真三轴路径下含瓦斯复合煤岩体渗流及力学破坏特性

深部开采扰动下“煤体-岩体”复合系统发生整体破坏失稳是导致煤岩瓦斯复合动力灾害发生的主要原因之一。为了研究煤岩瓦斯复合动力灾害发生机理,采用真三轴气固耦合煤岩渗流试验系统,以人工压制具有过渡界面的复合煤岩体试件为研究对象,进行了5种不同真三轴应力路径下含瓦斯复合煤岩体渗流特性及力学破坏特征试验研究。结果表明,真三轴路径下含瓦斯复合煤岩体强度符合Mogi-Coulomb准则,相比于其他试验路径,真三轴加载路径下试件强度最大,复合加卸载路径下试件强度次之,σ_(2)、σ_(3)发生转换时,试件强度显著降低;试件破坏时,真三轴复合加卸载路径下试件渗透率增长倍数最多,真三轴卸载路径次之,真三轴加载路径下试件渗透率增加倍数最少,σ_(2)、σ_(3)发生转换时试件渗透率显著增大;此外,复合煤岩体试件破坏特征具有规律性,真三轴加载路径下,σ_(1)-σ_(2)平面煤体中出现剪切裂纹,并在煤岩交界面处交汇,真三轴卸载和复合加卸载路径下,σ_(1)-σ_(2)平面上裂纹从煤体到岩体出现了跨界面扩展的现象,煤体中依然出现剪切裂纹,但是裂纹在煤岩交界面处交汇之后转变为拉伸裂纹延伸至岩体中,岩体出现劈裂破坏;当σ_(2)、σ_(3)发生交汇、转换,σ_(2)小于σ_(3)时,试件的2个侧面(σ_(1)-σ_(2)平面和σ_(1)-σ_(3)平面)均发生破坏,试件损伤状态相对复杂。

中间主应力影响下含瓦斯复合煤岩体变形渗流及能量演化特征研究

深部环境中,复合煤岩体处于三向不等应力状态,中间主应力的存在对煤岩体变形、强度特性及能量演化特征有着重要影响。本文利用真三轴气固耦合煤岩渗流试验装置,开展了不同中间主应力条件下含瓦斯复合煤岩体变形-渗流试验研究。结果表明:(1)随着中间主应力的增大,当达到峰值强度时,试件最大主应力方向应变呈现先增大后减小的变化,中间主应力方向应变和最小主应力方向应变之间的差值越来越大;(2)低中间主应力下试件中间主应力方向呈现出膨胀变形,中间主应力较大时,ε_(2)-Δσ曲线达到峰值后发生回弹,中间主应力方向最终表现为压缩变形;(3)随着中间主应力的增大,试件相对渗透率系数谷值降低,相对渗透率系数曲线峰值拐点与ε_(1)-Δσ曲线的拐点一致;(4)达到应力峰值时,试件总输入能量先增大后减小,与试件强度变化趋势类似,弹性应变能先增大后减小,耗散能持续增大,U_(e)/U先升高后降低,U_(d)/U先降低后升高。

复合煤岩受载破裂内部红外辐射温度变化规律

对由顶板岩、煤层、底板岩组成的复合煤岩体受载破裂内部的红外辐射温度的变化规律进行研究。分别在试样砂岩、煤样的中部不同方向钻孔,利用红外测温仪测量试样内部温度来研究其受载变形直至孔破裂过程中的红外辐射温度的演化特征。结果表明:复合煤岩在加载试验过程中均存在热弹效应和摩擦热效应。煤体裂隙面之间错动和摩擦产生的热量明显大于热弹效应产生的热量,导致内部温度上升0.17℃;而顶、底板砂岩的热弹效应起主导作用,温度升高分别为0.04,0.05℃。煤、顶底板砂岩的内部红外辐射温度和应变、应力和温度线性拟合后均呈较强线性正相关关系。

