煤的冲击倾向性对深部煤岩界面超低摩擦效应影响研究

为了揭示动载扰动下煤的冲击倾向性对超低摩擦型冲击地压的影响机制,以不同冲击倾向性煤块为研究对象,首先通过单轴压缩试验测定了煤样冲击倾向性,然后采用自行研制的煤岩界面超低摩擦试验装置,以煤块滑动位移、动能表征冲击过程中超低摩擦效应强度,开展了应力波扰动下不同冲击倾向性煤块超低摩擦试验。研究结果表明:(1)超低摩擦效应强度受扰动频率影响存在频率显著影响区,强、弱、无冲击倾向性煤块频率显著影响区分别为2.5~3.5 Hz、2.0~3.0 Hz、1.5~2.5 Hz,频率显著影响区内煤岩界面更易发生超低摩擦效应。随着煤块冲击倾向性增强,频率显著影响区域整体右移。(2)超低摩擦效应强度与扰动幅值正相关,在高强度扰动下强冲击倾向性煤更易发生超低摩擦效应。(3)建立了有效弹性能释放速率指数与动能之间的拟合函数关系式,实现了用煤的冲击倾向性指标综合评价超低摩擦效应强度。

煤岩组合体冲击倾向性对超低摩擦型冲击地压的影响机制

为揭示煤岩组合体冲击倾向性程度对超低摩擦型冲击地压的影响机制,以不同冲击倾向性煤岩组合体为研究对象,在对煤岩组合试件进行冲击倾向性测定的基础上,采用自行研制的煤岩界面超低摩擦试验装置,以发生超低摩擦效应时的水平位移、动能、摩擦力为指标,探究煤岩组合体冲击倾向性与垂直应力波扰动频率、扰动振幅之间的关系特征。研究结果表明:(1)受扰动频率影响,弱、强冲击倾向煤岩组合体易发生超低摩擦效应的频率显著影响区分别为2.0~3.0,2.5~3.5 Hz,且随着冲击倾向性程度的增强,频率显著影响区逐渐右移。(2)相比于弱冲击倾向性煤岩组合体,强冲击倾向性煤岩组合体发生超低摩擦效应时水平位移、动能和摩擦力降幅较大,煤块易发生超低摩擦滑动。(3)随着煤岩组合体剩余能量指数的增大,冲击倾向性程度逐渐增强,动能呈指数规律增大,煤块越易发生超低摩擦滑动。研究结果可为超低摩擦型冲击地压的预测和防治提供参考。

微波热力冲击下硬脆砂岩冲击倾向性演化规律试验研究

冲击地压是深部资源开采的主要灾害类型,冲击倾向性是表征冲击地压风险的重要指标。为了探索微波热力冲击对岩石冲击倾向性的影响,本文对典型强冲击倾向性硬脆砂岩开展了微波热力冲击和单轴压缩试验,分析了微波热力冲击后砂岩的物理力学性质和冲击倾向性指标响应规律。研究结果表明:(1)微波作用后,砂岩表面温度随着热力冲击时间增加持续升高,直至150 s发生热破断;(2)微波热力冲击120 s后,砂岩内部结构发生微破裂,岩石冲击倾向性明显减弱,纵波波速与弹性模量分别下降了15.12%、8%;(3)单轴压缩变形破坏过程各阶段声发射信号密度增大,砂岩最终破坏时的绝对能量最大值下降42.3%;(4)岩石动态破坏时间增长了259%,冲击能量指数减小95%,弹性能量指数下降92%,砂岩由强冲击性岩石变为弱冲击性岩石。研究结果为煤炭深部开采冲击地压防治和深地工程高效破岩具有参考价值。

基于能量传递效率的煤冲击倾向性评价指标

冲击地压与煤体能量的积聚和释放密切相关,能量传递是评价冲击倾向性的关键参数之一。通过构建能量源扰动条件下的能量传递模型,关联冲击能量指数与弹性能量指数,提出能量释放比例φ,基于传递过程中的能量耗散模型提出了能量传递效率β,建立了包含2种参数的冲击倾向性评价方法。对煤矿11个煤层分层进行冲击倾向性鉴定试验,引用79个煤矿分层的冲击倾向性鉴定结果进行可靠性验证。结果表明:能量释放比例φ具有冲击地压边界条件的意义;能量传递效率β与泊松比具有负相关性,取值范围可以由模型边界条件推导获得;能量传递指数η的计算结果,与冲击倾向性鉴定的结果具有较高的一致性(88.61%),能够反映煤体的冲击倾向性,并且可以成为“*”结果的评价依据,是一种适用于现有冲击倾向性评价体系的有效指标。

