基于能量原理不同含水率下煤岩体变形破坏能量损伤演化机制

为探究不同含水率下煤岩体在变形破坏过程中的能量演化规律与损伤演化特征,对双马一矿煤岩体开展了在不同含水率条件下单轴压缩试验,基于能量计算及最小耗能原理,分析不同含水率下煤岩体能量耗散特征及损伤演化机制,结果表明:不同含水率下煤岩体力学性质不同,峰值应变与含水率呈正相关,抗压强度、弹性模量与含水率呈负相关;煤岩体含水率越高,其在峰值处弹性应变能及破坏吸收总应变能越小,耗散能占总应变能比例越高;基于最小耗能原理建立的损伤本构模型表明:随着煤岩体含水率增加,损伤门槛值逐渐降低;干燥状态下,煤岩体在应力峰值处损伤变量分别为0.36、0.28,当含水率增至自然状态时,煤岩体在应力峰值处损伤变量值分别下降0.09、0.18,但当含水率增至饱水状态时,煤岩体在应力峰值处损伤变量值反而分别大幅度上升0.102、0.49,总体呈先减后增的发展趋势;进一步建立了不同含水率煤岩损伤应变能释放率演化模型,低含水率煤岩较干燥煤岩的最大损伤应变能释放率大幅度下降,降幅分别为45.61%、31.29%,而随着含水率增加至饱水状态,其最大损伤应变能释放率增大幅度较平缓,分别为3.08%、8.80%,表明煤岩破坏剧烈程度并未大幅度增加。研究成果对煤岩矿柱水害预测评价与岩石损伤评估具有一定参考意义。

三维静载与循环冲击共同作用下组合煤岩体力学特性试验研究

为进一步研究循环冲击载荷下煤岩体的力学特性,以岩-煤-岩结构试样为研究对象,利用改进后霍普金森压杆试验系统,开展三维静载与循环动态冲击试验,研究冲击入射能及围压对岩-煤-岩结构试样的强度、变形及破坏特征的影响。研究结果表明:相同围压下,总循环次数随冲击入射能的增加而逐渐减少;相同入射能下,总冲击次数随围压的增大而增加;相同围压下,平均应变率随着冲击次数、冲击入射能的增加而逐渐增加;相同入射能下,围压9 MPa时应变率较低且前期增长幅值较为缓慢,围压3 MPa时应变率较高且增长速度较快;峰值应力、变形模量随入射能增加而逐渐递增,随冲击次数增加而逐渐递减;相同入射能下,峰值应力及变形模量随围压的增大而增加;相同围压下,峰值应力与应变率呈幂函数递减,变形模量与应变率呈线性函数递减;循环冲击下,煤岩体破碎程度明显高于单次冲击,破坏主体是煤,破坏形式为剪切-拉伸复合破坏,并且具有明显的率相关性,随着冲击入射能的增加或者围压的减少,煤碎块尺寸较小且块数较多。研究结果可为深部煤岩体动力灾害控制提供理论参考。

冲击载荷作用下组合煤岩体动态力学特性研究

在地下工程开挖过程中,一系列层状岩体的动态损伤与破坏是造成重大地质灾害的关键因素。以多层组合煤岩体为研究对象,基于SHPB试验系统,研究在低速/高速冲击、不同组合顺序、有/无围压状态下5层组合煤岩体的应力、应变、应变率时程动态变化以及应力-应变动态变化规律,得到高速冲击作用下组合煤岩体的应力、应变时间动态分布规律,对揭示动力灾害的发生机理具有重要意义。

煤岩体损伤破坏演化规律试验研究

为了研究煤岩体的损伤破坏特征,采用配制的标准型煤试样开展单向加载条件下煤岩试样的表面损伤统计试验,结合数字图像技术研究煤岩体的损伤破坏演化过程,分析散斑损伤变化、瞬时应变、应变变化和损伤破坏之间的关系。结果表明,试样表面损伤破坏过程分为4个阶段:压密阶段、弹性变形阶段、峰值应力阶段、峰后破坏阶段。对3个类型的煤样损伤破坏产生的裂隙进行分析,发现沿x、y和xy 3个方向上的应变增加规律较为相似,其中沿y方向上和沿xy方向上的变化均表现不明显,沿x方向上的变化明显且与损伤的增加趋势相近,说明沿x方向的应变变化是煤样损伤破坏的主要因素,且不同的发育阶段损伤累积增加导致裂隙的发育程度也不同,最终形成煤样表面的不同破坏类型。

