THE IMPACT MECHANICAL PROPERTIES OF COAL CONTAINING GAS1)

为得出含瓦斯煤体的冲击力学特性,采用类单轴压缩试验方法,对吸附瓦斯压力在0 MPa, 2 MPa, 4 MPa, 6 MPa等情况下的煤样力学特性进行了研究。研究得出：随着吸附瓦斯压力的增大,煤样的抗压强度、弹性模量、冲击能指数均近似线性降低,峰值应变近似线性增大。随着吸附瓦斯压力的增大,煤体的破坏类型由脆性向延性破坏转变,破坏的分选性增强。吸附瓦斯的作用加速了煤体失稳破坏的进程,并使煤岩瓦斯动力灾害类型呈现由冲击地压主导型向煤与瓦斯突出主导型转变的趋势。     

深部煤层瓦斯对煤力学性质影响规律研究

针对深部高瓦斯煤层复合动力灾害的特点,以阜新五龙矿高瓦斯煤样为研究对象,通过"煤岩渗透试验台-三轴渗透仪"试验装置,对比分析孔隙压力、峰值强度、弹性模量与瓦斯含量的相互关系,研究瓦斯对煤力学性质的影响规律。结果表明:浅部低瓦斯煤层瓦斯含量与孔隙压力之间符合Langmuir方程,深部高瓦斯煤层瓦斯含量与孔隙压力之间符合幂函数关系;煤体中的瓦斯的游离与吸附两种状态在一定温度和瓦斯压力下保持动态平衡,随瓦斯含量的增加,煤体中游离瓦斯量呈线性增加,煤体峰值强度随之降低;围压很低时,弹性模量与瓦斯压力之间近似呈线性关系,围压较大时,呈非线性关系,弹性模量随瓦斯含量增加而降低,瓦斯压力越大,弹性模量降低越多。     

高压水射流冲击下煤体破碎强度的确定

基于球形空腔膨胀理论，将煤体在高压水射流冲击下的动态力学响应分为破碎区、裂纹区、弹性区，并分析了各区的力学特征，在此基础上得出了高压水射流冲击下煤体的破碎强度(即高压水射流发生破煤现象的最小冲击压力)的计算公式。将理论计算结果与实验和数值模拟进行对比分析，结果表明：煤体在相同力学参数条件下，数值模拟和模型实验得出的高压水射流破煤压力为15～20MPa，本文理论推导得出的煤体破碎强度(最小破煤压力)为17.86MPa，二者误差小于16%。     

含瓦斯煤单轴压缩的尺度效应实验研究

含瓦斯煤与其它岩石类材料一样,在力学特性等方面具有尺度效应。利用特制的饱和加压装置和电子万能试验机,对不同尺度、不同饱和瓦斯压力下的煤样进行了单轴压缩试验,探讨了煤样变形破坏及强度特性的变化规律。分析表明,煤样抗压强度、弹性模量随瓦斯压力的增大而减小,抗压强度随高径比的增加明显减小,弹性模量随高径比的增加略有提高。利用Weibull模型和线弹性强化理论对含瓦斯煤产生尺度效应的原因进行了合理地解释,为含瓦斯煤样尺度效应在强度表征等方面的深入研究提供了新的实验和理论依据。     

煤在瓦斯一维渗流作用下的初次破坏

作者观察了煤在瓦斯一维渗流作用下的初次破坏,发现破坏煤体呈球冠状;临界破坏瓦斯超压取决于卸载条件,煤型的强度、半径和长度,以及煤型所受的侧压,但与瓦斯吸附特性无关。对实验例进行了数值分析,结果表明煤体的破坏属于拉伸破坏;卸载速率的增高,侧向围压的减小与煤型几何半径的增大将使得煤体在瓦斯渗流作用下更易于破坏。     

ACOUSTIC EMISSION AND FRACTAL CHARACTERISTICS OF COAL ROCK SAMPLES UNDER TRIAXIAL COMPRESSION

为了研究煤样在不同围压下的声发射及分形特征,利用RMT-150C 型岩石力学伺服试验系统和CDAE-1 型声发射检测仪对煤样试样在不同围压（5MPa,10MPa,15MPa） 进行了实验研究. 对煤样试样的声发射计数和累计计数以及声发射序列的分形特征进行了对比研究. 研究结果表明：不同围压下煤样的声发射特性具有一定的差异性,围压越高前兆信息越明显. 不同围压下煤样都具有分形特征,随着围压的增大,分形特征有所增强. 煤样在失稳破坏过程中声发射序列的分形维值都会出现一个波动-上升-突降的过程,提出可以作为煤样体失稳破坏的前兆信息.     

