CO_(2)−荷载耦合作用下煤体细观统计损伤本构模型及验证

CO_(2)吸附会对煤体产生损伤劣化作用进而降低其稳定性,对CO_(2)封存的长期安全性提出挑战,明确CO_(2)劣化作用并建立本构模型至关重要。采用损伤力学理论和统计理论推导出能够综合反映CO_(2)吸附和荷载耦合作用下煤体总损伤变量的计算公式,并重点考虑了压密段的影响,分段建立了CO_(2)作用下煤体的细观统计损伤本构方程,明确了模型各参数的确定方法。最后通过CT扫描实验系统、MTS 816实验系统确定了本构模型参数,并采用自主研制的气−固耦合实验系统对不同CO_(2)压力下煤体进行了单轴压缩实验,验证了模型的合理性。研究结果表明:①基于CT扫描获取的裂隙率和运用Weibull分布理论分别定义了吸附和受载作用下的损伤变量,结合损伤理论进一步得到二者耦合作用下的总损伤变量,并建立了细观统计损伤本构模型;②基于CT扫描技术的裂隙三维重构真实反映了CO_(2)作用前后裂隙扩展特征,CO_(2)压力越高,裂隙扩展越充分,煤样三维裂隙参数和损伤变量越大,所形成的空间裂隙网络越复杂;③CO_(2)对煤体力学性质劣化作用显著,煤体的抗压强度与弹性模量随CO_(2)压力增加分别降低了49.78%和22.63%,CO_(2)对煤体的溶胀效应、塑化效应和气楔效应的综合作用导致了力学参数的降低;④建立的CO_(2)作用下煤体细观统计损伤模型理论曲线与单轴实验曲线具有较高的吻合度,说明损伤本构模型能够较好地反映出CO_(2)对煤体力学特性的损伤劣化作用,体现了损伤本构模型及模型参数确定方法的合理性与适用性。

采场底板围岩应力壳力学特征及时空演化

针对采场底板围岩三维应力场特征及演化规律,以谢桥煤矿1232(1)综采工作面为研究对象,采用综合研究方法开展了系统研究。结果表明:煤层回采过程中,伴随着采场围岩三维应力场的不断调整,在采场底板围岩空间区域也存在高应力束,高应力束在三维空间形成了采场底板围岩应力壳,应力壳壳体内外岩体主应力均低于壳体中的主应力。应力壳内边界之上垂直应力和水平应力均显著降低,部分岩层内压应力转化为拉应力,壳体和应力壳外边界岩层垂直应力降低,水平应力仍然较大,存在水平应力集中现象,三维应力场作用的选择性是采场底板围岩应力壳形成的内在力学本质。采场底板围岩应力壳形态随着采场结构的变化而调整,具有典型的短边依赖效应,破裂区和最大位移区主要发育在应力壳壳体内边界之上的低应力区内。采场底板围岩应力壳是抵抗底板岩层卸压膨胀、进而发展到拉剪破坏的主要集中力系,采场底板围岩应力壳的失衡可能引起较大的动力现象。

浅埋煤层采场围岩力链演化规律及工程应用

浅埋煤层回采过程中,矿山压力显现剧烈,压架事故时有发生。针对回采过程中易突发剧烈的矿压现象,系统研究了煤层围岩力学特征及支护结构的受力状态。首先采用颗粒元计算软件模拟分析采场围岩力链演化特征,随后分别建立了覆岩强力链拱失稳前、后力学模型,工作面支架受力模型,推导出强力链拱迹线方程,获得强力链拱在失稳前、后支架荷载的计算表达式,并在此基础上结合现场实测对工作面支架荷载进行了分析。研究结果表明:煤层开挖前,煤岩体受力架构由力链网络组成,围岩的承载作用主要来自于强力链,广泛分布的弱力链仅对围岩起辅助承载作用;煤层开挖后,强力链集结成束形成力链拱,力链拱是承载采场上方煤岩体重量的主要力系,工作面支架仅承担位于强力链拱下方的煤岩体重量;且随工作面的推进,强力链拱不断调整,先后经历了“形成—扩展—稳定—破断”的动态演化过程。随强力链拱拱顶的不断发育,当其承担荷载超过自身强度极限后便会失稳破断,导致剧烈的矿压现象,工作面支架荷载大幅增加,强力链拱的失稳断裂是工作面产生强动载现象的本质原因。研究成果合理解释了浅埋煤层工作面突发的剧烈矿压现象,为煤层的安全高效开采提供借鉴。