不同加载速率下煤单轴抗压强度测试与冲击倾向性影响分析

针对冲击倾向性测试中煤样单轴抗压强度数据随加载速率变化和离散性问题,以内蒙古鄂托克前旗长城六号煤矿3号煤为研究背景,通过设置0.50、0.75、1.00 MPa/s三种不同加载速率进行煤样标准件的分组测试。测试结果表明,3种不同加载速率测试得到煤的单轴抗压强度测试值均存在离散性;加载速率与单轴抗压强度测试值无明显线性关系;在舍去每组离散性较大的最大值和最小值后,再次计算在不同加载速率条件下煤单轴抗压强度的平均值和标准差,可以得到离散性相对较小的测试值;煤样单轴抗压强度测试值与加载速率无明显比例关系,加载速率的变化可导致同煤层冲击倾向性等级的变化。

卸荷及瓦斯作用下煤体冲击倾向性特征试验研究

卸荷损伤作用下含瓦斯煤体冲击倾向性研究对于探明地下深部矿井中煤与瓦斯复合型冲击地压形成机理起着关键作用。为了探究卸荷作用对含瓦斯煤体冲击倾向性的影响,对含瓦斯煤体进行了不同卸荷幅度下变上限循环加卸载。试验结果表明:瓦斯对煤体力学性质具有劣化作用,9 MPa围压下经过1 MPa与2 MPa瓦斯作用后的煤试件抗压强度分别降低了11.2%及18.7%;在卸荷幅度分别为3 MPa与6 MPa作用下,煤试件抗压强度分别降低了12.6%与36.5%,剩余弹性能指数分别降低了10.4%与16.7%;含1 MPa瓦斯煤试件抗压强度分别降低约13.5%与39.8%,剩余弹性能指数分别降低了15.9%与43.6%;含2 MPa瓦斯煤试件抗压强度分别降低约16.7%与47.2%,剩余弹性能指数分别降低了20.3%与48.5%;随着卸荷幅度的增加,煤试件力学性能不断降低,且瓦斯作用会进一步加剧卸荷劣化程度,同时随着瓦斯压力的增加,劣化程度逐步加深;此外,卸压作用能够有效降低煤体冲击倾向性,同时含瓦斯煤体经过卸荷作用后冲击倾向性指标劣化程度高于原始煤试件,且随着瓦斯压力的增加,剩余弹性能指数降低程度越高。

浅析煤岩冲击倾向性指数研究进展与展望

煤的冲击倾向性是决定煤矿冲击地压发生与否以及冲击地压严重程度的重要影响因素,是研究冲击地压发生机理的基础。冲击倾向性指煤积聚应变能并产生冲击破坏的性质,目前对冲击倾向性的判别主要是通过测定煤冲击倾向性指数。本文系统的梳理了煤岩冲击倾向性的影响因素,对传统的冲击倾向性指数进行详细的介绍,再通过文献查阅,总结出新的冲击倾向性指数的出处、定义、表征符号、计算公式、分类。并在此基础上,进一步展望了煤岩冲击倾向性指数研究的发展方向与趋势,认为可以从采样方法和样本数量、影响因素的分析、冲击实验的改进、数值模拟和预测及应用研究和工程实践这几个方面开展进一步研究,从而有助于煤炭资源的有效利用,为煤矿安全生产和工程施工提供科学依据。

深部冲击倾向煤岩循环加卸载的纵波波速与应力关系试验研究

研究了单轴循环加卸载条件下深部冲击倾向煤岩样应力与纵波波速的耦合关系,基于煤岩试样在弹性阶段纵波波速变化梯度大,塑性阶段波速变化趋于平缓的特征建立了应力与纵波波速之间的试验关系模型,并对模型参数进行了分析。研究表明:①由于闭合的孔隙和裂隙又重新张开,颗粒之间的压实程度减弱,煤岩试样卸载过程中,随着应力的降低,波速也降低;②部分裂隙和孔隙在压密阶段发生永久闭合,造成应力降低后再无法张开,因此下一循环的开始纵波波速值要大于第一个循环开始时的波速值;③与实测值的相关系数计算结果表明,试验关系模型具有较高的拟合度,很好地体现了试样纵波波速变化对载荷的敏感程度。

