单轴压缩下煤岩宏观破裂结构及声发射特性研究

为了研究煤岩在单轴压缩下的宏观破裂结构特征和煤岩破裂过程中的声发射特性,对不同煤矿的煤岩进行了单轴压缩破裂实验和声发射监测实验。结果表明:单轴压缩下煤岩的宏观结构特征可以分为6类,分别为:(1)圆锥型破裂裂纹;(2)"八"字型裂纹;(3)"Y"和偏"Y"型破裂裂纹;(4)多个"I"字型裂纹;(5)"X"型破裂裂纹;(6)"S"型破裂裂纹。提出了煤岩单轴压缩下应力应变全过程可分为6个阶段:初始压密阶段、准弹性阶段、新裂隙渐生段、新裂隙速生段、裂隙扩展贯通段和残余变形段。研究表明在各个阶段声发射特征各不相同,分别为一定量、少量、明显增多、激增、最大值和微量,声发射特性能够较好地反应煤岩的破裂过程。

弱胶结砂岩的物理力学特征及定义

为给弱胶结砂岩明确的定义,以布尔台煤矿覆岩中弱胶结砂岩为研究对象,采用地面钻孔取心的方法,采集了3种砂岩试样,首先对其成分以及微观结构进行了分析,然后分别对这3组试样进行了单轴压缩、三轴压缩、巴西劈裂试验,分析了弱胶结砂岩的密度、波速、抗拉强度、抗压强度、弹性模量、黏聚力及内摩擦角等参数。试验结果表明:弱胶结砂岩是以石英和长石为骨架颗粒的岩石,胶结物含量小于总含量的30%;弱胶结砂岩颗粒之间的孔隙非常大,主要集中在40~100μm;胶结物非常少,颗粒边界非常清晰;弱胶结砂岩破裂时主要沿颗粒的边界破裂,宏观破裂类型以"I"形为主;弱胶结砂岩的波速(<1 200 m/s)和密度(<2 200 kg/m3)非常小;抗拉强度(<2 MPa)、抗压强度(<20MPa)、弹性模量(<2 GPa)以及黏聚力(<10 MPa)也非常的小。研究成果有助于进一步揭示弱胶结岩层巷道变形大、巷道支护困难、矿压显现剧烈以及地表台阶下沉等现象的内在原因。

神东矿区煤系地层岩石物理力学性质

岩石物理力学参数是数值计算、相似模拟、顶板分类、支架选型等理论分析和现场安全生产管理的基础性工作。分别从补连塔煤矿、大柳塔煤矿及布尔台煤矿采集岩芯并进行了单轴压缩、三轴压缩和巴西劈裂实验,分析了不同沉积时期的密度、RQD值、抗拉强度、抗压强度、弹性模量、黏聚力及内摩擦角等参数。根据试验矿井地层情况,将3个试验矿井的岩层划分为8个沉积时期,分别为白垩系、侏罗系安定组、侏罗系直罗组、侏罗系延安组1-2煤、侏罗系延安组2-2煤、侏罗系延安组粉砂岩、侏罗系延安组4号煤及侏罗系延安组底部。神东矿区岩层以砂岩为主,尤其是白垩系岩层主要为砂岩层。按沉积时期分组试验结果表明:随着沉积时间的增加,岩石的密度呈增大趋势,但是增大幅度不明显;岩石的抗拉强度、抗压强度、弹性模量及黏聚力与沉积时间呈现出一定的正相关关系;RQD值及内摩擦角与生成时间无明显的关系。生成时间对岩石的力学参数影响较大,其中,沉积时间对中粒砂岩抗拉强度的影响最大,最大值是最小值的31.2倍;沉积时间对中粒砂岩抗压强度及弹性模量的影响最大,单轴抗压强度最大值是最小值的12.4倍;弹性模量最大值是最小值的32.8倍;白垩系及侏罗系安定组的物理力学参数相对其它沉积时期要小很多。

