自然及强制饱和煤样的力学特征试验研究

为探讨不同饱水状态下煤的力学变化特征,利用RMT-150B岩石力学系统并自行设计及研制煤样饱和试验装置,对自然饱和与强制饱和的煤样进行单轴、三轴压缩静载试验。结果表明:煤样强制饱和前后波速变化明显,强制吸水后波速增加51.75%;强制饱和煤样单轴抗压强度比自然饱和煤样平均降低了7.61MPa,降幅54.83%;三轴压缩时不同围压下强制饱和煤样峰值强度平均降低了19.5MPa,降幅31.18%;强制饱和煤样吸水量较自然饱和煤样大,K值降低。基于Mohr-Coulomb准则及有效应力原理,推导出孔隙水压与黏聚力、抗压强度呈负相关,表明强制饱和煤样的黏聚力与抗压强度均低于自然饱和煤样,并与试验结果对比验证。     

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。     

型煤峰后渗透特性试验研究

煤层瓦斯渗透率是瓦斯（煤层气）抽采的重要指标之一,通过渗流模拟-吸附解吸试验装置,研究了型煤煤样在不同围压作用下破碎后卸载轴压围压过程中,以及加载至二次破坏过程中煤样渗透率随应力的变化情况。试验表明:型煤峰值强度后的渗透率较初始状态有所增大,峰值强度后卸载围压和轴压,其渗透率均增大。其后,给煤样固定一个围压加载轴压使煤样发生二次破坏,渗透率先减后增,整体呈U型趋势,且煤样发生二次破坏过程中的渗透率整体上要大于初次破坏过程中的渗透率,通过试验研究为矿井瓦斯抽放和煤层气开采提供了一定理论基础。     

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。     

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。     

劈裂拉伸条件下大红山铜矿矿岩变形特性的试验研究

对大红山铜矿的3种岩石的试样进行了劈裂拉伸(巴西法)试验和单轴压缩试验,研究了岩石的变形特性。劈裂试验中在试样中部相互垂直的方向上粘贴了电阻应变计测量试样的变形。结果表明,在劈裂试验条件下,两种岩石均出现垂直于加载轴线方向所获得的拉伸弹模小于平行于加载轴线方向所获得的压缩弹模的现象。与单轴压缩下试样出现破裂、扩容的破坏特征相比,劈裂拉伸下试样的变形特征为接近峰值时变形曲线斜率会逐渐降低,达到峰值应力后则很快出现数值很大的拉伸变形,直至试样破坏。劈裂拉伸循环加卸载试验发现,大多数试样的拉伸卸载变形大于加载变形,致使残余变形的数值为负值,称之为反向残余变形。此现象与连续介质变形行为的预期不符,至今未见类似报道。反向残余变形是否具有普遍性及其影响,应该开展更多研究。     

不同瓦斯压力下煤体力学特性试验研究

为研究瓦斯对煤体力学特性的影响,设计不同瓦斯压力条件下煤体单轴压缩试验,研究煤样力学参数及变形特征随瓦斯压力的变化趋势,探讨瓦斯对煤体力学性质的影响机制,得出单轴压缩下煤样力学参数,并记录煤样的破坏形态。研究结果表明:随瓦斯压力增大,应力-应变曲线压实阶段增大,弹性阶段缩小,失稳破坏后曲线缓慢下降,抗压强度和弹性模量单调减小,峰值应变单调增大;不含瓦斯煤样受载破坏产生的裂纹较为单一,含瓦斯煤样受载破坏后出现明显主裂纹及多向分叉裂纹,并出现局部煤体脱落现象。     

热冲击煤细观损伤与能量响应的相关性研究

为研究热冲击煤细观损伤和能量响应机制的相关性，以平煤十矿24130工作面的煤作为研究对象，借助4K科研相机研究了不同热冲击煤的细观结构特征和热冲击对煤的损伤致裂效应。采用HC-U7非金属超声波探测仪、电热鼓风干燥箱、伺服万能试验机等仪器，开展了不同温度热冲击煤样加载试验，研究了热冲击对煤体单轴抗压强度、弹性模量、泊松比、动态破坏时间、冲击能量指数的影响规律，分析了热冲击煤细观结构、宏观破坏状态、煤物理参数与力学参数及能量指数之间的变化关系，并阐述了热冲击煤受力加载过程中煤能量响应机制。结果表明，煤体细观结构与煤能量响应机制具有较好的正相关性。热冲击煤能量响应特征的差异是由煤初始损伤造成的，煤损伤的存在削弱了煤储存弹性应变能并发生破坏的能力。热冲击温度越高，煤样孔隙越发育，孔隙周围更容易形成高应力区相互叠加，更大程度降低力学性能。损伤发育程度越高，能量积聚和耗散能量越低，峰值前能量积聚和峰值后能量释放越稳定，破坏前能量耗散行为的主导作用越明显。     

