循环载荷下煤样变形及声发射特征试验研究

为预防煤岩动力灾害,有必要研究煤样在疲劳破坏过程中应力水平对裂隙演化的影响。采用岩石力学试验机与全信息声发射信号分析仪组成的试验系统,研究不同应力水平循环作用下煤样的变形和声发射特征,并探讨声发射参量与裂隙演化的关系。结果表明:在等幅循环载荷下,煤样的变形过程有减速、匀速和加速3个阶段,滞回曲线呈现疏-密-疏的变化规律,并且滞回环的疏密程度及疲劳寿命与上限应力水平正相关;循环过程中煤样的声发射特征也表现出明显的阶段性,可分为降低、稳定和升高阶段,且应力水平越高,各阶段的声发射活动越剧烈;与声发射活动呈现的阶段性特征相对应,煤样裂隙演化过程可分为初始损伤、微裂纹稳定发展、裂纹贯通破坏阶段,并且随应力水平的增高,单次循环中煤样裂纹的萌生和扩展发育越快。     

真三轴应力条件下破断煤体力学响应及渗流特性试验研究

为探究煤炭深部开采过程中破断区域煤体的力学及渗流特性,利用多功能真三轴流固耦合试验系统,结合计算机断层扫描(CT)技术分析破断煤体破坏后的内部裂隙分布情况,获得不同中间主应力下破断煤体的强度特征、渗透率演化及破坏模式。研究结果表明：真三轴应力条件下破断煤体呈现出脆-延性破坏特征,随着中间主应力的增大,峰值强度呈现先增大后减小的变化趋势;破断煤体的渗透率在临近破坏前并未出现大幅增长,在进入峰后阶段总体呈下降趋势,且在峰前阶段变化更为明显;破断煤体破坏后的裂隙形式以剪切裂隙为主,宏观剪切破裂面呈现非对称分布特征。应根据现场煤层破断区域构造应力和裂隙结构的变化,调整煤层破断区域瓦斯抽采或破碎煤岩巷道注浆加固方案,保障深部煤炭安全开采。     

岩石破坏失稳的声发射响应与损伤定量表征研究

为了探索在外载荷作用下岩石的损伤演化规律及声发射响应特征，实现损伤程度的定量表征，以标准岩石试件为研究对象，采用RMT-301岩石力学试验系统和DS5-8B全信息声发射仪，开展单轴加载条件下岩石破坏全过程的声发射(AE)试验研究，根据声发射参数、声发射源三维定位、声发射能量密度和岩石力学分析表征其破坏形态，再现岩石裂隙孕育、发展和贯通过程，揭示岩石破坏规律、能量密度分布特征、裂隙空间演化和AE时序参数；以时间为中间变量，建立声发射累计振铃计数和应力、应变及损伤变量的耦合关系；基于岩石损伤演化方程，进一步建立声发射累积能量和应力、应变的定量模型。研究结果对揭示岩石破坏机制、区分岩体强度具有指导意义，为矿山煤岩动力灾害的预测预警提供一定理论支撑。     

受载含层理煤体裂隙演化与渗流特性模拟研究

为揭示层理构造对煤体裂隙演化与瓦斯渗流特性的影响机制,优化基于层理构造的瓦斯抽采设计,保障煤矿安全高效生产,利用RFPA2D-Flow软件,在煤体中预制斜交、垂直和平行层理裂隙面的基础上,分别对不同层理煤体的裂隙演化特征、声发射分布规律及瓦斯渗流压力场进行模拟研究,并与试验结果对比。结果表明:不同层理煤样均以剪切破坏为主,但最终破坏形态有明显差别;斜交层理煤样在3条预制层理的中间1条处破坏最明显,而垂直、平行层理煤样的抗压/拉破坏主要在预制层理裂隙面两端和周围;不同层理煤样的瓦斯渗流压力场梯度曲线均在裂隙出现的区域有明显变化,且呈波浪状分布;斜交层理煤样的模拟结果与试验结果基本吻合,验证了模拟的有效性。     

