低温作用下煤体细观结构变化及相变致裂实验研究

为了研究低温作用下煤体细观结构演化规律,采用CT扫描不同冻结温度下干燥和饱水煤样细观结构图像,构建三维可视化裂隙模型,探究冻结煤体裂隙演化机理。研究结果表明:随着温度的降低,煤样内部产生的拉应力逐渐增大,加之,冰水相变产生冻胀力,导致煤样内部裂隙网格不断扩展演化;冰水相变产生的冻胀力是饱水煤样和干燥煤样裂隙演化具有差异性的原因,孔隙、裂隙水冰点随着孔隙、裂隙的半径减小而逐渐下降,从而导致壁厚较大的裂隙中水分先行冻结,随着温度的继续降低,壁厚较小的裂隙中水分才发生冻结。     

含水煤体冲击倾向及声-电荷时频特征试验

为准确预测冲击地压,采用加载系统及信号监测系统对烘干24 h、自然含水和饱水的取自阜新某矿的3种煤样进行试验研究,探究含水煤体冲击倾向性变化规律及其与破裂过程声-电荷信号时频域特征的对应关系。结果表明:随着煤样含水率降低,冲击倾向性增强,煤体加载破坏过程声-电荷信号变化具有规律性;时域方面,煤样冲击越强,强化及峰后阶段声发射(AE)波形、电荷信号更加连续密集且幅值更高;频域方面,煤样冲击增强,强化及峰后阶段声、电荷频谱图频率向低频方向移动,且冲击越强低频段信号幅值越高。     

冷加载循环作用下煤样强度特性研究

为研究煤样强度与冷加载周期、表面裂隙宽度和裂隙体积变化量之间的关系,实验采用液氮作为制冷剂,对水饱和煤样进行1~5周期循环浸泡冷加载,使煤样原生裂隙结构发生损伤,通过拟合多项式揭示周期、表面裂隙宽度和裂隙体积变化量作为损伤因子对裂隙结构的损伤规律,构建损伤判据。结果表明:煤样随着循环冷加载周期的增加,表面裂隙宽度由微观向细观和宏观演化;循环冷加载4个周期为煤样冻裂和抗压的强度极限,2个周期为煤样裂隙饱和水吸附能力极限;冷加载对煤样的原生裂隙结构作用显著,使裂隙在膨胀拉应力作用下发生扩展,同时水结冰体积膨胀,对裂隙结构损伤产生了重要作用。     

循环载荷下煤裂隙演化试验研究

为了研究循环载荷下的煤体裂隙演化特征,在不同应力水平和不同频率条件下分别进行煤样破坏力学及声发射试验。结果表明:应力-应变曲线呈疏-密-疏的变化特征,对应的振铃数柱状图呈U型;上限应力点的应变值、累积能量、撞击计数均随循环次数增加而上升,曲线呈倒S型;煤裂隙演化经历了原始裂隙闭合、新生裂隙稳定发育和裂纹贯穿破坏等3个不同阶段;循环载荷的应力水平和加载频率对煤体疲劳寿命的影响具有差异性,对煤体裂隙演化和破坏模式均有明显影响。     

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。     

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。     

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。     

预氧化浸水煤体表面结构变化及复燃特性*

为研究预氧化长期浸水煤体孔隙结构变化及贫氧复燃特性,以长焰煤原煤（RC）、浸水煤(S200)、预氧化200浸水煤(O200I200)、预氧化300浸水(O300I200)煤为研究对象,采用N2吸附、电镜扫描、热重实验手段,在21%,15%,10%,5%氧浓度下进行实验分析。结果表明:浸水后煤样比表面积增大,低温氧化最大质量变化率（DTG）较高,促进低温氧化过程煤氧复合反应;预氧化浸水煤样平均孔径增加,初始放热温度较小,总放热量增加,其中O200I200煤样热参数相对较大。随氧浓度增加,各煤样着火点温度减小,活化能增加,O200I200煤样的这2个参数较小;随氧浓度降低,煤样初始放热温度增加,最大放热量与总放热量减小。O200I200煤体孔隙较发达,锁水能力较强,持续升温后氧化能力较强,更易复燃。     

煤与瓦斯突出热动力学过程试验研究

为进一步加强煤与瓦斯(甲烷)突出等矿山重大灾害预测预报的工作,开展煤与瓦斯突出全过程热动力现象研究。将煤样破碎后在煤与瓦斯突出相似模拟试验台内加压成型,开展不同粒径煤样的吸附、解吸及突出试验,获取试验过程中的煤体温度变化数据。结果表明:煤与瓦斯突出过程中煤体温度随时间的演化关系近似符合自然对数函数;煤样粒径对煤体温度变化有显著影响,煤样粒径越小,在吸附解吸瓦斯时温度变化量就越大、变化速度也更迅速。通过分析煤与瓦斯突出试验结果及能量关系得出,煤的粒径很大程度上决定了瓦斯吸附能力及瓦斯内能,瓦斯内能又很大程度上决定了煤与瓦斯突出强度。     