动静组合加载含水煤样的力学特征及细观力学分析

为分析含水煤样在动静组合加载下的力学性质,利用改进SHPB和RMT-150试验系统对义马矿区二1煤样进行动静组合加载、静载对比试验。结果表明：静载加载,煤样的应力-应变关系形态与动静组合加载应力-应变关系形态明显不同,煤样的峰值强度、弹性模量随饱水时间增加而降低,饱水3 d和7 d煤样抗压强度软化系数分别为0.66和0.52;动静组合加载,煤样动态峰值强度随饱水时间增加而降低,饱水3 d和7 d抗压强度软化系数分别为0.65和0.60,动态弹性模量却逐渐升高,提高系数分别为1.15和1.37,与饱水砂岩试验结果相比不同;动静组合加载煤样随饱水时间增加煤样破坏颗粒度逐渐减小,水对煤样动态破坏影响较显著;基于翼形裂纹受压扩展原理,推导出动静组合加载下饱水煤样动态强度计算公式;煤样动态强度比静态强度试验结果提高10%~30%,表明动静组合加载下煤样的变形、强度特征与煤样自身结构、含水状态和加载方式多重因素有关。

黔北煤田矿井顶板水害特征及防治措施研究

黔北煤田近年来发生了22起工作面顶板涌水事故,对该地区矿井安全生产造成了很大威胁。为了研究黔北煤田矿井顶板水害特征及防治措施,以黔北煤田某片区为研究对象,分析了研究区域顶板水害的充水水源、水化学特征、突水通道、水害特征,并提出了相应的顶板水害防治措施。研究发现:长兴组含水层的水质类型为SO_(4)^(2−)、HCO_(3)^(−)-Na^(+),玉龙山段含水层的水质类型为HCO_(3)^(−)、SO_(4)^(2−)-Ca^(2+)和HCO_(3)^(−)、SO_(4)^(2−)-Na^(+)、Ca^(2+);区内各含水层的pH值以弱碱性为主,范围为7.63~8.18。开采9号煤层时,顶板水害的充水水源主要为长兴组灰岩含水层;顶板涌水特征主要表现为:涌水突发性强、水头值大、衰减速度快、涌水持续时间较短,涌水出现的位置绝大部分处于工作面下三分之一位置。针对黔北煤田顶板水害问题,提出了控制工作面开采速度,避免工作面长时间停采;加强顶板初次来压和周期来压期间水害防治,以及提前施工顶板水疏放孔等防治水措施。研究结果为黔北煤田顶板水害防治工作提供借鉴。

试论近水平煤层采场的3种基本结构形式

基于煤层开挖力学效应和覆岩运动规律,揭示了覆岩破坏垮落过程中产生的压力拱和结构拱现象,研究了结构拱与压力拱的内在统一关系,提出了煤矿采场压力拱的3种形式。在此基础上,根据理论分析、相似模拟和数值模拟研究成果,认为近水平煤层采场存在围岩承载结构、矿压运动结构和工作面防护结构3种形式,分别简称为"大结构"、"小结构"和"微结构",并研究了3种结构的具体形式和矿压显现的关系,得到了煤柱与采场大结构的关系。并针对神东矿区浅埋近距离煤层下层煤开采出煤柱时发生的压架事故案例,从压架前、后采场的3种基本形式的变化分析事故发生的原因,并提出了防治对策。