瓦斯抽采钻孔孔周煤岩体损伤破坏试验

为研究瓦斯抽采钻孔蠕变失稳特性,采用数字散斑系统观测孔周煤岩体裂纹在扩展过程中的损伤破坏及蠕变过程,得到孔周煤岩体的损伤演化及蠕变力学特性规律。将煤样破坏分为缓慢型、间断型和瞬间破坏型,3个类型的煤样损伤破坏产生的裂隙主要由沿x方向应变引起,其中在不同的发育阶段损伤累积增加导致裂隙发育程度也不同,最终形成了煤样表面的不同破坏类型。在恒载应力下,随着蠕变时间推移,煤岩体的变形能力、变形空间都逐渐减弱,映射了现场的孔周煤岩体的抗压抗变形能力与蠕变时间的关系。

急倾斜煤层开采速度对煤岩体的扰动规律分析

急倾斜煤层由于其赋存环境复杂,煤岩体所受推进速度的扰动效应明显。为掌握不同推进速度下煤岩体应力、能量演化规律,构建急倾斜煤层开采的数值模型,统计分析不同推进速度下微震能量-频次、产量、回采率等特征,并基于推进速度与卸压力度耦合作用关系确定合理的推进速度。数值模拟结果表明,随着煤层开采后岩柱发生弯曲撬动,在靠近B1+2煤层顶板处形成高应力集中及高能量积聚区域,随着推进速度增大,岩柱内高应力集中及高能量积聚程度均升高,岩柱弯曲撬动效应愈明显。微震监测结果表明,随着推进速度增大,微震事件频次、能量增大,煤岩体受扰动程度增强,产量增大但回采率降低,煤炭损失增大。基于推进速度与卸压力度的耦合分析,提出单日产量/单日炸药使用量K值,得出推进速度为3.2 m/d时,K值最大,降低和提高推进速度K值均减小,即在保证卸压安全的情况下,可以适当提高推进速度。研究结果可以为急倾斜煤层推进速度的确定提供一定的参考。

积水采空区破碎煤岩体渗流特性试验研究

掌握积水采空区破碎垮落带煤岩体渗流规律对矿井瓦斯安全高效开采至关重要。利用气水两相可调控流动试验系统,采用稳态渗透法开展了积水采空区破碎煤岩体应力-渗透率试验,得到了不同块径、不同积水量条件下渗透参数随轴向载荷的变化特征,揭示了积水采空区破碎煤岩体渗流规律。结果表明:煤样应变随着载荷应力的增加逐渐增大;相同积水量条件下,不同块径煤样渗透率随着载荷的增大呈指数式递减;相同块径条件下,不同积水量的煤样渗透率随载荷的增大呈减小的趋势,且随着载荷的增大,积水量对渗透率的影响逐渐减小。

注浆加固在破碎煤岩体中的应用与研究

破碎煤岩体注浆加固对控制围岩稳定具有重大意义,分层注浆效果检验是检测注浆工程合格的重要环节。通过设计分层注浆方案,选择合理的注浆材料、注浆压力以及注浆量,从浆液填充率、钻孔电视探测、分段注水、巷道检测4个方面进行注浆效果检验。结果表明,分层注浆工艺裂缝的浆液填充率可达90%以上,孔隙率低于10%,填充效果优于传统注浆工艺。

基于DA-DE-SVM智能模型的煤岩体SC-CO_(2)压裂效果预测

煤岩体压裂效果是超临界CO_(2)(SC-CO_(2))压裂工程设计的主要依据。为准确预测煤岩体SC-CO_(2)压裂效果,基于多孔相向裂缝动态扩展模拟,筛选确定影响煤岩体SC-CO_(2)压裂效果的6个地质因素和4个施工因素,提出了一种集成支持向量机(SVM)、蜻蜓算法(DA)、差分进化算法(DE)的混合人工智能模型,利用支持向量机构建SC-CO_(2)压裂效果与其影响因素之间的关系,并利用蜻蜓算法、差分进化算法联合优化支持向量机的超参数。以相关系数、均方根误差、平均绝对误差为评价指标对混合人工智能模型性能进行了评估,并采用MIV方法对模型输入变量进行了敏感性分析,结果表明:本文提出的DA-DE-SVM智能模型能很好预测煤岩体SC-CO_(2)压裂效果,其训练集的R值为0.9572,测试集的R值为0.9316。SC-CO_(2)压裂效果影响因素的重要程度从高到低依次为:相邻压裂钻孔水平距离>垂直地应力>压裂液注入速率>相邻压裂钻孔垂直距离>煤体抗拉强度>水平地应力>压裂液温度>煤体渗透系数>煤体初始孔隙压力>煤体弹性模量。研究成果可为SC-CO_(2)压裂工程参数优化设计及工程应用提供重要指导。

