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。

系列尺度岩石结构面相似表面模型制作的逆向控制技术研究

制作与原岩结构面相似表面形态的模型试样是开展结构面力学模型试验的关键。基于不同尺度岩石结构面模型试样的制作特点,研制上、下盘完全吻合的系列尺度试样模具,并设计上、下盘吻合结构面试样的制作工艺,使得原岩结构面可以多次重复利用,提高原岩结构面的使用效率,降低取样成本和试验周期,实现在同一块结构面上不同尺度结构面模型的制作。利用表面形态相似性评价技术,验证制作工艺的可行性,结果表明,按照该逆向控制技术设计制作的模型试样,能复制出和原岩结构面表面形态一样、上、下盘结构面吻合度高的模型试样,符合制作不同尺度模型结构面的要求,可克服原岩结构面上下盘吻合度差、不能多种尺度取样的缺点,为开展具有真实表面形态的结构面抗剪强度尺寸效应试验研究提供了条件。

节理三维形貌参数的采样效应与峰值抗剪强度准则

采用TJXW-3D型便携式岩石三维表面形貌仪对3组不同形貌的节理试件进行形貌测试,采用不同的采样间距获得形貌坐标的三维离散点数据。采用节理形貌描述方法计算节理的三维粗糙度,其值随采样间距的增大而逐步减少、最终趋于稳定,与采样间距呈对数函数的关系。根据3组节理在5级法向应力下的直剪试验结果,提出考虑采样间距影响的节理峰值抗剪强度公式,采样效应系数与采样间距呈幂函数关系。采用岩石节理的直剪试验结果对所提公式进行验证,计算值与试验值较吻合。

大型岩板酸蚀裂缝导流能力及激光扫描物模试验

目前国内外对酸蚀裂缝导流能力的试验研究设备所用岩心尺寸过小,酸蚀距离有限,所得结果仅能反映近井地带酸液重复刻蚀的情况,对于预测酸蚀裂缝整体导流能力不够准确,无法考察酸液非均匀刻蚀对酸蚀裂缝导流能力的影响。针对这一情况,自主研制形成了模拟裂缝长度长达1 m的大型岩板酸蚀裂缝导流能力物模试验装置和大型岩板酸蚀表面粗糙度激光扫描测试仪,并形成了相应的试验技术。开展了不同酸液体系、酸液浓度、注酸排量和接触时间对酸蚀裂缝导流能力及岩板表面刻蚀形态影响的试验研究。试验结果表明:胶凝酸、变粘酸和转向酸3种酸液体系中,胶凝酸形成的导流能力最高;高质量分数酸液产生的导流能力在低闭合压力下较高,但随着闭合压力的升高比低质量分数酸液下降的速率更快;岩板表面刻蚀体积与酸蚀裂缝导流能力大小有较强相关性,整体上表现为刻蚀体积越大,导流能力越高。该项试验技术的形成对碳酸盐岩酸压设计的优化具有一定的指导意义。

扫描电子显微镜在岩矿分析中的应用

扫描电子显微镜对样品要求低、具有高分辨率和实时成像功能,由于可携带分析功能强大的各类附件,成为岩矿分析中常用的测试仪器之一。本文从岩矿分析的角度出发,详细阐述扫描电子显微镜在形貌观察、成分分析、组构分析和阴极荧光分析中的典型应用案例,证明其不仅能够拍摄高分辨率的样品微区形貌图、阴极荧光图以及具有清晰边界的多相矿物相图;同时可结合能谱仪、波谱仪、电子背散射衍射探头和聚焦离子束等附件及多种分析软件对矿物的二维分布、含量、颗粒形态等信息进行提取,以获得有关岩石、矿物的元素组成,变化规律及其赋存状态等更多信息。由于影响扫描电子显微镜测试结果准确性的原因较多,笔者将重点从制样问题说明,并给予相应的解决办法,以供使用者参考。

径高比对细砂岩压缩破坏特征及强度影响研究

以陕北榆神矿区河兴梁井田内的煤层顶板砂岩为研究对象,采用单轴抗压试验,对直径为50mm、径高比为0.5和直径为70mm、径高比为0.7的岩石试样进行了单轴压缩,分析了两种不同径高比完整岩石试件的峰后破坏形式以及端部约束效应在单轴抗压强度试验中对两种不同径高比试件试验结果的影响,验证了将直径为70mm、径高比为0.7的非标准形态岩样单轴抗压强度转换为直径为50mm、径高比为0.5的标准形态岩样单轴抗压强度时单轴抗压强度经验换算公式的适用性。试验结果表明:单轴压缩条件下,0.7径高比完整试件的破坏形态以压裂破坏为主,而0.5径高比完整试件的破坏形态则以剪切破坏为主;端部约束条件相同时,0.7径高比岩样经单轴抗压强度经验换算公式所得的计算值在一定范围内大于0.5径高比标准形态岩样实测单轴抗压强度值;对于细砂岩,将径高比为0.7的非标准形态岩样单轴抗压强度值转换为径高比为0.5的标准形态单轴抗压强度值时,上述公式具有较好的可靠性、可比性和适用性。