单轴压缩下煤岩声发射及分形特征研究

为了研究煤岩在单轴压缩下的声发射及分形特征,利用RMT-150C型岩石力学伺服试验系统和CDAE-1型声发射检测仪对砂岩、砂质泥岩和戊组煤试样进行了实验研究。对砂岩、砂质泥岩和戊组煤的力学特性、声发射计数和累计计数以及声发射序列的分形特征进行了对比研究。研究结果表明:煤岩全应力-应变过程可分为四个阶段:初始压密阶段、准弹性阶段、塑性变形破坏阶段和残余变形阶段。初始压密阶段,声发射计数都比较低,累计计数增加的趋势特别缓慢;准弹性阶段,声发射计数有所增加,累计计数变化趋势相对较快;塑性变形破坏阶段,声发射计数都出现了跳跃式上升,声发射累计计数都出现了激增现象,但是砂岩的特别明显;残余变形阶段,声发射计数水平比较低,累计计数基本不增加了。煤岩破坏过程中声发射序列都具有分形特征,分形维值在煤岩破坏前会出现突降现象,可以作为预测煤岩动力灾害的前兆。

综合物探技术在矿井工作面底板含水构造探测中的应用

为了查明汾源煤业文明矿5-101首采工作面底板岩层赋水情况和煤层地质异常体情况，并对其进行突水危险性区域划分及评价，采用瞬变电磁法、直流电法和无线电波透视法三种物探方法综合勘探，综合分析三种物探方法探查结果，并结合揭露情况和钻孔验证。结果表明：位于切眼往外（0-250）m范围内，工作面底板相对破碎、裂隙岩溶发育或富水性强，导高大，且煤层内部较不均匀，存在多条5m以上落差含水断裂破碎带，此区域突水危险性最大；切眼往外（300-380） m范围内存在局部富水区域，导高较小，但不存在构造破碎带，突水可能性较小；工作面其他区域都较安全。综合物探比单一物探更具有准确性和可靠性，更符合工程实际情况，为采取针对性的治理措施从而实现安全回采提供了参考依据。

下保护层开采保护效果与瓦斯运移规律

为研究中远距离下保护层回采后的保护效果和瓦斯运移规律,运用达西定律和Brinkman方程建立了回采工作面、采空区与被保护层的二维模型,结合郭庄矿与寺河2#井的实际地质条件,运用COMSOL多物理场数值模拟软件对其进行了数值模拟研究;对郭庄矿和寺河2#井的试验工作面进行了现场试验.数值模拟结果表明:保护层开采过后对被保护层具有卸压作用;同时得到了保护层、采空区与被保护层的瓦斯运移规律.现场结果表明:中远距离下保护层开采过后,瓦斯压力降低了0.5 MPa;瓦斯含量降低了5.25 m3/t;透气性系数增加到了原来的600多倍.

不同破坏类型岩石的声发射及分形特征研究

为了研究在单轴压缩下不同破坏类型岩石的声发射及分形特征,利用声发射监测仪和岩石力学伺服试验系统对砂岩和泥岩试样进行了实验研究。并且对砂岩、泥岩的力学特性、声发射计数和累计计数以及声发射序列的分形特征进行了对比研究。研究结果表明:砂岩发生的是脆性破坏,泥岩发生的是塑性破坏。脆性破坏岩石的应力-应变过程可分为三个阶段:初始压密阶段、线弹性阶段和塑性破坏阶段,塑性破坏岩石可分为四个阶段:初始压密阶段、线弹性阶段、塑性破坏阶段和残余应力阶段。在初始压密阶段、线弹性阶段和塑性破坏阶段中脆性破坏岩石的声发射累计计数平均增长率要比塑性破坏的高。脆性破坏和塑性破坏岩石的声发射序列都具有分形特征,分形维值在岩石破坏前会出现突降现象,但是塑性破坏岩石出现突降现象的时间要比脆性破坏的长很多。

