热源及空隙率对上部松散煤体影响的试验研究

为研究热源及空隙率在松散煤体内自卷吸供氧过程中对上部松散煤体的影响,利用自制的高温松散煤体自吸氧试验装置,测试了热源温度分别为30℃、60℃、90℃、120℃、150℃、200℃时,粒径分别为1~3 mm、3~5 mm、5~7 mm、7~10 mm、10~15 mm的松散煤体的内部温度,计算了不同热源强度下松散煤体内部的浮升力。结果表明:1)当热源温度及煤体空隙率一定时,各测点温度分布基本呈线性变化规律,但是随着热源温度不断升高,线性变化规律减弱;2)空隙率一定时,随热源温度升高,松散煤体内各测点温度增大,各测点的温度梯度也增大;3)当热源温度值一定时,随煤体空隙率的增大,同一测点的温度值整体增大;4)随热源温度升高,煤体内各相邻测点区间浮升力大致呈指数规律变化;浮升力随热源升高而增大,不同测点区间的浮升力影响因素不同;当热源温度一定时,距离热源区间越远,煤体浮升力越小。     

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。     

冷冲击条件下饱水煤样结构损伤规律研究*

为探究煤体在冷冲击影响下强度损伤特征及细观结构演化规律,通过自制低温冲击系统,利用声发射、金相显微镜宏观与细观手段结合的方法,基于ImageJ图像分析软件分别对干燥煤样、饱水煤样冷冲击前后细观结构演化进行量化表征,并通过测试渗透率验证煤体结构变化带来的增透效果,研究结果表明:在煤体中超声波波速随冷冲击温度降低而下降;相同时间内,冷冲击温度越低,声发射振铃计数表现越活跃,煤体释放能量愈大,致裂效果越显著;经冷冲击后的饱水煤样相对于干燥煤样会产生更多的斜向新生裂隙,新萌生裂隙与原生裂隙交汇贯通形成絮状网格,其渗透效果显著提升;随冲击温度的降低,抗压强度、弹性模量均增大。研究结果可为低温改善煤层透气性,增产煤层气及矿井瓦斯灾害防治技术提供理论依据。     

Q345(16Mn)钢在恒温加载条件下的应力-应变曲线和弹性模量

为评估和分析钢结构的耐火性能,对我国10个钢厂生产的16Mn钢进行152次恒温加载试验研究。结果表明,钢材的应力-应变曲线随温度升高,应力变小而应变增大,曲线斜率即弹性模量随温度升高和应变增大而趋于零。钢材在高温下的弹塑性性质非常明显,在钢结构高温性能分析中应当考虑这种特性。依据试验结果构建了以表格形式表达的钢材折线应力-应变曲线和弹性模量,为火灾下钢结构的变形和温度应力计算提供参考。     

煤层赋存条件对煤与瓦斯突出危险性的影响研究

为研究煤层赋存条件对煤与瓦斯突出危险性的影响,模拟分析不同条件(埋藏深度、煤层厚度和煤体强度)下的应力、瓦斯压力和煤体塑性变形区的分布及变化。结果表明,随埋藏深度的增加,工作面前方应力峰值及应力梯度、瓦斯压力梯度、塑性变形区及塑性应变量等随之增大,煤与瓦斯突出的危险性越来越高;随煤层厚度的增加,工作面应力峰值、应力梯度逐渐减小,出现应力峰值的位置越远离工作面,瓦斯卸压带、瓦斯排放带、塑性变形区越逐渐增大,煤与瓦斯突出的危险性越来越小;随煤体强度的升高,工作面前方应力梯度、瓦斯压力梯度随之增大,塑性变形区和塑性应变值随之减小,煤与瓦斯突出危险性越来越小。     

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。     

热力耦合作用下深部煤层渗流规律试验研究

为了进一步揭示深部煤岩渗透率的变化规律,进行了高有效应力和高温条件下煤体渗透规律测定试验.结果表明:随着有效应力的增大,煤层渗透率呈现递减趋势;温度升高,煤体出现膨胀现象,渗透率减小.初步提出了热力耦合作用下含瓦斯煤渗透率影响机理,即温度升高,煤固体骨架膨胀,试件内部孔隙裂隙体积减小,瓦斯渗流通道减小,渗透率减小;有效应力增大,煤体孔隙裂隙被压缩,导致渗透率逐渐减小.     

