变形破坏过程中,能量转换形式随变形破坏规律呈现阶段性变化;围压对煤岩的能耗特征有较大的影响,煤岩吸收的总能量、弹性能、耗散能的增长速率均随围压的增大而增大,且在峰值偏应力点处,随着围压的增大,临界破坏点总能量、储能极限、临界破坏点耗散能线性增大;能量耗散是造成煤岩内部结构产生损伤的主要原因,耗散能随损伤变量的增大总体上呈S型变化。     

模拟煤层钻进过程中钻孔稳定性试验研究

钻孔钻进过程的实验室模拟及失稳现象捕捉,是钻孔失稳破坏机制研究的关键环节。通过构建模拟煤层钻进过程中钻孔失稳监测系统及方法,探讨了轴压、吸附平衡压力、气体种类及煤的变质程度对钻孔稳定性的影响规律,得出不同试验条件下的孔周煤体应力变化及孔壁、孔底破坏特征。研究结果表明:随轴压及吸附平衡压力的增大,孔周煤体峰值应力最大值逐渐增大,孔壁变形及孔底破坏趋于严重,甚至发生喷孔;与N2相比,当煤样吸附CO2时,孔周煤体峰值应力最大值较大,孔壁变形及孔底破坏也较为严重;随煤的变质程度的加大,孔周煤体峰值应力最大值及卸压范围呈先增大后减小的趋势,试验所用焦煤应力集中现象及孔壁、孔底破坏程度最为严重。     

地表夯击载荷作用下埋地管道力学分析

为研究地基强夯作业中夯击载荷对埋地管道力学性能的影响,基于有限元原理建立了夯锤-管道-围土耦合三维模型,分析了夯击过程中管道截面变形及所受冲击力变化规律,研究了管道壁厚、夯击速度、夯锤体积对管道应力、应变及变形的影响规律。结果表明:夯击载荷下的管道所受冲击力为脉冲型,且随时间推移逐渐降低为0,最大冲击力随管道壁厚、夯击速度、夯锤体积增大而增大;管道最大等效应力、高应力范围及最大等效塑性应变随壁厚增加而减小,但随夯击速度或夯锤体积增大而增大;随着夯击速度、夯锤体积增大,管道截面变形率（椭圆度或凹陷率）逐渐增大,但其随壁厚增加而减小。     

循环冲击荷载下含孔洞岩石损伤特性与能量耗散分析

为探究隧道工程开挖过程中外部荷载对隧道围岩多重扰动的影响,采用霍普金森压杆(SHPB)装置进行不同冲击荷载(0.6、0.7、0.8 MPa)和冲击方式(等幅与不等幅冲击气压)下的循环冲击试验,以此分析冲击载荷作用下含孔洞岩石试件的动力学特性、损伤特征、能量耗散和破坏形态。结果表明:基于一维应力波理论和界面连续条件得到适用于含竖向孔洞岩石试件计算的改良损伤计算公式;竖向孔洞的存在会影响岩石应力-应变曲线的变化趋势,并在经历数次冲击后尤为显著;花岗岩损伤积累随平均应变率增大呈幂函数增长,且随冲击荷载的增加呈现良好的规律性;积累比能量吸收值随循环冲击的进行逐渐增大,且试件的破坏模式经历了横向拉伸破坏、横向拉伸-轴向劈裂组合形式、轴向劈裂破坏的转变。     

双向不等围压煤岩破坏能量演化机理与能量强度准则

结合室内单轴试验和颗粒流与Fish语言程序对杨村矿煤岩进行了不同围压组合试验,研究双向不等围压煤岩的强度、能量演化机制,并基于能量原理导出能量强度准则。结果表明:随围压比增大,煤岩屈服段对应应变幅宽先增后减,峰后软化段应力降明显,残余强度减小;可释放弹性应变能随应变增加在峰值前不断增大,但增速越来越小,峰后初期快速减小,然后保持较低水平;随围压比增大,煤岩在较大轴向应变下出现内部损伤,高围压比下峰前一定应变范围吸收的能量全部用于内部损伤裂隙形成和扩展所需的表面能,揭示了高围压比要比低围压比煤岩破坏时内部损伤程度严重;高围压比煤岩在较大第一、第二主应力作用下峰后弹性应变能释放更加容易;煤岩弹性储能极限与围压比存在线性变化规律,将弹性储能极限与能量演化结合导出能量强度准则,准则方程包含岩性常数和3个主应力,考虑了岩石破坏的综合因素,计算精度比Hoek-Brown准则和Drucker-Prager准则更具优势,能很好地表达岩石强度特性。     

