饱和煤样力学及损伤特征的加载速率微观作用机制研究

为探究煤层注水防冲解危后,工作面推进速率是否会对煤矿井下安全、高效生产造成二次影响,开展了不同加载速率下干燥及饱和煤样的单轴压缩试验,探究了饱和煤样的峰值强度、声发射能量及声发射的RA值与AF值、断口形貌、分形维数以及冲击倾向性特征的加载速率效应,揭示了饱和煤样损伤破坏特征的加载速率微观作用机制。研究表明:随加载速率增大,干燥及饱和煤样峰值强度先减小后增大,加载速率0.01 mm/s为导致强度转折的临界加载速率。不同加载速率下饱和煤样宏观破坏模式均为以剪切破坏为主的拉-剪复合破坏,最大声发射能量值先减小后增大,在临界加载速率时达到最小值。饱和煤样微观剪切裂隙占比先减小后增大,在临界加载速率达到极小值。饱和煤样破裂断口形貌由长槽状裂隙向完全不规则裂隙过渡,临界加载速率是大量不规则裂隙开始出现的转折点。随加载速率增大,饱和煤样破碎的小粒径煤屑质量占比减小,大粒径煤屑质量占比增大;干燥及饱和煤样分形维数均逐渐减小,拟合曲线满足幂函数规律,且饱和煤样较干燥煤样分形维数增大。随加载速率增大,干燥及饱和煤样的KE均存在先减小后增大的规律,在临界加载速率达到极小值。煤层注水对工作面冲击地压的抑制作用要高于加载速率对工作面的诱冲作用。在临界加载速率之前,随加载速率增大,饱水煤样微裂隙内部孔隙水压力增幅较小,贡献刚度小,竞争力较弱,而裂纹扩展速率增幅较快,竞争力较强;之后孔隙水压力增幅较大,贡献刚度增大,竞争力较强,而裂纹扩展速率相对增幅较慢,竞争力较弱。不同加载速率饱和煤样在孔隙水压力和裂纹扩展速率2个因素的相互竞争下,导致其力学及损伤特征规律呈现非线性特征。

含水煤样破裂过程中的声发射及分形特性研究

为了研究含水煤样破裂过程中的声发射及分形特征,以余吾煤业3#煤层煤样为研究对象,利用RMT-150C型岩石力学伺服试验系统和AE-win E1.86型声发射监测仪,分别对干燥、自然和饱和煤样进行单轴压缩下的声发射试验,对声发射计数序列进行了分形特征分析。研究结果表明:含水量的增加会造成单轴抗压强度的降低;3种状态煤样破裂过程中的声发射参数的演化过程大致相同,可以分为3个阶段,即初始声发射平静期、声发射活跃期和峰后声发射平静期;自然煤样与干燥煤样相比,声发射计数下降了49.95%,声发射累计计数下降了37.04%;饱和煤样与干燥煤样相比,声发射计数下降了77.48%,声发射累计计数下降了52.17%;干燥煤样、自然煤样和饱和煤样破裂过程中都具有分形特征,声发射计数分维值都会出现波动上升→突降→最大值的现象,这可以作为一种煤岩动力灾害预测的前兆信息。