受载复合煤岩破裂表面红外辐射温度变化规律

为实现对煤岩动力灾害的非接触式预测预报,采用红外热成像仪,研究由煤和顶底板岩组成的复合煤岩与泥岩受载变形直至破裂过程中表面红外辐射温度的演化特征。建立煤、顶底板岩、泥岩温度与应力、应变之间的拟合方程。研究结果表明,复合煤岩和泥岩试样加载产生红外辐射的物理机制一致,均存在热弹效应和摩擦热效应。煤岩破裂失稳红外辐射前兆表现为阶跃式、台阶式上升趋势;加载速率增大,温度变化更加明显,与应力、应变成较强线性正相关关系,其中,煤样红外辐射温度变化最大,顶底板岩的红外辐射温度变化相对较小;泥岩红外辐射温度有阶跃式、突增型上升趋势,温度变化较煤岩明显,其与应力、应变的相关性稍高于煤样和顶底板岩。

复合煤岩受载破裂电磁辐射和红外辐射相关性试验

利用煤岩电磁辐射采集系统和红外测温仪,试验研究由顶板岩、煤层、底板岩组成的复合煤岩体受载破裂的电磁辐射信号及煤层内部的红外辐射温度。对复合煤岩体内部进行钻孔,利用红外测温仪研究试样内部红外辐射温度的演化特征,采用环形天线测量电磁辐射信号强度。结果表明:煤岩内部微观裂隙和宏观破裂均对电磁辐射及红外辐射信号产生明显影响,且其影响程度随载荷增强而逐渐增强;红外辐射主要来源于摩擦热效应与热弹效应,呈温阶跃式、突增型上升。两者呈现较强的相关性,决定系数均在0.8以上。

基于FLAC^(3D)的复合煤岩卸荷破裂数值模拟

针对不同开采条件下的煤岩力学特性不同的情况,采用FLAC^(3D)对复合煤岩模型在不同组合比、不同卸围压速率、不同物性参数的条件下进行三轴卸荷数值模拟,并在同种条件下对单一煤、岩模型进行三轴数值模拟对比,研究其在不同加载条件下轴向应力、偏应力等力学参数的变化趋势,并与现有试验结果进行对比讨论。结果表明:数值模拟过程中复合煤岩力学特性曲线均可分为5个明显阶段,后3个阶段与单轴加载相似,破裂后裂隙为"X"形;复合煤岩的物性参数介于单一煤、岩参数之间,力学特性具有二者共性但更接近岩体;卸围压速率不影响煤岩整体力学特性趋势,但其与承载强度成反比,围压对煤岩破裂有抑制作用;煤层占比与煤岩承载能力和刚度成反比,但不影响整体力学特性趋势,破裂后煤岩整体呈应变软化;单一改变复合煤岩煤样参数时,复合煤岩"加-卸"第一阶段时间随煤样体积模量和剪切模量的增大而加长,同时"加-卸"第二阶段时间减短,整体弹性模量增大,抗压强度变大,但更易破裂,主要对前3个阶段的力学曲线有影响;单一改变岩样参数,对复合煤岩模型的力学特性影响不大,对后2个阶段的力学曲线有影响。试验曲线与数值模拟趋势一致,表明所建模型具有一定的适用性与合理性。

受载复合煤岩变形破裂电荷感应变化规律

为有效提取煤岩动力灾害电荷感应前兆特征以提高其预测准确率,在0.1、0.3和1 mm/min等3种加载速率下对复合煤岩进行单轴加载破裂试验,采用自主研制的新型电荷传感器检测电荷感应信号,研究复合煤岩变形破裂过程中电荷感应信号变化规律及机制。试验结果表明:复合煤岩失稳破裂前有明显的阵发性、不连续的电荷感应脉冲前兆信号;电荷感应信号随着加载应力水平的增加逐渐增强,在临近峰值应力前达到最强;当0.1 mm/min加载速率时,复合煤岩产生的电荷感应信号最强;复合煤岩煤样部分的电荷感应信号变化较顶底板岩体明显;复合煤岩破裂产生的电荷感应信号与其内部破裂、摩擦、热效应等因素有关。