煤层露头火区上覆岩层热破坏力学特性试验研究

为了研究温度载荷作用下煤层露头火区上覆岩层受热破坏特性,揭示上覆岩层的强度和变形特征随温度的变化规律。采用MTS8 15.02电液伺服岩石力学试验系统和NM-4A型非金属超声检测分析仪,对岩样进行了25~600℃加温加载试验。试验得出了不同温度条件下岩样受热破坏特征和纵波波速变化规律。结果表明,随温度升高,岩样纵波波速逐渐减小,600℃时砂岩X、Y、Z 3个方向的纵波波速下降了48.54%。高温对岩样的强度有一定的弱化作用,其峰值应力随温度升高而降低,600℃时岩样强度降幅达47.1%。岩样的峰值应变随温度升高而逐渐增大,400℃时峰值应变增大了55.6%,600℃时峰值应变增大了60.9%。随温度升高,砂岩的弹性模量、变形模量均减小,400℃时弹性模量降幅达13.5%,600℃时弹性模量降幅达59.6%。这表明在大面积高温火区的作用下,煤层露头火区上覆岩层产生大量漏风裂隙,热风压增大,致使高温煤体上部空气通过裂隙发生自然对流,从而维持煤体附近一定浓度的氧气。     

不同应力路径下岩石卸荷破坏过程的变形特性与能量耗散分析

基于能量原理和MTS试验机进行了三种不同应力路径下花岗岩卸载试验,研究了卸荷条件下岩石的应力—应变全过程曲线变形特征和岩样卸围压破坏过程的能量耗散规律。研究结果表明,在卸围压过程中,岩样侧向变形明显大于轴向变形,即表现为明显的侧向扩容,且方案3方案1方案2;能量耗散与时间呈非线性关系,且在卸围压试验中,施加围压越大,在相同侧向变形水平下能量耗散越大;在同一卸载方式下岩石耗散能随着围压的增大而增大。其研究结果对从能量角度研究卸载岩石力学特性有一定的指导作用。     

潞安矿区煤层渗透率的各向异性特征实验研究

为了研究原位煤体渗透性的各向异性特征,以山西潞安常村矿3号煤层圆柱试样为对象,利用TCQT-Ⅲ型低渗煤层气相驱替增产试验装置,对煤样进行加载,并以氮气注入压力2.0 MPa的条件下,分析垂直层理和平行层理2个方向的煤体变形和渗透率变化特征。实验结果表明:煤样在加载过程中,平行和垂直层理煤样渗透率均随着有效应力的增大而减小,平行层理方向的渗透率始终大于垂直层理方向,应力加载初期渗透率急剧下降,最后逐渐趋于平缓;径向应变的增加量与渗透率呈正相关性,且平行层理相关性大于垂直层理;沿平行层理方向的裂隙度大于沿垂直层理方向,沿垂直层理方向的应变量大于沿平行层理方向;应变增加量均随有效应力的增加而逐渐减小。研究结果可为煤层井网布置及优化提供参考。     

不同推进速度下煤岩体采动力学行为响应特征与控制

为获得不同推进速度下煤岩体的采动力学行为特征,通过轴压和围压分别模拟不同推进速度下垂直应力、水平应力,采用增轴压降围压的方式模拟煤岩体的采动力学行为,同时采用数值模拟和工程实践相结合的方法对不同推进速度下煤岩体的采动力学行为进行研究。结果表明:在围压卸载速率相同的条件下,随着轴压加载速率（推进速度）的增加,煤体的峰值强度、轴向应变和横向应变呈增大趋势,在峰值阶段产生了较大的轴向应变和横向应变,呈现出一定的延性,破坏形式具有塑性特征;在轴向加载和围压卸载的综合作用下,煤体体积一直处于膨胀变形状态,围压的卸载加速了煤体损伤破坏的进程,煤体破坏时的峰值应力和体积扩容受控于围压卸载的程度,控制轴压加载速率和围压卸载程度可控制煤体破坏时的峰值应力和体积变形。生产实践中,应结合煤岩体的采动力学行为特征,确定合理的推进速度并加以控制,以保证回采巷道与采场围岩的稳定性。