冲击载荷下煤样能量耗散与破碎分形的长径比效应

为研究不同长径比煤样动态压缩下能量耗散规律和破碎分形特征,采用φ50 mm分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bars,SHPB)试验系统,以相同冲击气压0.35 MPa对直径50 mm,长径比分别为0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9和1.0的煤样进行单轴冲击压缩试验,定义了可判定应力平衡状态的指标——应力平衡系数ξ,发现了能量耗散的长径比效应并讨论了其与应力平衡的关系,分析了长径比和耗能密度对煤样破碎分形特征的影响。研究结果表明:不同长径比煤样应力-应变曲线形态基本一致,均包含弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段3个阶段,随长径比增加,曲线塑性阶段增大;根据应力平衡系数ξ确定煤样的临界长径比为0.6,低于临界长径比的试件易达到应力平衡,超过临界长径比试件将难以在破坏前达成应力平衡;煤样动态压缩破碎耗能与耗能占比的长径比效应表现为:随长径比增加分2个阶段,且其分界点接近临界长径比,各阶段内呈线性增加关系,阶段间呈台阶式下降;试件尺寸增加引起原生缺陷摩擦耗能增加和端部摩擦效应增强,超过临界长径比的试件应力达到峰值前其变形量降低形成了破碎耗能和耗能占比的台阶式下降;碎块平均粒径随长径比增大线性增加,但破碎块度分形维数呈线性降低;煤样的分形维数与耗能密度呈乘幂关系,耗能密度越大试样越破碎,但其破碎效率逐渐降低。

松软煤体波速演化规律与破坏程度量化指标

为合理评价松软煤体破坏状态,以淮南矿区潘一煤矿11518回采工作面为背景,选用型煤代替原煤,采用MTS岩石力学实验机及PCI-II声发射仪,开展单轴压缩状态下煤体多路径波速实时监测室内试验,分析波速变化特征;基于声波传播规律定义破坏程度量化指标;探究不同破坏阶段煤体介质状态,并开展指标工程应用。研究结果表明:①随煤体轴向应变的增加,波速呈现平稳、缓慢降低、急剧降低再平稳的基本规律,受载初期,型煤波速平稳,这与岩石材料呈现出的声学特性有所差异。②破坏程度量化指标K为煤体某一破坏阶段纵波经过裂纹时间与完全破坏后纵波经过裂纹时间的比值。③随煤体轴向应变的增加,指标先后经历平稳在0附近、缓慢增大、急剧增大再平稳在1左右4个变化阶段,指标演化与煤体表面形态变化具有高吻合性,且与传统损伤变量相比,指标突出裂纹对波速的影响,对破坏的敏感性更强,更能准确反映煤体破坏状态。④依据指标变化规律区划了工作面前方煤体介质状态,在距煤壁26.5 m以远的煤体处于连续介质区;在距煤壁13.5~26.5 m的煤体处于似连续介质区;在距煤壁5.75~13.50 m的煤体处于非连续介质区;在距煤壁距离小于5.75 m的煤体处于散体介质区。研究结果可为量化松软煤体破坏程度,防控围岩失稳灾害提供一种新途径。

冲击载荷下不同尺寸煤岩动力学分析及损伤特性研究

为探究冲击载荷作用下不同尺寸煤岩的动态力学及损伤特性,利用分离式霍普金森压杆系统对直径50 mm长度分别为15 mm,20 mm,25 mm,30 mm,35 mm,40 mm,45 mm和50 mm的煤岩开展了冲击压缩试验,通过分析应力-应变曲线特征得出应变率、峰值应力和动态弹模随尺寸变化的关系,并基于能量耗散规律提出煤岩受载全过程动态损伤指标K,同时与Weibull分布结合D-P准则得出的损伤变量D_(w)进行对比,探究不同尺寸煤岩的动态损伤特性。结果表明:不同尺寸煤岩的动态应力-应变曲线包含弹性、塑性和塑性软化3个阶段。随煤岩尺寸的增加,应变率和峰值应力呈减小趋势,动态模量为线性增加;动态损伤指标K是煤岩弹性阶段结束后的瞬时破碎耗能与完全破坏时对应总破碎耗能的比值;动态损伤指标与损伤变量的曲线形态具有相似性,变化趋势具有一致性,表明了K的合理性。指标K的最大损伤值更稳定、更符合破坏状态假设,说明了其具有一定的适用性。

Study on Supporting of Seam Roadways in Deeply Inclined Coal Seams

Based on the present problems of the support method of gateways in complex surrounding rock in steeply inclined seams, this paper discusses the support selection of lasting gateways in steeply inclined seams, and evaluates the support effects. It draws the conclusion that the support of bolt-mesh-anchor is the most effective support of this sort of gateways by using scale model simulation in lab and practice application.The support effects of practice application are satisfactory. It will give a beneficial reference to other analogical mine and has an extensive application prospect.

S700K电动转辙机控制保护电路分析及优化改进

针对S700K双机牵引道岔在扳动过程中,若出现一台转辙机启动后发生停转,另一台转辙机仍能继续拉动尖轨转动,易造成转辙机部件和尖轨损伤的问题,对S700K电动转辙机总保护电路进行改进,使S700K双机牵引转辙机工作更加安全、可靠。