复合煤岩变形破裂应力-电荷-温度耦合模型研究

为探究复合煤岩力学性质与电荷、温度信号内在联系,从大同忻州窑矿具有典型煤岩动力灾害特征煤层,提取顶板岩、煤样、底板岩按照1∶1∶1比例制备复合煤岩试样,采用0.1,0.3,1.0mm/min三种不同加载速率对煤岩试样进行单轴加载破裂实验,研究复合煤岩试样单轴加载变形破裂过程中电磁、电荷、温度信号变化规律。试验结果表明:电磁辐射脉冲、电荷感应、温度在复合煤岩试样失稳破坏前均出现明显的前兆变化特征;加载初期电磁辐射、电荷感应信号较弱,随着加载应力水平的增加,两个信号逐渐增强,在临近峰值应力前信号达到最强,具有较强的一致性,两者呈二次相关性,系数在0.8以上;相对于电磁辐射信号变化特征,电荷感应信号的持续时间较短,信号特征为阵发性的,当以0.1mm/min速率加载时,电荷感应信号最强,0.3,1.0mm/min速率加载时信号变化率随加载速率增大而增大;温度总体呈阶跃式、台阶式上升趋势,在峰值前达到最大值。结合复合煤岩破裂SET(stress-electricity-thermal)耦合模型,推导电磁辐射脉冲数与电荷感应电压之间的数学关系,构建了SCT(stress-charge-thermal)耦合模型。针对12组试样进行试验,数据拟合结果表明:SCT模型参数n,b′的数据拟合精度较SET耦合模型m,b稍高,复相关系数基本均在0.9以上,具有较高契合度。试样产生的电磁辐射、电荷感应及温度变化与自由电荷、内部微破裂、摩擦等因素有关。在煤矿现场电荷感应检测受干扰相对于电磁辐射要小很多,故可考虑采用SCT耦合模型对煤岩动力灾害进行预测预报。

基于FLAC^(3D)的复合煤岩受载破裂数值模拟及试验研究

采用FLAC^(3D)对复合煤岩模型的单轴压缩破裂进行数值模拟及试验,研究复合煤岩受载破裂应力与应变关系变化规律。针对煤样厚度、复合煤岩组合比、煤层参数、顶底板岩性等参数,对复合煤岩模型进行加载仿真研究,仿真及试验结果表明:单一煤样模型随着高度的减小,应力应变曲线整体阶段存在尺寸效应;改变煤岩组合比例时,其抗压强度基本不变,随煤样比例增大,复合煤岩的整体弹性模量减小,整体刚度减小;单一改变复合煤岩的煤样参数时,随煤样弹性模量增大,复合煤岩的弹性模量越强,应力应变曲线峰值点越高,对应应变越小;单一改变顶底板岩性,对复合煤岩模型的应力应变曲线影响不大。试验结果和仿真结果变化趋势一致,表明所建模型具有一定正确性和适用性。

厚度效应对含瓦斯复合煤岩体力学特性及破坏形式的影响

为了解厚度效应对复合煤岩体的影响,考虑了瓦斯及顶底部砂岩的作用,通过改变原煤与顶底部砂岩的厚度配比,运用含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置,研究了厚度效应对复合煤岩体的力学特性及破坏形式的影响。结果表明,复合煤岩体的三轴应力应变曲线与全煤样有很好的一致性,其三轴抗压强度较原煤有一定程度的增强;顶部砂岩与原煤厚度比落入1.00~1.20极值区间的复合煤岩体,易出现三轴抗压强度极值,且远离极值厚度比的三轴抗压强度均有不同程度下降;当厚度比接近1.00时,易出现峰值体积应变。当体积应变接近时,厚度比落入极值区间内的煤岩体强度较大。复合煤岩体的破坏以单斜面剪切破坏为主,且大部分为非完全破坏;中部原煤会产生多种形式的破坏,厚度比落入极值区间内的复合煤岩体,其煤体破坏以单斜面裂隙或垂直裂隙形式破坏,且三轴抗压强度要高于其他裂隙形式破坏。

