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。

不同倾角煤岩组合体冲击破坏特征研究

针对煤岩复合结构冲击地压等动力灾害的防治,选用煤与红砂岩2种材料制作节理倾角为0°、30°、60°、90°的体积比1∶1的煤岩组合体试件,利用霍普金森压杆试验系统进行动载冲击破坏特征试验。试验结果表明:煤与红砂岩及其组合体试件满足动载平衡条件,煤的动态抗压强度、破坏程度与冲击速度呈正比。煤岩组合体的抗压强度与倾角条件和受力形式密切相关。煤先受力、岩先受力2种加载方式下,抗压强度与倾角的变化曲线呈近似中心对称关系,冲击破坏形式主要为压剪破坏。为井下复合煤岩结构冲击地压防治提供一定的参考。

煤矿顶板致裂水压力的断裂力学评估

评估煤矿顶板水压致裂的起裂水压,需要定量分析致裂过程中水对预制切槽尖端岩石断裂特性的影响。为评估王台铺煤矿石灰岩顶板的起裂水压,分别在天然和饱水状态下对煤矿现场采集的顶板石灰岩样品进行了单轴压缩试验、纯Ⅰ型断裂试验以及Ⅰ-Ⅱ复合型断裂试验。采用ANSYS模拟软件以单轴压缩试验结果为材料参数、以断裂试验峰值载荷为受力条件构建了断裂试验试件的有限元模型,计算了2种状态下顶板石灰岩的Ⅰ型断裂韧度KIC和多组复合型断裂发生时试件裂纹尖端的KⅠ,KⅡ值,获得了2种状态下的复合型断裂临界曲线。试验结果显示:(1)饱水状态下顶板石灰岩的各项指标相对于天然状态有不同程度的弱化,Ⅰ型断裂韧度的弱化最明显,其次是抗压强度和弹性模量,泊松比受影响较小;(2)不同状态下顶板石灰岩遵循不同的Ⅰ-Ⅱ复合型断裂判据。通过将顶板水压致裂的预制切槽简化成币型裂缝,结合天然和饱水状态下试验测定的顶板石灰岩各力学参数及Ⅰ-Ⅱ复合型断裂判据,导出了2种状态下起裂水压计算公式。将天然和饱水状态下起裂水压计算值作为真实起裂水压的上下确界,可以评估顶板水力压裂起裂水压的范围,还可以根据地应力优化预制切槽的倾角选取,从而使水力裂缝在相对更低的水压下起裂。在王台铺煤矿XV2307工作面开展了石灰岩顶板水压致裂试验,现场测定的真实起裂水压位于饱水状态计算值与天然状态计算值之间,验证了评估方法的有效性。

半圆盘三点弯曲法测定页岩断裂韧度(K_(IC))的实验研究

为了准确测试页岩的I型断裂韧度K_(IC),分别采用直切槽半圆盘试样(NSCB)和人字形切槽半圆盘试样(CCNSCB),在3种预制切槽布置模式(splitter、arrester、divider)下,开展三点弯曲加载实验。通过标准差和变异系数分析两类方法 K_(IC)测算值的离散性,并评价各自适用性。使用光学显微镜观察试件破裂后的裂纹扩展路径和破裂面断口形态。基于断裂力学理论,给出页岩试件粗糙起伏断口表面能计算公式,分析页岩试件实测值K_(IC)离散的原因,并用最小耗能原理解释裂缝在页岩试件扩展过程中形成粗糙断裂面的机理。对比分析两种试样类型测试的K_(IC)值,认为两种方法在切槽平行层理布置的情况下测算值离散程度一致,二者都适用;对于切槽垂直层理两种布置方式下NSCB试件更容易发生裂缝偏转,导致产生Ⅰ-Ⅱ复合型断裂,使试验失效;CCNSCB试件的韧带具有良好的裂缝扩展导向作用,某种程度上抵消了加载配置非对称性带来的不利影响,CCNSCB比NSCB测得的K_(IC)值离散性更小,更适用于各向异性页岩的K_(IC)测试。