特厚煤层大采高开采覆岩运动与矿压显现特征分析

为更深入了解特厚煤层大采高开采覆岩运动与矿压显现特征,采用数值模拟以及现场矿压监测方法,分析了大柳塔煤矿大采高开采覆岩移动、矿压显现以及支架工作阻力特征。结果表明:支架顶梁应力振幅可用于判断采场支架来压状态和覆岩破断剧烈程度;工作面推进50 m处基本顶小范围分层破坏;爆破预裂使基本顶形成不对称拱结构,拱结构破坏使基本顶岩层内水平应力减小,垂直应力升高,形成工作面初次来压,来压步距88 m;基本顶上部铰接结构使基本顶岩层内水平应力升高,垂直应力降低,下部悬臂结构破断导致第2次来压,来压步距25 m;铰接结构破坏使基本顶岩层内水平应力和垂直应力均升高导致第3次来压,来压步距20 m;基本顶拱结构和铰接结构失稳引起来压强烈,覆岩破断延伸至地表。

UDEC下保护层开采裂隙演化及瓦斯渗流规律

为了研究中远距离下保护层开采后的裂隙演化与瓦斯渗流规律,运用UDEC 4.0离散元数值模拟软件,以郭庄矿为研究对象对中远距离下保护层开采后的裂隙演化与瓦斯渗流规律进行了数值模拟研究,并进行了现场验证.模拟结果较好地再现了中远距离下保护层开采过程中上覆岩层裂隙的发育情况和发育程度,揭示了被保护层瓦斯压力和瓦斯流量的变化规律.现场结果表明,中远距离下保护层开采过后,瓦斯压力降低了0.5 MPa;瓦斯含量降低了5.25m3/t;透气性系数增加到了原来的600多倍.

灰色线性回归组合模型在瓦斯涌出量预测中的应用

矿井瓦斯涌出量预测是新建矿井、新水平和新采区设计的主要依据。针对目前灰色理论预测模型和线性回归预测模型的缺点和不足,系统地推导了灰色线性回归组合预测模型。结合现场实测数据,并对比线性回归模型和灰色理论模型预测结果,发现该模型的预测精度分别提高了2.46%和1.35%,数据拟合的相关系数也有一定程度的提高。实证结果表明,灰色线性回归组合模型可以更好地预测矿井瓦斯涌出量。

灰色马尔可夫模型在瓦斯涌出量预测中的应用

瓦斯涌出量预测是采区延伸、开拓新水平和矿井生产必不可少的依据。通过对原始数据累加后,建立灰色预测模型,再根据实测值与灰色模型预测值的相对变化率划分状态建立转移矩阵,进行马尔可夫预测。通过现场实测值和预测值的对比分析,发现灰色马尔可夫预测模型比灰色预测模型最大相对误差可以减少14.23%,平均相对误差可以减少5.78%。实证结果表明,笔者提出的灰色马尔可夫预测模型能够能更好的预测矿井瓦斯涌出量。

加载速率对煤岩损伤及声发射特征影响的数值模拟研究

为研究加载速率对煤岩损伤及声发射特征的影响,利用RFPA2D数值模拟软件,以加载速率0.001,0.003,0.005 mm/步对煤岩试样进行数值模拟试验。结果表明,加载速率对煤岩的损伤特征和声发射特征都具有一定的影响。随着加载速率的增加,宏观损伤出现的时间逐渐减小,呈现负相关性;不同加载速率下煤样破裂过程中的声发射峰值计数和峰值能量随着加载速率的增加逐渐增大,呈现正相关关系;不同加载速率下煤样破裂过程中的声发射累计计数和累计能量随着加载速率的增加逐渐减小,呈现出负相关关系。

基于小波包变换的不同强度煤样的声发射特性

为了研究在单轴压缩下不同强度煤样的声发射特征,利用RMT-150C型岩石力学伺服试验系统和CDAE-1型声发射检测仪,对硬煤、中硬煤和软煤煤样进行实验研究。为了解决煤样在声发射实验中存在的各种信号干扰和信号处理方面的问题,运用小波包变换对煤样的声发射信号进行了分解、去噪和重构。研究结果表明:经过处理之后的声发射信号能够更清晰地反映硬煤、中硬煤和软煤煤样在单轴压缩下失稳破坏的变化特征。软煤、中硬煤和硬煤的声发射信号特征各不相同,随着煤样强度的增加,煤样失稳破坏时声发射累计能量和累计计数逐渐减小,煤样在受力过程中声发射能量和计数的峰值也逐渐减小,并且在峰值处释放的能量也逐渐减小。