不同冲击倾向煤体失稳破坏声发射先兆信息分析

掌握煤体冲击破坏前兆信息是科学预测预报煤岩介质冲击地压的科学瓶颈问题,应力加载下不同冲击倾向性煤体失稳破坏声发射前兆信息研究是解决这一问题的重要手段。采用声发射探测手段对不同冲击倾向性煤体失稳破坏进行实验研究,通过分析发现不同冲击倾向煤体失稳破坏过程中振铃计数、AE能量、频谱及b值变化存在差异。伴随煤体冲击倾向性增强,加载过程煤体振铃计数、AE能量趋向于高应力区域集中,煤体弹性阶段所占比例增加,塑性破坏阶段所占比例减少;主频带宽变动较小,有集中的趋势,主频强度在弹性阶段、塑性破坏阶段、临破断阶段均不同程度增加,煤体冲击倾向性越强,主频强度增幅越大;b值降低时应力值增加,更靠近煤样破坏强度。

组合煤岩冲击倾向电荷判据试验研究

针对深部煤层冲击倾向指标评价冲击危险出现的差异现象,开展了煤、岩石和组合试样冲击倾向指标试验研究,对组合煤岩试样破裂过程的电荷信号进行监测。试验结果表明:顶、底板岩石对煤体的冲击倾向有显著影响,岩石厚度越大,冲击倾向指标越高;组合试样破裂过程的力-电荷变化具有一致性,冲击倾向性强的组合试样,其应力强化直至破坏阶段的电荷信号幅值相差显著。由此提出了组合煤岩峰后电荷变化率冲击倾向判据。回采面的电荷监测表明,冲击危险发生过程获得的电荷变异系数迅速升高和衰减以及试验获取的峰后电荷变化率的量化分析结果相一致,从而验证了峰后电荷变化率作为冲击倾向判据的正确性,为形成深部开采条件下组合煤岩冲击危险及发生几率的电荷预测方法提供了试验指导,为煤岩体失稳破坏预测、矿井动力显现预警提供了试验依据。

含水量对沉积岩力学性质及其冲击倾向性的影响

通过试验和统计分析系统研究不同含水条件下煤系沉积岩石力学性质及其冲击倾向性,建立岩石力学性质及其冲击倾向性与含水量之间的相关关系和模型,揭示含水量对岩石力学性质及其冲击倾向性的控制机制。研究表明:岩石单轴抗压强度和弹性模量值随含水量的增加而降低;不同岩性岩石单轴抗压强度和弹性模量值受含水量的影响程度不同,降低的速率受岩性所控制。在干燥或较少含水量情况下,应力–应变曲线在峰值强度后岩石表现为脆性和剪切破坏,具有明显的应变软化特性,且随着含水量的增加,峰值强度后岩石主要为塑性破坏,应变软化特性不明显。随着含水量的增加,岩石脆性指标修正值(BIM)逐渐增加,弹性变形指数逐渐减小,岩石在受力过程中储存的弹性应变能随含水量的增加而急剧减少,而消耗的塑性永久变形能相对增加,即岩石的冲击倾向性随含水量的增加而显著降低。

煤层冲击倾向性与含水率关系的试验研究

利用试验分析方法 ,系统测定了煤层冲击倾向性与煤层含水率、煤层含水率与煤层孔隙度之间的关系。试验研究表明 ,煤层冲击倾向性与煤层含水率成反比关系 ,并在原始含水率状态对含水率的升高最为敏感 ,煤层饱和含水率与煤层孔隙度成正比关系。结果可为用注水法防治冲击矿压提供可靠的定量依据。

岩石冲击倾向与其波速变化的相关性研究

为探求岩石受载过程中波速变化规律与其冲击倾向的关系,建立单轴压缩下不同冲击倾向岩石波速随变形的变化关系式,并通过实验室试验对其进行初步验证。研究结果表明:(1)当岩石冲击倾向性较强时,随着应变量的增加,波速开始基本没有变化,当所加荷载达到约90%峰值应力后,波速发生急剧下降;当冲击倾向性较弱时,波速基本呈线性降低。(2)定义波速衰减因子的概念,用来表征岩石冲击倾向性的强弱,并初步确定其判别准则。(3)对3种不同冲击倾向性岩石进行单轴压缩及波速测试试验,试验结果与理论关系式吻合较好。

冲击倾向煤破坏断口微观特征及其机理研究

运用扫描电镜观测了冲击倾向煤破坏断口的微观形貌,分析了煤体受载破坏断面的裂纹、孔隙等缺陷特征及裂纹扩展特征,探讨了煤样破坏裂纹扩展途径及其微观断裂机理.结果表明,冲击倾向煤内部含有大量的孔隙裂隙,在其受载破坏过程中,这些孔隙裂隙均充当了Griffith缺陷,促使大量新裂纹生成和煤样发生破坏.煤样中大量的尖锐孔隙及张性裂隙的微观断面特征表现出冲击倾向煤的脆性特征.由于煤的非均质性及煤样内部应力分布的非均衡性,其裂纹扩展也是不均匀、间歇式的,且裂纹的扩展路线也是曲折的,扩展过程中往往产生分岔、拐折等现象.孔隙、裂纹在应力作用下分岔、扩展、汇合贯通是导致煤体宏观断裂的直接原因.

