不同冲击方向下高压气体致裂岩石特征试验

为探索含瓦斯煤层增透性,提高抽采率,利用自主研制的真三轴高压气体冲击致裂岩石试验系统,开展不同冲击方向下高压气体致裂试验,试验变量为气体冲击方向与最大水平主应力的夹角,在三向应力的作用下开展高压气体冲击试验,得到冲击方向与最大水平主应力呈现0、30、45、60和90°夹角时岩石破裂形态及声发射响应。结果表明：高压气体冲击致裂岩石过程呈现5个显著阶段,即冲击起裂阶段、气压上升阶段、裂缝扩展阶段、气压稳定阶段和压力衰减阶段;高压气体冲击产生垂直裂缝和水平裂缝,射流角度增加后,垂直裂缝出现偏转,且偏转角度逐渐变大,裂缝偏转点也逐渐远离钻孔,水平断裂面呈现中间低四周高的形态;气体峰值压力随着射流方向与最大主应力的角度增加而增加,从0～90°峰值压力呈线性增长;分析声发射信号发现,岩石冲击破坏以张拉破坏为主、剪切破坏为辅,但随着射流角度增加,逐渐转变为剪切破坏为主的拉-剪复合破坏。     

矿岩-充填体组合试件能量传递规律研究

为探讨矿岩-充填体组合试件的动态力学特征，使用取自云南玉溪大红山铜矿的含铜矿岩和分级尾砂制作矿岩和配比分别为1∶4、1∶10的充填体组合试件，利用分离式霍普金森冲击杆分别在0.20 MPa、0.22 MPa、0.24 MPa、0.26 MPa、0.28 MPa和0.30 MPa的冲击气压下对矿岩-充填体组合试件进行动态冲击试验，研究组合试件的能量传递规律和破坏模式。结果表明：当试件开始发生破坏时，宏观裂隙首先出现在试件边缘，并随着冲击气压增加而扩展，直到裂隙使充填体试件完全贯通，最终试件会完全破碎；组合试件的破坏模式主要表现为剪切破坏、张拉破坏及共轭剪切破坏3种；充填体试件的波阻抗变化反映了试件在冲击过程中的损伤演化规律；试件的吸收能密度随入射能量增加线性增加；在冲击气压为0.20 MPa时，矿岩和配比为1∶10的充填体组合试件较早发生剪切破坏；当冲击气压为0.24～0.30 MPa时，矿岩和配比为1∶4的充填体组合试件虽然发生破坏，但仍具有一定吸能特性，并且相较于完整状态下变化不大，而在此冲击气压下，配比为1∶10的充填体粉末占比达到约80%,这表明灰砂比较高的充填体部分具有更稳固的...     

碳化砂浆轴向冲击动态力学特性与破碎形态分析

为保证长期使用砂浆在动载作用下的安全性,采用非金属超声波检测仪测量不同碳化龄期试件的纵波波速,引入碳化增强因子η表征碳化深度大小,并利用直径50 mm变截面分离式Hopkinson 压杆试验装置开展不同碳化龄期砂浆冲击动态压缩试验,研究碳化后砂浆的动态力学特性与破碎形态,分析砂浆动态应力—应变曲线、峰值应力和破碎形态随碳化龄期变化规律。结果表明:随着碳化龄期的增长,试件波速呈增大趋势,碳化增强因子η增大,碳化深度增加;碳化龄期相同时,砂浆的动态峰值应力、峰值应变都随着冲击气压的增大而增大;冲击气压相同时,砂浆的动态峰值应力随着碳化龄期的增长而增加;试件的破坏形态主要呈现为压碎破坏与劈裂拉伸。     

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。     

高压输电线路采动变形规律及防护措施

为了解决高压线下煤矿开采与高压线安全营运的问题,分析了采动影响对高压输电线路的破坏特征和动态影响规律,并对采动区高压输电线路的设防标准和防护措施进行了讨论与分析,指出采动区高压线变形具有时空特征,可通过动态预计和动态观测,及时调整以防止高压线变形累积。     

压裂钻孔孔壁破坏行为与注水流量相关性试验研究

为分析流量对水力压裂钻孔起裂特征的影响,开展了不同注水流量水力压裂实验,得到了煤体起裂过程的孔壁压缩应变-水压曲线。结果表明,流量的增大使破裂形态趋于复杂,表现在裂缝的数目及宽度会变多增大,而原煤则更易于沟通原生裂隙;对于无明显节理的配比型煤,随着注水流量增大,孔壁应变速率和起裂压力均增高;对于含明显节理的原煤,孔壁应变速率及起裂压力变化具有一致性,但与流量变化不一致,原煤内部的节理会影响试块起裂行为,降低钻孔内能量积聚速率和煤体破裂强度。研究成果对于揭示钻孔起裂行为具有重要理论意义,为水力压裂实验研究提供了一种新思路。     