复合煤岩变形破裂温度-应力-电磁多场耦合机制

煤岩动力灾害中各个物理场演化非常复杂,结合损伤力学、电磁场理论等交叉学科理论,推导了复合煤岩变形破裂温度场、应力场、电磁场多物理场耦合数学模型,建立了多场仿真模型,对煤岩受载变形破坏过程中这3个物理场的变化规律进行数值模拟,并进行实验验证研究。仿真结果表明:复合煤岩内部应力突变,微观角度而言,旧分子链断裂形成新的分子链,释放热量,同时,带电粒子在区域电场的作用下变速运动产生电磁辐射。宏观而言,煤体的抗压强度弱于岩体,煤岩体内出现裂隙,煤体应力、温度和电磁场能量明显高于岩体,在裂隙尖端应力和温度最大,磁场能量跟随仿真加载时长增加不断增强,磁感应强度沿逆时针旋转,由内向外不断衰减。在相同条件下的实验结果表明:复合煤岩内部红外辐射温度随应力的增长呈现阶梯型上升趋势,在应力峰值附近温度达到最高。电磁辐射在加载初期缓慢增长,在应力峰值附近,电磁辐射突增至峰值,继续加载至煤岩破裂,电磁辐射急剧衰减直至消失。实验与仿真结果一致,利用力电热耦合模型可以研究复杂条件下煤岩受载的特性,为深部煤岩开采动力灾害预测预报提供理论基础和新方法。

动静载荷耦合作用下复合煤岩体的力学特性及破坏特征

为了弄清瓦斯爆炸与煤岩动力灾害下巷道失稳破坏的机制,利用MTS伺服压力机和霍普金森压杆系统,研究了复合煤岩体在静态和动态载荷下的破坏特征,以及煤岩厚度比例、煤岩组合角度和冲击方向对煤岩体力学性能和破坏形式的影响。试验采用高和直径均为50 mm的圆柱形试样,选取烟煤和砂岩为实验材料。试验设置的煤岩厚度比例分别为0∶1,1∶2,1∶1,2∶1和1∶0,煤岩组合角度分别为0°,15°,30°,45°,60°和90°。在动态冲击试验中,分别设置冲击煤样和冲击岩样2种载荷施加方向,来观察冲击方向对复合煤岩体力学性能的影响。研究结果表明:煤岩厚度比例越高,复合煤岩体的抗压强度和弹性模量越小;随着组合角度的增加,复合煤岩体的弹性模量逐渐增加,弹性模量最大的组合角度为90°,弹性模量最小的角度为0°;抗压强度先减小后增加,组合角度为45°时,抗压强度最小,组合角度为90°时,抗压强度最大。与冲击煤样相比,冲击岩样时复合煤岩体的抗压强度和弹性模量较大,极限应变略低。在单轴加载下,复合试样组合角度小于45°时主要以劈裂破坏为主,45°时劈裂破坏和压剪破坏并存,大于45°时为沿交界面的剪切破坏。在动态载荷下,45°角的应力-应变曲线由于煤岩接触面滑移没有出现回弹现象,且此时动态抗压强度最小。

受载复合煤岩变形破裂电磁辐射中频信号规律试验研究

采用自主研制的电磁辐射采集系统,深入研究受载复合煤岩变形破裂电磁辐射中频信号特性。在前置部分的天线和电缆之间加入巴伦,把从振子流过电缆屏蔽层外皮的高频电流截断,减小信号的传输损耗,提取电磁辐射信号,分析其在加载各个阶段的分布规律和特征。结果表明:复合煤岩受载破裂释放的电磁辐射能量主要集中于500 k Hz^1 MHz中频段,电磁辐射信号整体与应力相关性较高,相关系数大于0.8。