花岗岩颗粒流模型循环压缩作用下能量特征分析

为分析花岗岩颗粒流模型循环作用下的能量特征,基于花岗岩单轴压缩试验得到的应力应变曲线,完成了PFC3D数值试验的参数标定,探讨了不同循环次数下数值试件内部总能量、弹性应变能和耗散能的变化规律,建立了一定循环次数下耗散能随应力变化的演化方程。研究结果表明:在数值试件加载至破坏过程中,这些能量参数以应力应变曲线峰值点为分界,峰前的总能量、弹性应变能和耗散能随应力呈非线性增长,总能量增长速率最快,弹性能次之,耗散能最慢;至峰值点附近时弹性应变能达到储能极限,增速降为0;峰后则表现为弹性应变能急剧释放,耗散能随裂纹发展而快速增加,能量急剧释放是导致岩石灾变破坏的主要原因。提出的基于材料阻尼理论的耗散能演化方程,计算结果和试验数据对比表明其可以较好地反映一定循环次数下耗散能随应力变化的特征。     

分段变速加载对含瓦斯突出煤力学特性影响试验研究

为探究采动应力变化对含瓦斯突出煤力学特性的影响，利用RLW-500G煤岩三轴蠕变-渗流试验系统，对新景矿含瓦斯突出煤进行了不同围压和瓦斯压力下的常规三轴和分段变速加载力学试验。结果表明:煤样在2种应力路径下的全应力应变曲线均可分为压密、线弹性、塑性变形、应力跌落和残余应力5个阶段；随着围压的升高或者瓦斯压力的降低，煤体在2种应力路径下的强度和弹性模量均增大；相较于常规三轴，煤体在分段变速加载路径下的强度普遍增大，峰值轴向应变、峰值环向应变绝对值和峰值体积应变绝对值也普遍增大，失稳破坏瞬间应力跌落和能量释放更加剧烈。Mohr-Coulomb强度准则仍然适用于分段变速加载条件下的含瓦斯突出煤，该研究对于认识煤与瓦斯突出的发生机制具有一定的指导意义。     

不同类型煤体失稳破坏电荷感应试验研究

为得到不同类型煤体在压缩破坏过程中应力和电荷的变化规律,利用自主研制的电荷感应测试系统进行室内试验。试验分别对冲击型原煤试样、突出型原煤试样及型煤试样压缩破坏过程进行实时电荷监测。结果表明,不同类型的煤样在压缩过程中产生的应力变化曲线有明显的区别,冲击型煤样在加载过程中的应力-应变曲线在达到峰值应力前表现为较好的线性关系,峰后区的应力-应变曲线一般主要表现为近似竖直的直线。突出型煤样在加载过程中峰前区的应力曲线出现了多个峰值,在峰后区应力-应变曲线一般表现为上凹形的曲线。型煤试样的应力曲线峰前区有更为明显的压密阶段、线弹性阶段及弹塑性阶段,峰后区的应力-应变曲线一般表现为上凸的曲线。3种不同类型煤体压缩破裂时电荷感应信号峰值出现的位置及电荷感应信号的集中或分散程度也不同。冲击型煤样的电荷感应信号出现的位置相对比较集中,主要出现在峰值应力前后和试样完全失稳破坏阶段。突出型煤试样的电荷感应信号则比较分散,一般出现在应力出现峰值前后或应力急剧增加阶段。型煤试样的电荷感应信号一般出现在应力软化阶段,在峰值应力前阶段并没有收集到电荷感应信号。利用不同类型煤体在压缩破坏时的电荷感应信号不同,可以为矿山灾害的发生提供预报信息。     

滇东黔西松软煤岩三轴压缩力学特性及能量演化特征

为促进滇东黔西地区煤炭资源安全高效开发,开展了不同围压下的三轴压缩试验,研究了该地区松软煤岩的压缩力学特性及能量演化特征。研究结果表明:裂隙增大了松软煤岩差应力-应变曲线峰后下降的速率,差应力-体积应变曲线从峰前屈服阶段开始左拐,表现出扩容现象,达到峰值强度后扩容现象愈加明显;围压增强了煤岩承压能力,对煤岩压缩变形过程中径向变形的抑制作用明显;围压条件下,松软煤岩的抗压强度、破坏模式及破坏角均符合Coulomb强度准则;围压几乎不影响弹性能的增长速率,但提高了煤样储存弹性能的能力,受割理等裂隙影响,耗散能与围压无明确相关关系。     

