液氮冻结和冻融条件下煤体力学特性及裂隙演化教学实验设计

该文设计了液氮冻结煤岩实验装置,并进行了液氮冻结和冻融条件下煤体力学特性实验,研究了液氮冻结时间和冻融次数对煤体力学强度及裂隙演化的影响规律,定量分析了液氮冷浸对煤体力学特征的影响。通过基于机理分析的实验教学拓展延伸,能够使学生从原理层面分析实验结果,学习宏微观结合的分析方法,加深对实验课程的理解,提高创新能力,开拓学术视野。

不同围压下原煤力学特性及裂隙演化特征

通过受载煤岩工业CT扫描系统进行了不同围压下原煤的三轴压缩试验,探究不同围压下原煤的力学特性和破坏特征,并结合自身的CT扫描系统获得了原煤失稳破坏全过程CT扫描信息,分析了在不同围压下原煤的裂隙扩展演化规律。结果表明:(1)随着围压的增大,偏应力应变曲线整体向右偏移,峰值强度呈线性增长、而峰值应变和弹性模量均以二次函数的形式上升,且峰值强度的增长量最大;(2)基于CT扫描图像,煤样内部裂隙演化特征可以分为裂隙压密缓慢减少阶段、裂隙萌生稳定发育阶段、裂隙快速增加阶段、裂隙扩展贯通阶段4个阶段,且随着围压的增加,裂纹密度逐渐减小;(3)在三轴加载下,原煤的破坏形式以剪切破坏为主,破断角大小为20°~40°,且随着围压的增加,破断角呈二次函数增长。研究结果对井下巷道、采场支护设计、围岩稳定性判断和矿井灾害事故防治具有参考意义。

温度循环荷载下花岗岩微裂隙演化试验

花岗岩力学性能随环境温度的变化是岩石力学领域的热点问题,其微细观结构随温度的演化规律尚不清晰。基于现代化测试技术和实验设备设计了等幅值温度循环和峰值递增温度循环荷载,关注其作用下花岗岩微裂隙的衍生和扩展规律,并讨论了风化程度的影响。研究结果表明峰值温度比循环次数对裂隙网络发展的影响更大,峰值递增的温度循环可促进表面裂隙的衍生,而风化在一定程度上可减弱温度荷载的影响。本文研究可促进对温度作用下岩石力学性能演化的认知。

冻融损伤过程中纤维加筋土的抗压性能与裂隙演化

冻融损伤土的微观结构,土中产生微裂隙,宏观上表现为土的力学性能下降。文章完成了石灰固化土和纤维与石灰加筋固化土的冻融试验、无侧限抗压强度试验、CT扫描试验,分析冻融损伤过程中石灰固化土和纤维与石灰加筋固化土的抗压性能与裂隙演化特征,评价纤维对提高土的抗冻融性能的积极作用。结果表明:石灰固化土、纤维与石灰加筋固化土的抗压强度与破坏应变均随冻融次数的增加呈阶段性下降,即降幅较大阶段、降幅较小阶段和强度基本稳定阶段,纤维加筋显著提高了土的抗变形性能;土的压实度越大,纤维加筋提高土的力学性能就越明显;冻融过程中,裂隙主要分布在试样的表面、上部和下部,面裂隙率随扫描层数的增加呈先减小后增大的变化规律;纤维与石灰加筋固化土的体裂隙率、裂隙长度均值、裂隙宽度均值均小于石灰固化土,纤维加筋延缓了裂隙的形成、发展与连通。纤维与石灰加筋固化土的抗压性能与抗冻融性能显著优于石灰固化土,纤维加筋减弱了冻融土的微观结构损伤程度。

铁离子作用下膨胀土干湿循环裂隙演化机制

为探究重金属Fe 3+作用下膨胀土干湿循环裂隙演化机制,以不同浓度Fe 2(SO 4)3溶液作用的饱和膨胀土为对象,开展干湿循环裂隙试验、扫描电镜(SEM)试验与X射线衍射(XRD)试验,研究Fe 3+作用下膨胀土干湿循环裂隙、微观结构和矿物成分的演化规律及机制。结果表明:相同干湿次数下,随Fe 3+浓度增加,土体裂隙面积率下降;随干湿次数增加,相同浓度土体裂隙面积率总体上升;Fe 3+作用下,粒间孔隙波动性微变,黏土矿物晶体结构损伤,晶层间距减小;干湿作用后,粒间孔隙剧增,土体结构破坏,晶体损伤加剧。总结出Fe 3+作用下膨胀土干湿循环裂隙演化机制为:水分子在土体内反复迁移,劣化土体结构,形成拉应力,导致裂隙产生;Fe 3+则在一定程度上缩小颗粒间距,增强抗拉强度,降低拉应力,抑制了裂隙发育。