高瓦斯低透气性煤层CO_2相变致裂增透技术研究北大核心CSCD

针对高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采效果差,且炸药爆破增透存在危险性大等问题,采用理论分析与计算、数值模拟及现场实验等方法,分析了液态CO_2致裂增透煤层原理及煤层损伤,计算了液态CO_2致裂当量,模拟优化了关键部件释放管几何类型及参数,研究了相变致裂点数对致裂效果的影响。结果表明:CO_2相变致裂利用高压气体冲击破碎煤岩体,增强了煤岩层的裂隙发育及透气性;1 kg液态CO_2相变致裂爆炸的当量相当于398 g TNT炸药;关键部件释放管最优结构为空心圆柱结构,最优长度18 mm,最优直径24 mm,最优压力276 MPa;瓦斯抽放影响半径与致裂管数满足三次函数关系,单孔一点致裂方案能够实现增透促抽;致裂后增透促抽瓦斯效果显著,为安全高效抽采瓦斯提供了有效的技术支撑。     

高瓦斯低透气性煤层CO_2相变致裂增透技术研究

针对高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采效果差,且炸药爆破增透存在危险性大等问题,采用理论分析与计算、数值模拟及现场实验等方法,分析了液态CO_2致裂增透煤层原理及煤层损伤,计算了液态CO_2致裂当量,模拟优化了关键部件释放管几何类型及参数,研究了相变致裂点数对致裂效果的影响。结果表明:CO_2相变致裂利用高压气体冲击破碎煤岩体,增强了煤岩层的裂隙发育及透气性;1 kg液态CO_2相变致裂爆炸的当量相当于398 g TNT炸药;关键部件释放管最优结构为空心圆柱结构,最优长度18 mm,最优直径24 mm,最优压力276 MPa;瓦斯抽放影响半径与致裂管数满足三次函数关系,单孔一点致裂方案能够实现增透促抽;致裂后增透促抽瓦斯效果显著,为安全高效抽采瓦斯提供了有效的技术支撑。     

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。     

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。     

液态CO2相变爆破孔网参数优化研究

为优化液态CO₂相变爆破钻孔布置参数，研究双孔同时起爆应力波的传播特征、控制孔对煤体裂隙扩展规律的影响，基于LS-DYNA有限元软件模拟分析单孔爆破、双孔不同孔间距爆破及添加控制孔爆破的裂隙扩展特征，并在山西某矿15号煤层进行液态CO₂相变致裂现场试验。结果表明：液态CO₂单孔爆破的有效致裂半径为2.16 m;双孔爆破有效致裂半径为2.54 m,较单孔有效致裂半径提高了17.59%。随着炮孔间距的增大，两炮孔中间连线贯通区由完全贯通演化至非连续贯通，当孔间距为5 m时，致裂效果最好。含控制孔爆破较双孔爆破有效致裂半径提高了8.27%,控制孔主导了爆生主裂隙的定向扩展及孔壁环向裂隙的生成，裂隙扩展速度和影响范围均有显著增加。液态CO₂相变致裂后，平均瓦斯抽采体积分数提高了2.68倍，平均瓦斯抽采流量提高了6.09倍。     

火源位置对浮法玻璃热破裂行为规律影响研究*

为了研究火源位置对浮法玻璃热破裂行为规律的影响,选用尺寸为600 mm×600 mm×6 mm（长×宽×厚）的浮法玻璃为研究对象,研究在点支撑和框支撑安装方式下,在玻璃厚度方向上不同火源位置的浮法玻璃热破裂情况,分析其首次破裂时间、破裂时表面温度以及裂纹起裂方式等热破裂行为参数,加深对浮法玻璃热破裂行为机理的研究。结果表明:在火源位置实验中进行中心热辐射时,点支撑安装方式下的浮法玻璃防火性能优于框支撑安装方式下的浮法玻璃;其次,玻璃表面会形成大量孤岛裂纹和交叉裂纹,裂纹最终形态受火源位置影响,火源位置与裂纹数量、裂纹分布复杂性呈负相关。     