层状复合煤岩的三轴力学特性研究

本文对单一煤岩及层状复合煤岩在三轴不等压应力状态下的变形特性和强度特性进行了较为系统的实验研究。

复合煤岩循环加卸荷红外辐射及能量演化特征

为了深入分析循环加卸荷过程中复合煤岩能量演化特征,以平庄煤业集团风水沟矿为研究对象,利用三轴试验机和长波热像仪对复合煤岩在不同加卸荷速率下进行循环加卸荷试验并实现红外辐射监测,得到复合煤岩在加卸了过程中各部分表面平均红外温度变化,研究了不同加卸荷速率下弹性能密度、耗散能密度随温度及轴向载荷变化的规律,确定了总能量、弹性能和耗散能与轴向载荷和红外辐射温度之间的拟合关系。结果表明,煤岩红外辐射温度变化分为起始升温、温度平稳、温度骤降和快速升温4个阶段,其中快速升温阶段各能量增长速率最大。总能量、弹性能、耗散能与轴向载荷、煤体红外辐射温度高度相关,可以采用非线性曲线较好地拟合。研究成果为采用红外辐射温度变化法来分析循环加卸载过程中煤岩能量演化特征提供了依据。

超高压水射流“横切纵断”防治复合煤岩动力灾害技术

针对高地应力、低透气性煤与瓦斯突出及具有冲击地压危险性煤层复合煤岩动力灾害防治的难题,研究了超高压水射流横向切割煤层、纵向切割预裂顶板防治复合煤岩动力灾害技术。理论分析了超高压水射流切割煤岩体机制,超高压水射流切割冲击煤岩体促使其内部产生剪切应力和拉伸应力,加速煤岩体内部裂纹产生与扩展,促使煤岩体沿轴向和径向发生破坏。揭示了超高压水射流防治复合煤岩瓦斯动力灾害原理,超高压水射流横切是指切割煤体卸压增透,纵断是指切割顶板卸荷消能。通过相似材料配比切割实验得到切缝压力100 MPa,喷嘴直径2.5 mm,钻杆旋转速度60 r/min,单刀割缝时间为10 min条件下,切缝深度最大可达152 cm。数值分析表明钻孔内割缝间距为2 m和割缝钻孔间距为8 m时,卸压增渗效果较好。综合分析确定超高压水射流横切煤层纵断顶板合理工艺技术参数,并应用于中煤新集二矿220108工作面灾害防治实践:切割煤体后单孔平均抽采纯量较未割缝钻孔提高3.5倍,煤层透气性系数较未割缝区域提高30倍,瓦斯抽采达标时间缩短38%,煤体支撑压力降低35%;切割顶板后工作面支架阻力分布在20~25 MPa,厚层坚硬顶板均匀垮落,未出现高能量远场动载荷冲击采场现象,表明超高压水射流切割煤岩体显著降低远、近场应力载荷,减弱煤岩瓦斯复合动力灾害的发生。

煤岩瓦斯复合动力灾害监测预警与防控技术研究进展

煤岩瓦斯复合动力灾害是深部煤炭开采的重大安全隐患,探明其致灾机理、发展监测预警及防控技术是防治关键。提出了煤岩瓦斯复合动力灾害防治“四面体”理论,即分别从灾害分类、灾害机理、灾害预警、灾害防控4个层面概述煤岩瓦斯复合动力灾害研究进展。总结了以能量释放主体、初始瓦斯压力、载荷条件为主的复合动力灾害类型划分依据;梳理了理论分析尺度和实验室尺度下的复合动力灾害机理研究进展,发现应力路径、微裂纹动态演化和煤岩赋存地质因素临界指标是致灾机理研究的关键;概述了以前期灾害前兆信息判识、中期灾害前兆信息采集、后期灾害一体化监测预警为主线的复合动力灾害监测预警技术研究进展;揭示了复合动力灾害消能减灾一体化防控技术和多尺度分源防控关键技术科学内涵。在此基础上针对两淮矿区灾害特点,提出了深部强动载条件下复合动力灾害智能判识与预警方法和分区协同防控方法。基于当前研究进展,提出了煤岩瓦斯复合动力灾害研究亟待解决的问题,助力实现深部煤炭安全、精准、高效开采。