组合煤岩冲击倾向性特性试验研究

煤层的冲击矿压危险性与煤岩体的结构特征关系非常密切.研究顶板-煤体-底板所构成的组合煤岩体试样变形破裂规律及冲击倾向性对于预测冲击矿压具有非常重要的实践意义.通过对组合煤岩的试验研究,得到组合煤岩试样中顶板强度越大,强度越强;组合煤岩试样的弹性模量随着煤样百分比的增加而减小.组合煤岩试样的冲击能指数随着顶板与煤样高度比值的增加而增加;冲击能指数随着煤样百分比的增加而降低;弹性能指数随着煤样百分比的增加而呈现增加的趋势.组合煤岩试样中顶板岩样厚度越厚,冲击倾向性相应就越强;组合煤岩试样中煤层厚度越大,则其弹性能指数就越大.

应用煤岩组合模型方法评价煤岩冲击倾向性探证

在大量实验室试验的基础上，总结、分析了煤岩组合模型的冲击倾向性，并与单一煤模型的冲击倾向性进行了对比分析。研究结果表明，采用煤岩组合模型测得的冲击倾向性指标均高于单一煤模型；同时考虑到实际煤岩层结构特点与覆存特性，建议采用组合模型来评价煤岩冲击倾向性。

孙村煤矿-1 100m水平深部煤岩冲击倾向性组合试验研究

冲击地压灾害防治是深部开采面临的重要难题之一。对孙村煤矿-1100m水平(埋深1310m)延伸时煤岩的冲击倾向性进行了试验研究。为探求煤-岩层相对厚度变化对深部煤岩体冲击倾向的影响,进行了7组不同高度比的煤岩组合试件力学性质与动态破坏特性的试验研究,获得了深部煤岩冲击倾向性评判结果;研究了浸水对深部煤岩强度与冲击倾向的影响,为该矿防治冲击地压提供了试验依据。

煤层冲击倾向性评价损伤指标

为提高煤层冲击倾向评价的准确性,采用理论和试验相结合的方法,研究了煤样峰值损伤因子与煤样完全破坏时的盈余能量的关系。理论和试验研究表明:煤样的峰值损伤因子与煤样完全破坏时的盈余能量呈二次多项式的关系,随着峰值损伤因子的增加,煤样完全破坏时的盈余能量降低,煤岩峰值损伤因子表征了煤样完全破坏时的盈余能量。盈余能量反映了煤体发生冲击地压的难易程度和猛烈程度,因此,可以采用单轴压缩煤样的峰值损伤因子来评价煤层的冲击倾向。根据盈余能量和煤样峰值损伤因子的大小,对煤层的冲击倾向性进行了分级。现场实践表明,相对于传统冲击倾向指标,该分级指标更贴近实际。

煤岩冲击倾向性研究

基于大量试验数据,系统分析煤岩冲击倾向性各种指标的相关数据,并针对现有行业标准中关于煤岩冲击倾向性评价存在的问题,提出将煤的单轴抗压强度作为评价煤层冲击倾向性的新指标,并给出判据;对原煤矿顶板岩层冲击倾向性指标的适用性进行分析,并指出不足,提出并推导出新的基于简支梁模型的顶板岩层冲击倾向性计算公式及其界定指标;分析脆性系数、含水率等与冲击倾向性之间的相关性。研究结果表明,煤的单轴抗压强度可以作为煤层冲击倾向性评价指标;依据简支梁模型确定的弯曲能量指数的计算公式,其计算结果与现场实际情况相吻合。

岩石非均质性与冲击倾向的相关规律研究

岩石冲击倾向指标E/l值是反映岩石发生冲击地压难易程度、冲击类型与强度的重要参数,通过对细观非均质岩石的全过程应力-应变曲线的大量数值实验进行分析,揭示出冲击倾向指标E/l与非均质参数m遵循负指数关系且E/l随m增大而减小。