基于CT扫描的CO_(2)相变致裂煤裂隙演化特征

为进一步揭示CO_(2)相变致裂煤的裂隙改造机理,开展了CO_(2)相变致裂煤体实验,基于CT扫描和三维裂隙重构,分析了CO_(2)相变致裂前后的煤样内部裂隙结构参数,查明了CO_(2)相变致裂煤的三维裂隙结构演化特征。结果表明,致裂后煤样的裂隙总数量减少,裂隙总体积和裂隙总表面积增加;CO_(2)相变致裂产生了裂隙扩张转化效应,在致裂压力的扩张作用下,小尺度裂隙转化为更大尺度的裂隙;长度小于1000μm的裂隙数量减少、裂隙体积和表面积明显减小,长度大于1000μm的裂隙体积和表面积明显增大,且裂隙之间扩张贯通而引起其数量减少;CO_(2)相变致裂大幅度改善了煤体三维裂隙的连通性,有利于气体的运移和产出。此研究为CO_(2)相变致裂效果提供新的分析评价方法,也可为其他非常规天然气储层及其改造的裂隙演化特征研究提供参考和借鉴。

基于裂隙演化微分动力学机制的岩石损伤本构模型

为研究天然岩石内部不同形态裂隙的演化行为与岩石累计损伤程度之间的关系,运用唯象理论将岩石分为完整岩石微元体、闭合裂隙微元体和开口裂隙微元体3组分。基于生物群落生长逻辑建立岩石的裂隙演化微分动力学方程,并利用半解析方式求解岩石闭合裂隙与开口裂隙在受压状态下的演化表达式,实现压缩过程中岩石不同微元体之间转化关系的量化。其中开口裂隙演化曲线呈先下降后上升趋势,反映初始开口裂隙在压密阶段前后的变化规律,符合压密阶段非线性的应力-应变曲线关系。随后,以岩石裂隙演化解析表达式定义岩石压缩破坏的全局损伤变量,精准量化岩石在初始阶段、压密阶段、弹塑性阶段以及峰后阶段的全过程损伤程度,并提出基于上述裂隙演化机制和全局损伤变量的损伤本构模型。最后,基于微分方程理论推导、强度准则以及多目标优化等多种手段确定损伤本构模型参数,完成对岩石三组分初始比例以及3种裂隙转化因子的稳定求解,进而实现岩石压缩过程中的应力应变曲线仿真。研究结果表明:在煤岩及炭质泥岩的实例分析中,所建立的损伤本构模型能够较好表征不同岩石在不同围压下的应力应变特征及裂隙扩展规律,模型仿真结果与试验结果基本吻合。

高温作用下非饱和黄土裂隙演化及其定量分析

黄土地区采用热减湿工法加固基坑边坡具有潜在应用价值,科学评价高温减湿黄土的裂隙演化是验证该加固工法可行性的关键环节。利用自制试验装置,进行了不同初始干密度和初始含水率的非饱和黄土在50~200℃温度水平下的裂隙演化试验,观察了土样含水率和表层裂隙变化,通过试验图像处理定量分析了裂隙率r、裂隙总长L、分形维数D、裂隙平均宽度W等裂隙指标随温度的变化规律。分析结果显示:随着温度水平提高,r、L、D均有所提高,W变化不明显;初始干密度的提高使r、L、D明显减小,使W明显提高;初始含水率的升高使r、L、D、W显著提高。高温作用显著改变土体的起裂模式,100℃临界温度作用下土体的起始裂隙快速出现,这可能与高压水蒸气的不均匀挤压有关。高温极大加快裂隙演化进程,但超过100℃后,继续升温对裂隙演化的加速幅度不大。从断裂力学的角度分析了高温作用下黄土裂隙开裂和扩展的力学机制,揭示了高温黄土裂隙演化机制。基于基质吸力对裂隙演化的重要影响,建立了考虑高温的基质吸力公式,在一定程度上揭示了高温对基质吸力的显著影响。