循环载荷下煤样不同方向渗透特性试验研究

针对循环采动过程中煤层不同方向渗透特征的演化规律问题，以平顶山十二矿己15煤层煤样为研究对象，利用自行研制的应力-渗流-解吸煤体变形试验装置，开展了循环围压加载下煤样不同方向渗透试验。研究结果表明:在相同的轴压、围压和平均孔隙压力下，试样平行层理面方向的渗透率大于垂直层理，平行层理面内的渗透率相差不大。在围压恒定的情况下，通过试样的流量随着渗透压差的增大而增大，且二者之间的关系可以用二次函数描述；围压增加，导致裂隙闭合，渗透率减小，当循环围压大于煤屈服强度和抗压强度时，裂隙扩展，渗透率增加；循环围压加载可以改变煤样原有不同方向渗透率大小顺序，渗透率与原初始渗透率比值随循环加载次数的增加而增大。     

不同应力循环路径下砂岩的能量演化特征

为从能量角度探究砂岩在循环应力作用下的力学响应,开展10 MPa初始峰值应力逐级递增、80 MPa初始峰值应力逐级递增及恒定100 MPa峰值应力3种循环路径下的加卸载试验,结合应力应变曲线和能量计算结果,分析砂岩各项能量随循环次数和峰值应力的演化特征。结果表明：随循环次数和峰值应力增加,初始峰值应力80和100 MPa时滞回环仅在第2次循环时向应变增大方向明显迁移。不同应力循环路径下单位体积耗散能表现出不同的阶段性演化特征,分级循环加卸载时,砂岩各项能量值随峰值应力增加由二次函数向线性函数增长特征转变,而峰值应力恒定为100 MPa等幅度循环加卸载时,随循环次数增加,砂岩单位体积能和单位体积弹性能呈开口向下的二次函数趋势下降,单位体积耗散能呈指数趋势下降。不同应力区间内循环路径对砂岩的能量影响有较大差异,分级循环加卸载与单次加卸载相比,峰值应力为80 MPa时各项能量相差均小于10%,峰值应力为100 MPa时各项能量相差达到22.74%～62.58%。     

单向循环加载下花岗岩力学特性及红外分析

为了探究单向循环加卸载作用对花岗岩力学特性的影响，开展了室内循环加卸载试验。选择5次和10次循环及12%，24%，36%，48%和60%的强度振幅对花岗岩进行循环加卸载预处理，进而测试其强度，并同步进行红外AIRT检测、红外热成像分析及温度场的频数直方图分析。研究结果表明:循环加卸载对岩石起先加强后削弱的作用，36%振幅10次循环预处理条件下的花岗岩综合性能较好；岩石破坏由局部应力集中所致，并揭示出岩石破坏伴随着能量积聚到释放过程。说明循环加卸载在一定条件下存在积极效应，且红外检测对岩石破坏的应力集中特性及灾害演化研究有较好的优越性。     

单轴压缩条件下预制裂纹红砂岩试样声发射特征研究*

为研究单轴压缩条件下预制裂纹红砂岩试样声发射特征,运用伺服压力机、声发射系统对砂岩试样进行单轴压缩试验,结合声发射特征参数与应力时间关系,对砂岩试样变形失稳破坏过程进行分析,并在相同加载方式下分析不同裂纹角度对砂岩试样变形破坏特征的影响。结果表明:砂岩试样破坏过程按力学性质可分为压密、弹性变化、塑性变化及峰后残余4个阶段,预制裂纹对试样的峰值应力有显著降低作用;声发射信号可分为平静期、上升期、波动期3个阶段,信号与砂岩试样破坏过程存在良好对应关系,不同角度预制裂纹对应的声发射信号特征不同,平静期45°裂纹试样声发射事件相对较活跃,振铃累积率相对最高,0°裂纹试样最早进入声发射波动期;在相同加载方式下,声发射信号参数RA值受裂纹角度影响较大,可以利用声发射信号RA值的演化判断岩石材料中裂纹方向与荷载方向的关系。     