煤炭地下气化燃空区覆岩移动规律研究

为研究煤炭地下气化过程中覆岩的运移规律,以乌兰察布煤炭地下气化试验区工程地质条件为研究背景,首先进行了高温下煤层顶板的物理力学特性测试,获得了不同温度下岩体(粉砂岩、泥岩、细砂岩、粗砂岩、砂质泥岩)的比热容、导热系数、单轴抗压强度及弹性模量;其次建立了相似材料物理模型,分析了燃空区覆岩运移规律。结果表明:在100~1 000℃内,随温度升高比热容及导热系数呈现下降趋势,而在100~750℃内,随温度升高单轴抗压强度呈现增大趋势;乌兰察布煤层气化时,覆岩运移规律与井工开采类似,具有初次来压及周期来压特征,初次来压步距为42 m;亦存在明显的三带分布,即冒落带、垮落带和弯曲下沉带,导水裂隙带高度为28 m;覆岩运移过程中对燃气管亦产生较大的影响,其中1#燃气管在煤层顶板上方26~28 m处受到的水平应力最大,为最易变形断裂位置;在现场用钻孔探测法进行验证,得出导水裂隙带的高度为31.21 m,与相似模拟试验得出的数据吻合,证明了相似材料物理模型的合理性。     

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。     

高温煤体注气降温及自燃抑制实验研究

为研究密闭火区高温煤体在注气灭火过程中的降温及自燃抑制效应,将理论分析与实验相结合,分析密闭火区空气中的O2质量分数变化原因,建立O2质量守恒动态模型,得到高温煤体在注气过程中的降温特征及CO衰减规律。结果表明:高温煤体在注气初期出现降温滞后现象;注入CO2气体及N2时,煤样CO消失的温度分别为74和58℃;注入含氧10%的CO2混合气时,CO在38℃消失;注入含氧10%的N2混合气时,CO持续存在;实验证明CO2灭火效果优于N2。     

典型聚酯涂层镀锌钢板的受热痕迹特征研究

为研究聚酯涂层镀锌钢板高温受热后的痕迹特征变化,选择热塑性丙烯酸涂覆的镀锌钢板为研究对象,在对其涂层进行热重分析的基础上,讨论钢板在不同受热温度及时间作用下的痕迹特征。结果表明:温度升高至360℃时,热塑性丙烯酸涂层发生明显的热解炭化,带涂层钢板的质量降低;在410～590℃温度范围内,涂层开裂、脱落,聚酯涂层钢板整体质量进一步降低;受热温度继续升高至600℃,镀锌层露出并发生氧化破坏后,钢板基体露出并发生氧化,钢板质量回升,局部区域不同程度的氧化过程导致整块钢板呈现出多层次且不均匀的受热痕迹;受热时间对痕迹的影响在高温下更为显著。     

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。     

高温后不同类型混凝土力学性能试验研究

对高温后C40和G50普通混凝土以及C80高性能混凝土的力学性能进行了试验研究,描述了试验现象,探讨了火灾温度、恒温时间、试件尺寸、冷却方式和混凝土类型等因素对高温后混凝土力学性能的影响,提出了高温后不同类型混凝土的轴心抗压强度、弹性模量、峰值应变等经验计算公式和高温后混凝土轴压应力-应变关系曲线表达式.试验研究表明,随着火灾温度的升高和恒温时间的增加,高温后混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度、弹性模量等整体上呈降低趋势,而峰值应变逐渐增加;在火灾温度、恒温时间恒定时,试件尺寸越大越不利,喷水冷却不如自然冷却,高性能混凝土不如普通混凝土.     

榆阳煤矿2301工作面导水裂隙带高度的数值模拟

在分析榆阳煤矿覆岩赋存特征的基础上,建立了采动岩体力学模型,利用有限差分程序(FLAC)对采动引起的覆岩破坏进行了数值模拟,得出了导水裂隙带发育高度最大值为50m；采用WSD-2数字声波仪测定岩样的物理力学性能,分析得知覆岩中泥岩强度大于砂岩,且抗压与抗拉强度的比值较高,使得岩层呈脆性材料特征,对导水裂隙带的发育有利,这样给保水开采增加了难度.     

岩棉彩钢板火灾痕迹与受火情况的关联性研究

为研究火场中岩棉彩钢板的火灾痕迹特征,以马弗炉和油盘火2种热源模拟火灾现场。首先,模拟理想条件下的火场辐射状况,改变马弗炉的热辐射温度,研究辐射温度对岩棉彩钢板火灾痕迹特征的影响特征;然后,以油盘火作为稳定热源,通过控制彩钢板与油盘的距离来改变彩钢板受热条件;最后,观察岩棉彩钢板受火后芯材和金属片的痕迹特征。结果表明:随着温度升高,芯材外形蓬松度逐渐增大,到600℃时,芯材整体收缩变形,1 000℃时,芯材严重受损开裂;金属板也呈现出不同程度的受损,外漆脱落,并出现凹坑、破裂等受损痕迹;研究结果为彩钢板建筑火灾调查中确定火势蔓延方向、起火部位和起火点提供依据。     