采空区破碎煤岩体溶蚀作用及净水机理实验研究

开展地下水库采空区破碎煤岩体溶蚀作用及净水机理研究,是实现矿井地下水库安全高效运行的关键。本文以锦界煤矿31409工作面开采形成的地下水库为工程背景,选取采空区破碎煤岩体及去离子水进行污染物释放规律实验研究,分析了采空区破碎煤岩体溶蚀作用规律,探究了破碎煤岩体对水体特征影响机理,获得了破碎煤岩体在不同温度、风化条件下污染物释放规律,并分析了地下水库净水过程中的沉淀溶蚀作用。溶蚀作用及岩体中黏土矿物表面对可溶性有机质的吸附、沉淀作用等水岩作用决定了地下水库净水特征,在不同的时间范围里,溶蚀作用和吸附沉淀作用各自占主导作用,影响矿井水质。

煤岩体双孔爆破应力波及裂纹扩展叠加效应分析

针对煤岩体松动爆破施工中炮孔间距和爆破方案选择的问题,根据岩石动力学及爆破理论计算了双孔爆破裂隙区贯通的炮眼间距,并采用LS-DYNA分析了双孔爆破应力波及裂纹扩展叠加效应对炮孔间距和爆破方案的影响。结果表明:双孔同时爆破,炮孔间距3.4 m(单孔爆破裂纹半径的2倍)时,炮孔间的裂隙区不能全部贯通,炮孔间距2.5 m时,炮孔间的裂隙区才能够全部贯通;微差爆破,炮孔间距3.4 m时,由于先爆炮孔周围裂隙区的裂纹在后爆炮孔应力波的叠加作用下发生明显的二次扩展,炮孔间的裂隙区能够基本贯通,而炮孔间距3.0 m时,炮孔间的裂隙区能够全部贯通并覆盖钻孔间全范围;现场采掘面进行松动爆破时,炮孔间距一般应小于单孔爆破裂纹半径的2倍(炮孔同时爆破约取单孔估算炮孔间距的70%,微差爆破约取单孔估算炮孔间距的90%),才能保证松动爆破效果;微差爆破与炮孔同时爆破相比,不但能保证爆破效果,而且还可以减少炮孔数量和爆破材料用量,是优先选择的爆破方案。

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。

基于矿井物理模型构建的煤岩体相似材料物性参数分析

为研究煤岩层地质异常体的地球物理响应特征,本文基于矿井工作面煤岩层结构,构建煤岩隐蔽致灾异常体实体物理模型,并进行相似材料模拟实验。通过均质设计和正交设计方法,用煤粉、砂子和水泥对山西某矿区的煤层、顶板、底板、陷落柱和断层的相似材料配比及其波速、电阻率、介电常数等物性参数进行了实验测试。研究结果表明材料对物性参数的影响规律如下:相比于煤粉和砂的含量,水泥含量是影响波速的主要因素;介电常数与电阻率受材料含水性的影响较高,含水率越高电阻率及介电常数呈降低趋势,实验测得的地质结构物性参数响应特征与其实际地球物理响应规律基本一致。实验数据、煤岩样和原位探测结果对比分析可知,各地质结构单元的最佳充填配比如下:煤层配比选用煤粉、砂和水泥含量为61.11%、11.11%和27.78%;顶板选择砂胶比2:1,石膏水泥比2∶8;底板选择砂胶比3:1,石膏水泥比4:6;断层选用砂75%、石膏10%、水泥15%;陷落柱选用砂66.7%、石膏6.67%、水泥26.6%。本次重点研究了各种地质构造物理模型的材料配比及其物理性质,可为后续模型构建提供数据支撑,对地球物理方法的应用及技术示范提供了良好的实验平台。