含双圆孔煤样渐进性破坏的孔周表面变形及裂隙演化特征

瓦斯预抽钻孔和防冲卸压钻孔协同布置能够一体化防治矿井冲击地压和瓦斯复合灾害,但密集布孔可能会诱发串孔、塌孔等,影响矿井瓦斯抽采效率。为了探究这类双钻孔结构煤岩体受压破坏过程中孔周表面变形及其裂隙演化规律,利用煤岩变形破坏数字图像观测系统对含双圆孔煤样开展单轴压缩条件下的3D-DIC观测实验,获取了不同应力状态下试样表面变形的时间序列图像,通过三维表面重构技术和VIC^(3D)分析处理软件计算得到了试样表面三维全场变形,根据应变场分析结果结合统计指标分析法对应力应变曲线进行了5个变形阶段划分,精细化表征了孔周表面变形和裂隙演化特征。研究结果表明:单轴压缩下含双圆孔煤样应变场灰度整体向高灰度级方向移动,应变场灰度直方图谱峰占比以应力峰值为界先缓慢变化再快速变化;试样孔周径向位移曲线呈现出“从”字型,环向位移曲线呈现出“人”字型,且左孔H_(1)孔周始终沿逆时针方向加速移动,右孔H_(2)孔周始终沿顺时针方向加速移动;孔周裂隙以逆时针错动为主,并伴随着少数裂隙的顺时针错动;应变局部化带外区在加载峰值前主要体现为能量累积,加载峰值后主要表现为能量释放,同时也伴随着部分能量调整转移造成的能量累积;在试样加载过程中,应力场环境、裂隙端部几何形状以及裂隙长度不断发生变化,造成裂隙尖端的应力强度因子K_(Ⅰ)减小,存在阻碍裂隙扩展的作用。

煤层群中断层对采动裂隙演化规律的影响研究

为研究断层对煤层群采动裂隙演化规律的影响,以贵州土城煤矿151710工作面为研究对象,基于相似模拟和数值模拟方法对含断层煤层群采动裂隙演化规律进行研究。结果表明:含断层煤层群中9号、12号煤层开采到相同距离时工作面周围应力分布显著不同;9号煤层的超前开采,使12号煤层处于应力降低区,过断层开采时工作面前后出现应力分区现象;随着开采的进行,12号煤层的采动影响范围小于9号煤层;当开采工作面过断层时,覆岩裂隙发育迅速,岩层间出现显著离层,并发生不同程度的断裂。现场12号煤层回风巷顶板钻孔窥视显示:当工作面过断层时,顶板破碎严重,覆岩裂隙发育杂乱。

干湿循环作用下渠道膨胀土裂隙演化规律及强度特性

为探究干湿循环作用下膨胀土渠道边坡裂隙演化特征与强度衰减规律,对北疆某渠道膨胀土开展了不同压实度的干湿循环试验,利用图像处理技术提取膨胀土表面裂隙参数,利用直剪试验测得膨胀土抗剪强度,并分析黏聚力随裂隙率的变化规律。结果表明:在干湿循环作用下,黏聚力的衰减速率随着压实度的增大而增大,内摩擦角总体呈减小趋势,裂隙率的增加速率随着压实度的增加而减小;裂隙相对面积呈先增后减的变化规律。最后,拟合获得不同压实度膨胀土黏聚力与表面裂隙率之间的关系式,通过确定膨胀土表层裂隙率可计算出其黏聚力。研究成果为进一步揭示剧烈干湿变化诱发的膨胀土渠道边坡失稳破坏提供了重要依据。

特厚煤层开采覆岩裂隙演化数值模拟研究

煤层开采造成覆岩破坏及裂隙演化发育,因采动卸压而释放的瓦斯在裂隙通道内流动、汇聚,给工作面生产带来了严重威胁。采用3DEC数值模拟实验,以宽沟矿B2特厚煤层工作面开采为原型,对采动覆岩应力演化规律进行了模拟研究,得到了采动覆岩应力演化的4阶段分布特征;在以覆岩卸压系数表征裂隙发育程度的基础上,绘制了裂隙富集区域的动态演化过程;并通过分析采动覆岩破坏及裂隙发育特征,在裂缝带高度范围内沿水平方向将采动覆岩裂隙划分为4个区域,分别为压密裂隙区、结构裂隙区、拉张裂隙区和原岩裂隙区。采动覆岩裂隙演化及区域的划分可为矿井布置钻孔抽采采空区卸压瓦斯,从而消除安全隐患,实现瓦斯资源化利用提供技术参考和依据。