循环载荷作用下煤岩复合结构宏-细观破坏特征及能量-损伤本构模型

煤炭深部开采过程中,周期性开采扰动行为会使邻近煤层的煤岩复合结构承受循环载荷的作用,因此,研究不同循环载荷作用下煤岩复合试样的力学响应行为及宏-细观失效特征具有重要工程意义。选取3种不同的加(卸)载速率,开展了2种循环加卸载路径下的单轴循环压缩试验(同步测定声发射信号),分析了煤岩复合试样的损伤失效特征;基于能量耗散原理,构建了煤岩复合试样在循环载荷作用下的能量-损伤本构模型,最后结合试验实测数据进行验证。结果表明:加(卸)载速率与复合试样的峰值强度呈正相关,当加(卸)载速率从0.05 mm/min增大到0.15 mm/min时,恒定下限逐步循环加卸载路径(路径I)、变上下限等幅循环加卸载路径(路径II)下,试样的峰值应力分别增加了22.44%和28.89%;高加(卸)载速率下,试样的内部裂纹扩展越快,煤岩复合试样中煤组分的破碎程度加剧,分形维数随之增大,试样的内部裂纹扩展越快;随着加(卸)载速率的增大,煤组分中沿基质破坏增多。循环分级跨度大的路径(路径I)有助于试样内部的应力传递,为试样内部裂纹的发育提供了有利条件,导致对应试样的破坏程度更高。试验曲线和能量-损伤本构理论曲线具有较强的一致性,表明所建的能量-损伤本构模型能够很好地描述煤岩复合试样在循环加卸载过程中的变形行为。

煤岩复合体水力压裂裂缝穿层扩展实验研究

为进一步研究煤岩复合体水力压裂过程中裂缝的穿层扩展规律,开展了真三轴煤岩复合体水力压裂实验,通过改变应力差、压裂管的布置方向及注水点位置来比较裂缝的扩展效果和起裂难度。研究结果表明:水压裂缝的扩展方向受制于最大主应力,当最大水平主应力与最大垂直应力接近时,裂缝沿应力的合力方向扩展;应力差的增大有利于水压裂缝的穿层扩展,且穿层后的扩展距离增大,而对初始起裂压力和时间的影响较小;裂缝由岩层扩展进入煤层后,压裂压力会出现骤降与二次抬升,多数声发射事件位于煤层;若穿层失败,压力表现为持续波动。此外,在岩层中以垂直于交界面的方向布置压裂管,注水起裂点设在岩层中起裂难度较低,且穿层扩展后在煤层中形成的裂缝渗流通道较为完整,为工程中煤层增渗与顶板致裂卸压的应用提供理论基础。

基于黏聚力单元的煤岩复合体水力压裂裂纹扩展规律研究

为分析煤岩复合体中水力裂缝扩展路径及演化规律,从应力场、煤岩交界面强度以及煤层层理倾角出发,基于黏聚力单元法建立了煤岩复合体水力压裂模型,分析了不同工况下煤岩复合体水力裂缝扩展规律。研究结果表明:煤岩复合体水压裂缝在上覆岩层中起裂后,随着垂向与水平应力差的逐渐增大,水力压裂裂缝受应力场的控制作用越来越显著;煤岩交界面强度较小时,水力裂缝在交界面中难以形成水压聚集达到煤层的开裂条件,煤岩交界面强度较大时能够在煤岩交界面中扩展一定距离并完成憋压,当压力达到煤层开裂条件时水压裂缝穿越煤岩交界面并诱导煤层起裂扩展;在煤层层理倾角30°条件下水力裂缝沿主应力方向形成主裂缝并沿层理方向形成次生分支裂缝;在不同地质条件下,应力场、煤岩交界面和煤体层理对水力裂纹的控制作用不同,可结合三者对水力裂纹的控制作用使其形成复杂的裂纹网络结构。