高温煤岩体电性特征及地球物理数值模拟研究

为指导煤田火区地球物理勘探技术,判断煤火发展的阶段,精准识别隐蔽火区边界,通过分析岩石的导电机理、狭义的煤岩体电性特征,有针对性地展开煤及煤围岩高温电性研究。通过实验测试煤岩体在不同温度下的电阻值,总结出煤岩石电阻率随温度的变化规律及其影响机制;以数值模拟方法为手段,建立煤田火区地电模型并开展瞬变电磁(TEM)正反演计算。结果表明:煤的电阻率随着温度升高而减小,在高温阶段煤的含碳量是影响其电阻率的主导因素;干燥煤围岩的电阻率随温度的升高而降低,热动力条件下自由移动的载流子数量是影响其电阻率的主导因素;高温煤比高温围岩引起的瞬变电磁异常响应幅值大得多,瞬变电磁中心回线装置对于高温火区的耦合效果最佳,火区埋深越浅电性异常效果越明显。

分级加载下级配破碎煤岩体压实特性试验研究

采空区内垮落带可以看作由破碎的煤、岩颗粒组成的多孔介质,其自身应力以及空隙率等参数都会产生变化。为了研究不同载荷作用下破碎煤岩体的压实特性,以分级加载的方式对不同级配的破碎煤岩体进行单轴压实试验。结果表明:不同级配下,破碎煤岩体应力应变存在相关性。研究成果对煤炭开采中煤层漏风场特性研究、矿井围岩结构稳定性控制以及矿井安全高效作业等提供了重要的理论依据。

大倾角采煤破碎煤岩体不同胶结体注浆胶结性能分析

分析了某矿区1800工作面的实际冒顶片帮问题,研究了煤岩体承载规律,得出针对大倾角采煤破碎煤岩体不同岩体及不同注浆材料的胶结体注浆胶结性能。分析以为,整个胶结体中注浆材料形成结构起主要作用,岩体起到辅助作用,为类似煤层开采提供一定的理论指导和帮助。

采动煤岩体瓦斯通道形成机制及演化规律

为了研究采动煤岩体瓦斯通道形成机制及其演化规律,运用断裂力学和岩石力学相关理论,结合煤岩体裂隙发育特征将工作面前方煤岩体瓦斯通道分为孤立通道区、张裂破坏区、剪切破坏区及支承压力峰值后破坏区,提出前3区域属于细观流动通道,第4区域属于宏观流动通道;研究了采动过程中煤体顶板变形受力特征、裂隙发育规律及通道导通特性,进行了顶板宏观瓦斯通道的分区:瓦斯紊流通道区、瓦斯过渡流通道区和瓦斯渗流通道区,结合实验室模拟分析了上覆煤(岩)层瓦斯通道发展变化过程,其经历了卸压、失稳、起裂、突变张裂、吻合缩小、加速闭合、通道维持、再次加速闭合直至完全被压实闭合的过程。

煤岩体钻孔结构观测方法及应用

介绍了煤岩体结构观察与测试方法,煤矿井下采用的光导纤维钻孔窥视仪、前视电子钻孔窥视仪及数字式全景钻孔摄像系统的测试原理、仪器结构及特点。提供了在典型矿井获得的钻孔观测结果及图像,分析了煤岩体中钻孔形态及结构面分布特征。介绍了钻孔观测结果在采矿工程中的应用,包括煤岩体结构面分布与完整性评价,水压致裂地应力测量,采场顶板冒落与岩层移动研究,巷道围岩变形与破坏机理研究,巷道支护与加固设计,工程质量检测与支护加固效果评价等方面。实践证明,钻孔摄像与观测是一种能够直观、有效、快速观测钻孔形态及其变化的手段,为矿山压力与岩层控制研究,采矿工程设计、施工与质量检测提供了可靠的基础数据。最后,针对钻孔观测存在的问题,提出了改进建议。

煤岩体拉伸失稳破坏电荷感应规律研究

为研究不同类型煤岩试样拉伸破坏过程自由电荷运移规律,以巴西圆盘劈裂试验为基础建立煤岩拉伸失稳破坏全程电荷监测系统。试验中分别对砂岩、泥岩及煤体拉伸失稳动态破坏过程进行实时电荷监测,得到煤岩体拉伸破坏过程中的力学特征和自由电荷运移规律。研究结果表明:煤岩体拉伸过程中有自由电荷产生,电荷信号异常区域对应于煤岩劈裂试验中应力突变阶段,煤体拉伸破坏所产生的自由电荷相对于砂岩、泥岩更为丰富,煤体断裂后的残余强度依旧使得电荷信号有较大波动,而砂岩、泥岩试样断裂后的残余强度却使得电荷信号波动较小。煤岩体拉伸与压缩破坏电荷感应规律不同,拉伸失稳破坏过程中拉应力造成裂纹扩展进而导致损伤局部化是电荷信号异常的重要原因之一。