缓倾斜浅埋煤层覆岩裂隙演化与分形表征研究

厘清采动覆岩导水裂隙演化规律对顶板防治水研究具有重要意义。以龙凤煤矿9#煤层120910综采工作面为工程背景,通过相似模拟和数值模拟方法,对缓倾斜浅埋煤层覆岩裂隙演化规律进行了研究。结果表明:煤层采动顶板导水裂隙带发育高度将贯穿长兴组含水层底界,工作面推进过程中存在突水危险性,并将覆岩裂隙演化过程分为4个阶段,即裂隙发育阶段、顶板垮落阶段、裂隙压实阶段、整体稳定阶段;同时引入分形理论,定量描述了采动覆岩裂隙演化过程,裂隙演化4个阶段的分形损伤度ω分别为0.676、0.702、0.638、0.639,当ω≥0.68时,岩体破裂现象越明显。研究结果可为相似地质条件下上覆岩层顶板防治水研究提供参考。

降雨入渗与采动卸荷耦合下裂隙岩体力学特性及裂隙演化规律研究

降雨影响下,雨水渗入岩体内部会导致其含水率和孔隙水压增大,使得岩体原有节理面快速演化、扩展和贯通。此外受矿山采动卸荷耦合作用,岩体极易诱发严重边坡灾害。以江西德兴铜矿为背景,运用PFC离散元方法对不同含水状态、孔隙水压力下的含裂隙岩样进行数值模拟,结果表明:①随着含水率的增加,岩石抗压强度逐渐降低,饱和岩石降幅为56.33%,横向扩容变形显著,增幅为69.06%,岩石张裂特性明显,破坏模式由拉伸破坏转为剪切破坏。②随着孔隙水压力的增大,岩石抗压强度降低,含2MPa孔隙水压力降幅为21.74%,岩石颗粒之间黏结力减弱并形成局部应力集中现象,主要表现为岩石原有裂隙的扩展和贯通。研究结果可为边坡开采与围岩支护提供必要的理论支撑,确保矿山边坡安全与稳定。

基于图像检索技术的受载煤样裂隙演化规律

在煤岩试样破坏过程中进行计算机断层(computed tomography,CT)扫描测试,可实现煤岩试样内部裂隙结构可视化表征,但是在加载过程中,因试样位移变形会引起CT扫描层定位误差,进而影响试验结果准确性。为了解决这一问题,利用图像相似性检索技术,检索出受载试样在不同应力水平下的最相似的CT图像,从而更加准确地描述受载煤样裂隙演化规律。研究结果表明:在三轴压缩破坏过程中,试样应力应变曲线分为5个明显的阶段,即初始压密阶段、线弹性变形阶段、塑性屈服阶段、峰值破坏阶段以及残余变形阶段。基于感知哈希算法的图像检索技术能够准确识别并定位不同应力阶段相似度最高的CT图像,且CT图像相似度随着轴向荷载不断增大而逐渐降低。在整个三轴加载过程中,CT图像的相似度绝对差均值表现出两个明显的变化阶段:缓慢增加阶段和快速增加阶段。分形维数可以定量描述裂隙演化,受载样品破坏过程中分形维数主要经历了缓慢减小、缓慢增大和快速增大3个阶段。

浅埋巨厚煤层综放开采覆岩裂隙演化及其分形特征

浅埋巨厚煤层开采极易诱发覆岩裂隙贯通地表形成漏风通道,造成工作面通风管理困难及井下遗煤自燃。以内蒙古大饭铺煤矿61202工作面为研究对象,采用UDEC数值模拟分析了工作面开采上覆岩层应力变化及破断特征,探究了覆岩裂隙演化规律及其分形特征。结果表明:浅埋巨厚煤层综放开采条件下上覆岩层应力将经历增压、减压和复压三个阶段;可将工作面推进距离0~50 m、60~240 m、245~450 m划分为“加速升维-减速升维-平稳稳维”三个裂隙发育阶段,全开采阶段分形维数D在1.011~1.341之间;基于裂隙发育三阶段的特点提出不同阶段裂隙发育控制方法,以此确保工作面安全生产。研究成果有助于揭示西部浅埋巨厚煤层综放开采裂隙发育规律。