基于液电效应的高压电脉冲对煤体致裂实验研究*

为分析基于液电效应的高压电脉冲致裂煤体效果,采用电脉冲应力波实验和微观观测方法对潞安矿区煤样裂隙发展过程及其特征进行研究。结果表明:液电效应能明显致裂煤体,且作用次数越多,煤体裂隙密度越大、裂隙网络越贯通,同时煤体孔裂隙等结构薄弱部位的存在能促进裂隙的发育;液电效应对煤体作用可分为4个阶段,其中裂隙快速发展阶段是适合现场作用阶段;高压电脉冲通过液电效应产生冲击波和其他次生作用,且对煤体组成成分无影响;在现场应用中,应充分考虑煤体性质、钻孔布局等,采用“单点多次、多次连续、分段进行、全孔作业”的作业方式。该实验研究为基于液电效应的高压电脉冲技术应用提供支撑。     

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。     

超声机械效应致裂煤岩增渗规律研究

超声机械效应致裂煤岩过程中裂纹的萌生、扩展过程及增渗规律仅凭借物理实验无法得到,煤岩破裂能量变化、煤岩应力-应变关系及储层渗透特性变化缺乏深入的研究。结合CT观测及渗透率的气测实验对煤岩破裂声发射、有效声压及声波对煤岩体裂纹扩展规律进行了深入探讨;开展了超声机械效应致裂煤岩的数值试验研究。结果表明:煤岩破裂过程应力变化率和煤岩声发射现象具有一致性;有效声压的增大有利于裂纹扩展和贯穿,使煤岩体内部原本互不相通的裂纹裂隙形成了相互贯通的网络,从而提高了煤岩的渗透率。     

组合煤岩力学性质与声-电荷信号关系研究

为探究组合煤岩力学性质与声-电荷信号关系,选用新邱矿区煤样和砂岩制备组合煤岩试样,采用物理实验和数值实验相结合的方法,开展不同岩煤高度比的组合煤岩试样受载破坏声发射与电荷感应监测试验,得到了组合煤岩力学性质、声-电荷信号规律及其相互关系。结果表明:组合煤岩试样中的岩石高度提高会提升其整体强度,其破坏脆性特征显著,冲击倾向性增强,弹性阶段的声发射信号提前,声发射能量累积量增加,峰后声发射能量变化率及电荷变化率增大;组合煤岩峰后产生连续声发射信号和电荷信号,强冲击和中等冲击组合煤岩破坏时声发射能量变化率分别为0.336和0.047 J/s,电荷变化率分别为204.88和24.52 pC/s。声发射信号与电荷信号可以在一定程度上反应组合煤岩应力状态并预测失稳破坏,为通过信号监测煤体冲击地压灾害发生提供依据。     

冲击载荷下各向异性煤体渗透-应力敏感性试验研究*

为揭示冲击煤样渗透率的变化规律,通过立式分离式霍普金森（SHPB）冲击装置对不同层理方向煤样进行动态冲击,进而采用渗透仪对冲击后的煤样进行渗透率测试,分析不同冲击荷载下煤岩的渗透率及应力敏感性。结果表明:冲击煤样的渗透率远大于原煤样品,冲击载荷越大,渗透率越大;在相同的冲击载荷和气体压力下,平行于层理方向的煤样渗透率最大,其次是斜交45°层理方向的煤样渗透率,垂直于层理方向的煤样渗透率最小;渗透率受有效应力影响显著;在冲击荷载的作用下,垂直于层理方向煤样渗透率的变化率对孔隙压力更为敏感。     

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。     

加卸荷条件下岩石力学特性与声发射特征

为了探究真三轴复杂应力变化条件下岩石强度及破坏模式,通过真三轴卸荷扰动测试系统对砂岩试件进行不同第二主应力加卸荷试验,讨论在加卸荷过程中岩石的力学特性及声发射特征。试验结果表明:第二主应力的增加对试件的承载能力起到先增强后弱化的效果;不同第二主应力加卸荷声发射能量及累计振铃计数变化趋势大体一致,耗散能量比在载荷达到岩石损伤强度时突增;声发射能量峰值提前于试件轴向应力跌落,声发射能量和累计振铃计数大幅突增可作为岩石破坏的前兆;在低载荷下岩石中活动主要是裂隙压密与发育,在达到岩石损伤强度后岩石中的活动主要是裂纹贯通形成破裂面,砂岩试件声发射定位点集中区域与试件主要破裂面基本吻合。     

不同围压下煤岩损伤变形规律及声发射特征分析

为研究不同围压条件下煤岩的损伤变形,利用RTX-1000岩石三轴仪和Micro-Ⅱ声发射成像采集仪对煤样进行不同围压下的三轴压缩声发射定位试验,对加载过程中的应力应变、AE计数等特征参数进行对比分析,构建基于AE计数的损伤模型,研究三轴压缩下煤岩损伤变形的规律。研究结果表明:在保持应变率恒定的条件下,围压越高,煤样的峰值强度越大,分别为18.04,29.92,32.29,45.94 MPa;围压越高,弹性阶段的AE计数相对减少;煤样发生剪胀扩容变形;基于AE计数构建损伤模型,分析对比损伤应变理论曲线与试验曲线,得到较高的拟合度,且损伤临界值和损伤量随围压的升高呈现减小的趋势;分析理论模型中的速率增长因子,得到试验与理论损伤规律一致。