饱水作用对锁固型岩体变形特性影响研究*

为了研究饱水作用对锁固型岩体力学性质和变形特性的影响,对干燥与饱水状态下的岩体进行单轴压缩试验,利用数字图像相关方法对岩体加载过程进行非接触式实时变形监测。研究结果表明:饱水作用弱化了岩体的单轴抗压强度和弹性模量;应变场演化特征表明饱水作用增大试件的变形量,但未改变试件的裂纹扩展路径和最终破坏模式;岩桥锁固段剪切裂纹起裂和峰值应力时伴随着应变场分异速率突增,可作为锁固型岩体滑动和失稳破坏的前兆信号,饱水作用对应变场分异速率峰值有削弱作用;通过计算预制裂隙两侧的错动位移,定量揭示岩体失稳过程中岩桥的“锁固效应”。研究结果可为涉水环境下锁固型岩体的稳定性问题和灾变监测提供参考。     

不同冲击速度下硬煤的力学特性试验研究

为了研究硬煤破坏过程中的动态力学特性，采用Φ50 mm变截面分离式霍普金森压杆（SHPB）试验系统，对45#钢制薄壁套筒施加环向约束的硬煤试件进行不同加载速率的冲击压缩试验，得到被动围压下轴向应力-应变曲线、径向应力-应变曲线及最大被动围压和冲击速度的关系。研究结果表明:峰值应力、峰值应变随着冲击速度的增大而增大，最大被动围压值与冲击速度呈幂次增长的关系；被动围压下的硬煤试件变形受到限制，试件延性、抗压能力显著提高；随着冲击速度的增大，薄壁套筒对试件的约束也逐渐增大，达到峰值后，冲击速度对被动围压的影响减小，筒壁厚度影响着被动围压效果。     

含硬夹矸高瓦斯低透气性煤层多向聚能爆破技术研究

针对在含硬夹矸高瓦斯低透气性煤层开采时，一方面煤层瓦斯抽采困难，另一方面煤层中的坚硬夹矸难破碎的问题，开展含硬夹矸高瓦斯低透气性煤层多向聚能爆破研究。理论上，分析多向聚能装药对爆破的影响，引入多向聚能影响系数，计算得出了不同方向上裂隙的范围。通过相似模拟试验，验证了多向聚能爆破实际效果；利用LS-DYNA数值模拟软件，对不同装药方式爆破作用下煤与夹矸裂隙的发育特征及应力演化规律进行了数值模拟研究。研究结果表明:多向聚能爆破能够将爆破能量积聚在夹矸弱化和煤层增透的方向上，形成以导向裂隙为主，大量分支裂隙为辅的裂隙网，在夹矸弱化和煤层增透方向上的应力峰值分别为普通爆破的1.21倍和1.16倍。多向聚能爆破能够在提高破碎坚硬夹矸能力的同时提升煤体中裂隙的发育程度，从而大幅优化爆破效果。     

冻融循环作用下受荷砂岩的能量演化与破碎分形特征*

为研究冻融循环作用对岩石力学特性的影响,对砂岩试件依次进行冻融循环处理、单轴压缩实验以及筛分实验,分析不同冻融循环次数下砂岩试件加载过程中的能量演化、分配规律以及破坏后碎屑尺度分布的分形特征,并讨论冻融循环作用的影响效应。结果表明:随着冻融循环次数的增加,单轴抗压强度和弹性模量均呈指数衰减的趋势,峰值应力点对应的耗散应变能及其与总能量比值表现出类似的变化规律。这些试件破坏后的碎屑尺度分布具有分形特征,分形维数在2.50~2.61之间。数据拟合进一步表明冻融循环作用下耗散应变能与分形维数之间呈显著的线性正相关关系,这是因为冻融循环次数越大使得砂岩试件的抗压强度越小,破坏所需的耗散应变能越小,试件破碎程度越不严重,导致相应的分形维数越小。     

采动煤体渗透率实验室实验关键问题研究进展*

为了分析影响采动煤体渗透率实验结果的关键因素,结合煤体赋存结构特征和地质环境影响,针对采动煤体渗透率实验室实验中关键问题进行综述研究。研究结果表明:采动应力和瓦斯压力是影响采动煤体渗透率演化的2个主控因素。采动应力路径可划分为2段式、3段式和4段式,瓦斯压力变化对煤体渗透率的影响作用包括有效应力和吸附解吸。当前实验室渗透实验中有效应力的计算方法尚不统一。低渗煤体渗透实验中滑脱效应十分显著,但滑脱效应的影响范围和不同条件下Klinkenberg系数均难以精准确定。研究结果可为煤体渗透率实验室测定提供有益参考。