干湿循环作用下膨胀土裂隙演化规律试验研究

对南阳膨胀土在反复干湿循环作用下的裂隙演化规律进行了室内试验研究。试验中采用烘干法模拟脱湿过程,采用抽气饱和法模拟饱和过程。在脱湿过程中,定时对土样进行称重、定点拍照,以记录裂隙发育状况。利用矢量图技术对裂隙照片进行矢量化处理,以提取裂隙的各种几何要素,继而进行裂隙度计算。裂隙度变化规律分析结果表明,影响裂隙张开程度的关键因素并非土体含水率,而是含水率梯度,而脱湿速率的空间分布、土块渗透特性以及土块尺寸大小则是决定含水率梯度大小的关键因素;膨胀土裂隙在干湿循环的作用下会逐步发育,主要体现在裂隙总面积与总长度的增加,但此作用有限,裂隙的发育达到一定程度以后便会因为土块尺寸过小而停止;反复干湿循环会使土体产生范性变形,该范性变形与完整土块的胀缩特性并无直接联系,其主要成因是裂隙的发育与土体完整性的破坏,裂隙越发育,土体范性变形量越大。

泥岩顶板巷道围岩裂隙演化规律与冒顶机理分析

通过对某矿泥岩顶板巷道围岩变形进行监测,总结该类巷道变形破坏的一般规律;借助钻孔窥视的手段对不同含水条件下泥岩顶板围岩的裂隙演化规律和破裂特征进行分析,在此基础上,研究泥岩顶板巷道冒顶的机理。研究表明:围岩裂隙是由浅部向深部逐渐扩散的,裂隙发育存在饱和现象;有效控制围岩微裂隙区向裂隙发育区演化,避免裂隙发育区发展到锚固区之外是保证富水泥岩顶板巷道稳定的关键。据此建立了分顶、分区的围岩控制技术体系,包括高性能锚杆支护技术、预应力锚索强化技术以及注浆加固技术,并成功地应用于工程实践。

岩石材料微裂隙演化的CT识别

采用砂浆来模拟岩石材料以研究其裂隙的演化规律。借助CT扫描获得单轴压缩破坏过程中岩石材料内部的密度分布信息和统计特征,利用同位置点的密度变化来识别微裂隙的活动,通过统计密度变化特征和分形指标Rd描述研究微裂隙的演化行为。研究结果表明:(1)CT图像灰度频数统计变化曲线的幅值和形状变化反映了微裂隙的不同演化效应:荷载水平0%～50%时,曲线波峰顶点上移,而频数变化幅值显著增大,曲线呈规则正弦状;50%～70%时,曲线波峰顶点下移,频数变化幅值降低,曲线形状偏离正弦状;70%～90%时,曲线形状、波峰顶点位置和频数变化幅值基本不变,只有少数灰度区间发生频数变化;90%以后,曲线波峰顶点位置发生非常大的上移,曲线回归正弦状。而波谷顶点的位置移动则相反。这种现象体现了整个压缩损伤过程中微裂隙的主导演化作用由加载前期萌生效应转化为中期压缩闭合效应,再转化为后期的扩展、汇集效应。(2)通过对CT图像灰度进行变换及分形指标Rd描述后发现,Rd随应力增加呈先增加→减小→再增加的三段式增长。这与压缩过程中微裂隙的产生效应与闭合效应的相互影响、转化行为有关;加载前期微裂隙的萌生效应活跃,Rd增大;中期萌生效应趋缓,扩展、汇集效应缓慢发展,此时由闭合效应主导,Rd缓慢减小;后期微裂隙的扩展、汇集效应显著增强,Rd急剧增长。(3)提出的微裂隙体积率分形指标Rd描述能较好地刻画压缩破坏过程中微裂隙演化行为。

三维采动应力条件下覆岩裂隙演化规律试验研究

利用自行研制的"多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统",根据中国平煤神马集团十矿己15煤层24080工作面的地质资料,在三向不等应力条件下进行了三维模拟开采试验。通过应力监测、色素示踪、照相素描等手段,统计了各水平、垂直切面的裂隙形态、数量与分布特征,并建立了采空区覆岩裂隙网络数值模型。研究结果表明:三维应力条件下,采空区覆岩裂隙在空间上呈"类梯形台"形态,在低位岩层中呈"圆角矩形"形态,在中高位岩层则呈"O型"形态。按瓦斯运移难易程度可将覆岩裂隙分为以"纵向贯通裂隙"为主的直接流动通道和以"层内破断裂隙-层间离层裂隙-层内破断裂隙"方式延伸的间接流动通道。