单向压缩下岩石表面温度与体积应变关系实验

在单向压缩条件下,通过远红外热像仪,测得了多种岩石试件表面温度随载荷的变化规律,通过贴于试件表面的应变片,同时实测了试件总体的体积应变值,据此寻找岩石试件在受压过程中,试件表面温度与体积应变之间的关系。研究结果表明,在岩石受压的大部分变形过程中,岩石红外辐射温度会随载荷的增加而增加,也随着压缩体积应变的增加而增加,后一结论比较符合热力学定理的预示。实验结果有助于将温度变化与应力或应变变化定量联系起来。

三点弯曲条件下不同层理面强度对裂纹扩展过程的影响

煤矿、页岩气开采等工程均涉及到层状岩体力学问题,层状岩体的裂纹破裂模式直接决定了工程施工稳定性及能源高效开发利用。为了揭示层理面强度性质对裂纹扩展过程的影响,利用ABAQUS模拟软件,通过全局嵌入0厚度cohesive单元的方法,创建了与最大主应力方向垂直的层理面,并且基于页岩XRD矿物成份分析结果,利用Python语言对软件进行二次开发,实现了页岩的层理各向异性与矿物颗粒非均质性。通过控制层理面的强度参数,研究了在三点弯曲条件下,层理面强度性质对裂纹扩展过程的影响。通过MATLAB编程处理模拟结果,实现了加载过程中的声发射(AE)模拟,根据声发射定位图和声发射能量数据,进一步分析了裂纹破裂类型及动态扩展过程。结果表明:层理面抑制了裂纹沿着最大主应力方向扩展,层理面强度越弱抑制效果越强;层理面强度较弱时,裂纹先从层理界面处起裂,产生顺层横向裂纹,阻隔应力波的传递,导致预制裂纹尖端应力场波及范围变小应力集中程度变强;层理面的存在导致裂纹扩展路径复杂,穿层破裂与顺层破裂交替出现,裂纹表现为断续位错式的破裂特征,层理面强度与最大主应力共同决定了裂纹路径;穿层破裂主要沿着最大主应力方向产生,表现为拉张破裂类型,顺层水平迁移裂纹表现为剪切破裂类型;层理面强度越弱,克服顺层破裂所需能量越大,峰值载荷越大;层理面强度与声发射事件数呈负相关性,层理面越弱声发射事件数越多,拉张、剪切破裂越多,顺层裂纹长度越长。

页岩气开采压裂技术分析与思考

页岩层较为致密,且渗透率较低,在天然状态下难于直接开采出页岩气。现阶段主要采用水力压裂技术产生人工裂缝,同时使天然裂缝间能够互相贯通,获得较为复杂的裂缝网格,以期增加页岩气层的连通性和流动性,提高页岩气产能,最终获得可观的开采量。然而,利用水力压裂技术改造天然的页岩储层过程中,也引发了如有效体积压裂、压裂液的合理选择、清水的耗费、环境污染及压裂液的返排等问题。通过分析现存的各种压裂技术的优缺点和适用性,依据中国特有的地质地貌特征,提出解决这些问题的方法和建议。从微观和宏观尺度研究页岩体积压裂断裂机制,为体积压裂工艺设计提供理论依据。

循环渐进升压对页岩压裂效果的影响

为了揭示循环渐进升压对页岩压裂效果的影响规律,开展页岩真三轴水力压裂试验,对比分析一次性压裂与循环渐进升压致裂的破裂效果。试验结果表明:(1)基于泵压曲线、声发射能量对比分析,一次性压裂方式,倾向于单次造缝;循环渐进升压致裂方式,倾向于多次造缝和沿着不同方向造缝。(2)基于声发射定位展布特征对比分析,一次性压裂声发射定位,呈现条带状分布,对应单一裂缝;而循环压裂声发射定位呈现离散化分布特征,对应更大压裂体积范围。(3)基于宏观裂纹形态、数量和分形维数对比分析,循环压裂方式能显著提高页岩缝网密度和改善页岩渗透特性,可以优化和改进现场水力压裂施工方法。(4)基于扩展有限元数值模拟分析,循环注入方式能产生更加偏转和路径更长主裂缝,沿途倾向支生更多次生裂隙,可以增加缝网密度并提升体积压裂的效果。