含水率对预制裂纹煤样能耗与破坏模式的影响

为研究注水对煤层破坏特性的影响,开展煤样单轴压缩试验,观察不同含水率预制裂纹型煤试件的能耗及破坏模式。结果表明:随着含水率的增加,煤样单轴抗压强度和弹性模量均以负指数函数方式下降;煤样积聚的总能量、存储的弹性能和破坏的耗散能均随含水率以二次抛物线递减函数方式减小;煤样中预制裂纹产生起裂点所需轴向应力和峰值应力随含水率逐渐减小;试样破坏形式随含水率由单一剪切破坏发展到拉伸破坏,然后剪切拉伸复合型破坏。     

冲击倾向性煤体失稳破坏电荷感应问题试验研究

为了探究煤样冲击倾向性与煤样破裂电荷感应关系,利用自主研发的多通道电荷感应监测系统,开展单轴压缩条件下不同冲击倾向性煤样电荷信号规律的试验研究,对不同冲击倾向性煤样破坏全程电荷信号分布趋势以及电荷相关参量分别进行定性和定量分析。结果表明:煤样破裂过程的应力-电荷变化具有一致性,加载初始阶段电荷信号稳定,应力突降阶段电荷信号变化显著;不同冲击倾向性煤样,电荷信号变化规律有所不同;强冲击倾向煤样电荷信号主要集中在应力峰前的临近峰值应力阶段,弱冲击倾向煤样电荷信号在应力峰前和峰后均有,无冲击倾向煤样电荷信号主要集中在应力峰后的软化阶段;煤体冲击倾向性越强,应力峰后累积电荷量越小,单位时间电荷量越大;因此,可以通过电荷信号的分布以及电荷相关参量的量化分析,初步判断煤体冲击倾向,为冲击地压动力灾害的预测提供理论依据。     

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。     

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。     

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。     

玻璃纤维-砂浆管试件动态拉伸破坏特性试验研究

为了探究动载作用下GFRP（玻璃纤维）-砂浆管的动态拉伸破坏特性，采用分离式SHPB试验装置对2种空心率的水泥砂浆管和GFRP-砂浆管进行动态拉伸试验。结果表明:空心率越小、冲击气压和壁厚越大，试件峰值抗拉强度越大；GFRP-砂浆管的峰值抗拉强度随GFRP管壁厚的增大而不断增大，在空心率为0.292时，峰值抗拉强度随GFRP管壁厚增大呈对数函数递增，而在空心率0.187时，峰值抗拉强度随GFRP管壁厚增大呈指数函数递增；无GFRP管时水泥砂浆管呈对称四块破碎，GFRP-砂浆管在0.5~0.7 MPa冲击气压下仅有细小裂纹产生，在0.8 MPa冲击气压下，与入射杆接触部分产生“楔形”破坏，但总体保持为管状、破坏程度仍低于水泥砂浆管，表明GFRP管对水泥砂浆管具有较好的保护作用，可有效提高其动态抗拉强度。     

煤矿砂岩动态力学性能试验与分析方法研究*

为研究动载荷作用下煤岩体测试与分析方法,基于直径50 mm分离式Hopkinson试验装置,采用半导体应变片和电阻应变片2种方法采集透射波,开展淮北矿区典型砂岩动态冲击压缩试验,采用二波法和三波法分别计算得到砂岩试件的应变率、应力和应变峰值等动态力学参数以及能量耗散特征,分析不同应变片种类和计算分析方法的差异性。结果表明:不同计算分析方法得到的应力应变曲线形态基本一致,2种应变片采集的数据可以组合使用;与电阻应变片相比,半导体应变片灵敏系数高,由其采集数据计算得到的应力值高、峰值应变小、应力应变曲线光滑,三波法处理数据具有更高的可靠性;根据2种应变片测试数据计算得到试件应变率、动态强度及峰值应变均随冲击速度的增加而增加,试件吸收能量变化也具有一致性,能量耗散率误差在10%以内。研究结果可为煤矿软岩动态力学性能测试与分析提供参考。     

高温后砂岩抗拉强度及应变场演化实验研究

为研究高温后砂岩的抗拉力学特性及变形破坏规律，对不同温度作用后的砂岩进行巴西劈裂实验，同时采用数字散斑相关方法对砂岩变形破坏进行监测。研究表明:高温作用后砂岩质量损失率增加，波速整体呈降低趋势，砂岩物理特性出现一定劣化；高温作用使砂岩抗拉强度呈先增加后减小的趋势，25~400℃增大了16.08%，400~1 000℃减小了69.30%，砂岩表现为脆性破坏特征；砂岩劈裂过程中，水平应变场演化过程为:局部小变形产生、扩展→小变形区域聚集、合并、连接→应变局部化带产生→应变局部化带扩展并贯穿→宏观劈裂破坏；随着温度升高，应变局部化启动水平先增加后降低，400℃为转折点。该研究方法可为煤矿火灾安全等领域提供借鉴。     

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。