循环荷载下深部卸荷煤体力学特性及能量演化规律研究

为探究循环荷载作用下卸荷煤体力学特性及能量演化规律,利用MTS816岩石力学试验系统对煤样开展变下限和恒下限三轴循环荷载试验,通过获取全过程应力–应变曲线分析煤样的力学参数变化关系,基于能量原理研究受载煤样循环过程的能量演化规律。结果表明:(1)相较于CG组,循环荷载作用下煤样的峰值应力增量极值为3.540 MPa,整体变化不大。XH1和XH2组的轴向应变和侧向应变与围压大小分别成正相关和负相关,体积应变分别为先增加后稳定再增加和先增加后减少再增加的变化趋势。(2)循环荷载作用下煤样的加载模量与循环次数成正相关,与应力水平成负相关;应变硬化模量和跌落模量均与围压成负相关。高围压条件弱化了抵抗非弹性模型的能力,且这种弱化趋势与应力路径无关;循环应力路径对煤样变形特征影响显著。(3)恒下限路径或高围压作用下煤样的能量密度更高。各循环水平内煤样的耗散能密度与输入能密度规律基本一致,呈先降低后稳定的变化趋势,弹性能密度总体稳定。(4)循环荷载作用下煤样的弹性能密度占总输入能密度比例超过89.11%,二者的均值呈线性关系,总能量主要以弹性能的形式存储,且这种存储能力与围压无关。耗散能密度与弹性能密度均值呈幂函数型变化,且循环应力水平升高耗散能的能量竞争能力逐渐增强。

基于CT扫描的煤体裂隙演化与破坏状态表征

为基于裂隙演化特征表征煤体破坏状态,针对原煤试样,采用CT扫描技术开展常规三轴压缩条件下煤体断面裂隙演化观测试验,重构内部三维裂隙可视化模型,分析裂隙分布形态与特征参数变化规律,基于裂隙面积定义断面(煤体)破坏状态表征指标Ti(T),并检验指标的准确性和合理性.研究结果表明:随煤体轴向应变的增加,含初始裂隙断面裂隙面积和分形维数均先减小后增大,而无初始裂隙断面裂隙面积和分形维数均先不变后增大.煤体失稳破坏过程中,Ti呈现出先减小(或不变)后增大的变化趋势,且与传统损伤变量相比,变化幅度更大,更能准确量化煤体断面破坏程度.随煤体轴向应变的增加,T表现出先减小后增大的基本规律,与煤体三维裂隙体积变化具有高吻合性.

深部原位应力煤岩卸荷力学特性试验研究

为探究深部原位应力煤岩卸荷力学特性,利用MTS816岩石力学测试系统对原位应力煤岩开展不同卸荷速率的三轴加卸载试验,并与常规卸荷试验对比,通过获取全过程应力–应变曲线分析卸荷煤岩的力学性能与变形特征,结合CT三维重构技术研究煤岩的破坏特征,探讨原位应力卸荷煤岩的适用强度准则。结果表明:(1)2种方案煤岩的峰值强度与卸荷速率均成反比,但原位应力煤岩较常规煤岩的峰值强度更高,这种趋势在低速卸荷时逐渐弱化。(2)原位应力恢复过程实施后,煤岩在卸荷速率升高条件下,峰值轴向应变先减小后趋于稳定,峰值侧向应变整体不变,峰值体积应变先降低后增加。卸荷条件下原位应力煤岩的弹性模量更平稳,应变硬化模量得以增强。(3)Mogi-Coulomb强度准则能更好地反映原位卸荷煤岩的破坏强度特征;原位应力煤岩较常规煤岩的黏聚力c增加39.23%,内摩擦角φ减少11.92%,表明原位卸荷煤岩的抗破坏主控因素为黏聚力。

煤体孔隙结构综合表征及全孔径分形特征

为探究煤体孔隙结构及全孔径分形特征,借助压汞和低温液氮吸附试验,结合微焦点CT扫描系统,分别表征了取自海湾煤矿5煤(#1)和顾北煤矿中央1煤(#2)煤样的孔隙结构,并基于分形理论对比分析了煤样全孔径分布的复杂程度。结果表明:1)#1煤体孔隙结构发育,微孔至大孔都具有开放性,裂隙由上端面倾斜蜿蜒延伸至下端面,两者在空间上形成网状拓扑结构,而#2煤体存在大量孤立孔隙,微孔多属于封闭孔或半开放孔,裂隙结构数量较少,两者难以形成孔裂隙拓扑结构,不利于瓦斯渗流;2)#1,#2煤体孔隙比表面积大部分由微孔和过渡孔贡献,但两者孔容占比差异明显,#1煤体大孔、中孔孔容占比较高,而#2煤体孔容主要由微孔和过渡孔贡献;3)综合比较三种表征手段存在的缺陷,提出了可表征全孔径分形维数的新方法,得出低温液氮吸附法所表征的孔径优势区间内,#1煤体孔径分布较#2煤体的非均质性更强,即孔隙结构更为复杂,高压压汞法所表征的孔径优势区间内,#2煤体孔隙结构较#1煤体更复杂,两者在中孔范围孔隙结构的差异最为显著;微焦点CT扫描所表征的孔径优势区间内,孔隙结构非均质性大体相同,差异在于孔隙数量;4)多手段联合表征煤体孔隙结构特征,可校正高压阶段煤基质的“压缩效应”和孔裂隙压缩破坏以及微孔、过渡孔测定时的“屏蔽效应”或因样品尺寸导致大孔及可见孔被忽略而导致分形维数产生的误差,是研究及评价气固耦合和瓦斯赋存、扩散及渗流的基础。