神东侏罗纪砂岩微观结构对其力学性质及声波传播速度的影响

为了分析神东侏罗纪砂岩微观结构对其力学性质及声波传播速度的影响,利用偏光显微镜、岩石力学试验系统对砂岩进行研究,同步测定砂岩声波传播速度。结合数理统计方法建立宏观力学特性、声波速度与砂岩内部微观结构之间的定量关系。结果表明:随着碎屑颗粒粒径增加和不均匀系数增大,砂岩的单轴抗压强度、弹性模量和应变相应减小,其力学性质呈减弱的趋势,而泊松比变化趋势不明显;同时随着砂岩碎屑颗粒粒径增加和不均匀系数增大,声波速度也相应减小;对比发现,同一岩石类型侏罗纪煤系砂岩单轴抗压强度与碎屑颗粒平均粒径之间的关系和石炭-二叠纪煤系砂岩相反。

基于声发射参量的煤样损伤模型研究

在单轴压缩下煤样损伤模型基本原理的基础上,推导出了基于声发射参量的煤样损伤模型。以原煤为研究对象,在单轴压缩下,对煤样进行声发射实验,验证了基于声发射参量的煤样损伤模型在煤样破坏前是可行的;分析了在单轴压缩下的声发射特性,并提出了基于"归一化"声发射累计计数的损伤变量,得到了在单轴压缩下煤样的应变—损伤方程和煤样的一维损伤本构方程。研究结果表明:声发射参量能够反映煤样内部原生裂隙的压密及新裂隙的产生、扩展、贯通等演化过程;基于声发射参量的煤样损伤模型是合理的,反映了声发射事件数和煤样损伤之间的对应关系;单轴压缩下的煤样损伤演化过程,可分为初始损伤阶段、损伤稳定演化和发展阶段、损伤加速发展阶段和残余损伤阶段4个阶段。

神东侏罗纪泥岩微观组构对其力学性质的影响

泥岩的矿物组成和微观结构对其力学性质起决定作用。利用XRD、SEM以及岩石力学试验系统对神东侏罗纪含煤地层的泥岩进行研究,同步测定泥岩声波传播速度,从而建立了泥岩的力学特性与其矿物组成以及微观结构之间的关系。结果表明,神东侏罗纪泥岩的矿物组成以石英和黏土矿物为主,平均含量分别为55.22%和26.67%,而华北石炭-二叠纪泥岩中石英和黏土矿物的平均含量分别为31.90%和63.24%,二者相差分别为23.32%和36.57%,导致神东侏罗纪泥岩的力学性质明显高于石炭-二叠纪泥岩。随着石英含量的增高,泥岩的单轴抗压强度和弹性模量均呈增大趋势;随着黏土矿物含量的增加,其规律相反。同时,随着泥岩致密程度增加,声波速度、单轴抗压强度和弹性模量均增大。

水体下综放开采可行性分析

余吾煤业现有630万吨煤炭资源处在绛河水体下,煤层厚度在4.0～6.2 m之间,现导水裂隙带经验公式不能够满足其水体下安全开采,存在开采后突水隐患,为了确定开采后上覆岩层导水裂隙带极限高度是否波及地表,研究区在9个井下钻孔进行了井下仰孔双栓塞分段注水测试和仰孔直观法电视成像仪探测,对涌水量进行了监测、水质进行了对比研究,并通过模拟实验进一步研究不同采厚条件下发育高度。观测、监测及模拟结果表明:采动后导水裂隙带发育高度取决于采厚,为水体下采煤水的防治提供了可靠数据,三个工作面的试采成功,为水体下采煤提供了应用范例。