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。     

氯化钠溶液对煤体致裂增透实验研究

为提高对煤体的致裂增透效果,基于高压电脉冲液电致裂煤体增透技术,提出把液电效应中的水换成1mol/L的氯化钠溶液,进行煤块致裂增透实验,研究氯化钠溶液对煤体强化致裂增透效果。实验结果表明：高压电脉冲分别在1mol/L的氯化钠溶液和水中放电后,距电极30cm距离处,前者测得的压力峰值比后者测得的压力峰值提高近0.35MPa;在相同的1号煤块和2号煤块钻孔中分别加入水和1mol/L的氯化钠溶液,高压电脉冲对它们各放电8次后,2号煤块与1号煤块相比,2号煤块表面裂隙形成快,分支裂隙明显;根据2个煤块实验前后的首波声时差绘制的Origin等高线图,2号煤块内部产生的裂隙多,裂隙可以延伸到煤块边沿。高压电脉冲氯化钠溶液能够对煤体有致裂增透作用。     

圆拱形缺陷对砂岩力学特征影响的试验研究

为研究含圆拱形预制缺陷砂岩的力学特征,在板状黄砂岩试样内预制了不同α值的圆拱形缺陷。采用YNS-2000型电液伺服控制试验系统和数字照相采集系统研究了不同圆拱形缺陷倾角α对黄砂岩力学特征和破坏模式的影响规律。研究结果表明:试样峰值强度、平均模量和割线模量随着α的增大呈先减小后增大再减小趋势,α=30°试样峰值强度和峰值应变均最小,α=75°试样峰值强度和应变均达到最大;预制圆拱形缺陷α对试样起裂应力、起裂位置和破坏模式均具有重要影响,随着α值的增大,试样起裂应力总体呈先减小后增大再减小趋势,当α=30°时,试样的平均起裂应力最小,其值为10.90 MPa;当α=75°时,试样的平均起裂应力最大,其值为18.91 MPa。     

动载下石灰岩能耗指标影响因素研究*

为研究石灰岩在动载破坏过程中的能量耗散,基于Φ50 mm的霍普金森压杆系统,对石灰岩开展三轴动静加载冲击试验,深入分析入射能、反射能、透射能、耗散能、能耗率与轴压、围压、应变率（冲击气压）之间的关系,并借助灰色关联理论分析石灰岩围压、应变率、纵波波速与能耗特征的关联。研究结果表明:入射能和耗散能均与应变率呈正向增长趋势,且耗散能应变率相关性更强;能耗率与围压呈反向增长趋势,低围压条件有利于石灰岩的破碎;能耗程度与冲击气压、围压、纵波波速的关联度分别为0.729 9,0.705 4,0.581 5,围压和冲击气压的灰色关联度大于0.6,因此围压和冲击气压对石灰岩能量耗散特征有显著影响。研究结果对于喀斯特地貌石灰岩爆破施工具有重要的参考价值。     

采动影响下水力致裂前后煤层顶板应力变化规律

煤层顶板水力致裂是防治冲击地压的重要手段之一。为了研究水力致裂对采动过程中顶板岩层三维应力变化规律的影响,现场开展了煤层顶板水力致裂试验,采用光纤光栅三维应力传感器,监测得到了水力致裂前后工作面推进过程中的顶板岩层三维应力。结果表明:采动影响下,工作面前方顶板岩层中3个方向正应力均不断增加,直至达到应力峰值,其中竖直方向正应力增加幅度明显大于水平方向正应力增加幅度;水力致裂后,应力峰值位置约从工作面前方11 m向深部移动至21 m处,顶板岩层3个方向正应力的增加幅度均有所降低,其中竖直方向正应力增幅的降低程度最大,约从153%降低至94%;水力致裂可以改变采动影响下顶板岩层三维应力的变化规律,尤其是支承压力的变化规律,从而预防冲击地压的发生。     

CO_2致裂对煤孔隙吸解特性与分形特征影响研究

煤与瓦斯突出煤层普遍具有瓦斯含量高、渗透率低的特点,为了消除煤与瓦斯突出,采用CO_2致裂的方法,在贵州大运煤矿取样,开展低温氮吸附试验对比致裂前后煤的微观孔隙变化。采用静态容量法比表面及孔径分析仪测试CO_2致裂前后孔径范围在3～200 nm之间煤样,并运用FHH分形理论定量描述CO_2致裂对煤岩孔隙内表面作用过程。结果表明:CO_2致裂在3 m范围内对煤层的孔隙结构有显著影响,致裂后的煤样比表面积与最可几孔直径均明显减少,同时平均孔直径与孔容明显增加;致裂对微孔破坏效果显著,致裂后微孔数量降低一个数量级,降幅最高达到83. 93%;原煤的分形维数由2. 705 93降低到致裂后最低2. 553 78,说明贵州煤层孔隙表面复杂粗糙,利用CO_2致裂能使煤层孔隙表面趋于光滑;比表面积与分形维数具有正相关关系。     

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。     

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。