基于不同强度等级混凝土的动力学特性研究

基于TAW-2000D电液伺服岩石三轴仪和直径75 mm的霍普金森压杆试验装置,得到了C25,C35和C45混凝土在静、动载荷作用下的应力-应变曲线,探讨了混凝土强度等级、动态峰值强度、峰值应变和应变率之间的变化规律。结果表明:混凝土准静态应力-应变曲线和动态应力-应变曲线在形态上存在明显差异,动态应力-应变曲线的峰值点随应变率的增大向右上方移动,线弹性阶段各曲线斜率变化不明显;动态峰值应力、动态弹性模量和峰值应变均存在不同程度的率相关性,并且混凝土材料的应变率敏感性随其强度等级的提高而增强;混凝土C45的各力学指标对应变率的敏感性最强,C35次之,C25的应变率敏感性最弱;推导了应变率与强度等级和冲击速率之间的经验公式,三者之间存在非线性变化规律。     

温度对煤体坚固性系数的影响试验

为了研究煤体坚固性系数(f)随温度变化的规律,对f的测量试验装置进行了改进,然后在温度为-20-60℃时测定了若干组贵州煤样的f,并对温度为0～60℃时的数据进行了分析.结果表明,无论是突出还是非突出煤体的f均随温度升高而变小,随温度降低而增大,且呈线性关系;非突出煤样的f随温度变化的幅度往往大于突出煤样.研究表明,尽管f受温度影响较小,但当f接近现行的突出指标临界值0.5时,须根据井下煤层的环境温度测定其对应的f,才可将此时的f作为判断突出危险性的可信参数,否则容易误判.     

三轴加载条件下层理煤体的力学特性和破坏机制研究

为了探究围压和层理角度对煤体力学特性、变形破坏特征的影响,对不同层理角度煤样开展不同围压下的三轴加载破坏试验,并利用摩尔-库伦准则对煤体的破坏机制进行研究。研究结果表明：煤样峰值偏应力随围压增大的平均增幅随α的增大呈“V”型分布,0°煤样平均增幅最大为14.51%,45°煤样最小为6.72%;随着围压增大,0°和90°煤样的峰值应变不断增大,45°煤样的峰值应变逐渐减小;围压增大使得煤样由局部破坏向整体性破坏转变,破碎程度显著增加;利用摩尔-库伦准则对煤体的破坏机制进行分析发现：煤样的内摩擦角和黏聚力随层理角度增大先减小后增大;煤体在一定角度范围内沿结构面发生剪切破坏,超出这个范围产生复合破坏形式,逐渐趋向于完整岩石破坏。研究结果可为矿井围岩监测提供一定的参考和依据。     

煤体剪切破坏电荷感应规律试验研究

为研究煤体剪切破坏过程中的电荷感应规律,基于变角板法对某矿区煤体在不同剪切角度破坏下进行电荷监测,探究了煤体在剪切破坏过程中的力-电感应变化规律。结果表明:随剪切角增大,煤体发生剪切破坏的强度逐渐减弱,失稳破坏形式由压剪破坏向张拉破坏过渡;煤体剪切破坏过程中有显著电荷感应信号产生,电荷信号异常区域对应于剪应力突变阶段;随剪切角增大,煤体应力峰值前电荷信号逐渐减少并不断向剪应力峰值附近集中,剪应力峰值前累计的电荷量也逐渐减少;提出了煤体剪切破坏过程中产生电荷的机理主要为摩擦作用的观点;电荷感应信号峰值在剪应力达到极限强度之前出现,电荷信号峰值比剪应力峰值提前出现时间随剪切角度增加有减短趋势;在首次出现电荷峰值信号之后短时间内煤体将发生较大幅度的应力跌落过程;可以以电荷信号峰值的出现为基点来预测煤体将要发生变形破坏及通过电荷信号的整体分布特征来揭示煤体剪切破坏规律。     

火灾温度变化对隧道砂岩结构影响试验研究

为研究火灾发生时温度变化对隧道围岩内部结构的影响,借助于压汞仪、SEM扫描电镜对砂岩内部结构变化规律进行了室内实验,并从微观结构学角度对其进行分析,研究表明:(1)高温后隧道砂岩围岩内部会产生裂纹,宽度均小于0.01μm;(2)随着火灾温度的升高,砂岩内部首先在孔喉狭窄处表现出黏土矿物膨胀脱水崩解现象,其后依次产生沿晶裂隙、岩桥裂纹、穿晶裂隙;(3)通过研究火灾温度发展岩石内部沿晶裂纹和岩桥裂纹产生规律发现:二类裂纹的阈值温度均为300℃,而穿晶裂纹产生的阈值温度为600℃,随温度升高穿晶裂纹逐步贯通。