含水率对煤与瓦斯突出能量转化影响试验

为获得煤层注水对煤与瓦斯突出弱化的影响规律,以阜新孙家湾煤矿埋深1100m突出煤层为研究对象,建立了煤与瓦斯突出能量转化模型,并利用自主研发的煤与瓦斯突出模拟试验系统,进行了含水率对煤与瓦斯突出试验影响研究,分析了煤样含水率与临界孔隙压力、突出强度、能量转化率之间的关系。试验结果表明:孔隙压力是煤与瓦斯突出的主要动力源,煤样含水率与临界孔隙压力间呈指数关系递增。煤样含水率由0%增加到3%、6%时,相对突出强度分别降低了5.67%、1.2%,随煤样含水率增加,相对突出强度与绝对突出强度将逐渐降低。瓦斯内能是影响煤体突出能量大小的关键因素,与突出孕育和突出激发过程均密切相关。随含水率增加,突出孕育能量和突出激发能量均线性增加,但突出能量转化率线性减小,不易发生煤与瓦斯突出。     

有机/酸复合溶液化学作用下低煤阶煤体破坏微观机制研究

为了探讨有机/酸复合溶液化学作用对煤体物理力学特性的影响,采用扫描电镜、粉晶X射线衍射、压汞实验和力学性能测试等手段,对经有机/酸复合溶液浸泡前后的煤样表观形貌、矿物质含量变化、内部孔隙结构及单轴抗压强度进行表征。分析煤的微观结构随时间变化规律,得出有机/酸复合溶液破坏煤体的微观机制,并通过单轴压缩实验验证煤样微观破坏机理。结果表明:经有机/酸复合溶液浸泡48h后,煤样表面的孔隙尺寸大于10μm,大部分表面被溶蚀成小于1μm的小碎屑颗粒;方解石、白云石和黄铁矿的溶解率为54.54%、36.36%、34.29%,伊利石、高岭石、蒙脱石的含量增加了51.74%、60%、40%,石英几乎不反应;煤样孔径分布曲线随时间增加,逐渐由单峰分布变成双峰分布,煤样微孔体积减少了69.01%,大孔体积增加了72.85%;煤样弹性模量为377.2MPa,峰值强度为4.02MPa,达到峰值强度时,应变值为21.61%。煤样与有机/酸复合溶液之间的化学作用可从微细观上改变煤样的矿物组成与结构,使其产生孔洞、孔隙等,增加其孔隙率,影响其渗透率,进而改变其峰值强度和弹性模量等宏观力学性质。     

SDS水溶液作用下低煤阶煤体物理力学特性及损伤实验研究

为了探究SDS水溶液对低阶煤煤体物理力学特性的影响及损伤程度,采用十二烷基硫酸钠(SDS)水溶液为有机溶液,以低煤阶煤体(阜新长焰煤)为研究对象,通过电镜扫描、压汞实验、纵波波速实验和单轴压缩实验,对SDS水溶液浸泡前后煤样的微观孔隙结构、孔隙率、纵波波速、峰值强度及弹性模量进行表征,分析煤样在SDS水溶液作用下物理力学特性随浸泡温度的变化规律,并建立了SDS水溶液作用下受荷载煤样的损伤演化模型,探讨煤样损伤机制。结果表明:(1)经SDS水溶液作用后,煤样微观孔隙分布不均匀,孔隙率随浸泡温度增加而增加,在55℃时,孔隙率为57%,比原煤样孔隙率增加了46%;煤样纵波波速、峰值强度和弹性模量均随浸泡温度增加而降低,在55℃时,纵波波速、峰值强度和弹性模量分别为571m/s、6.73MPa、356MPa,比原煤样分别降低了416m/s、5.12MPa、1129MPa;(2)SDS水溶液与荷载的共同作用加剧了煤样的总损伤程度,表现出明显的非线性特征,煤样损伤在微观上表现为矿物质组成与结构的改变过程,宏观上表现为煤样力学强度的降低及抵抗破坏的能力减弱;(3)运用新的浸泡实验结果验证所提出的损伤演化模型,实验结果与损伤演化模型十分吻合,相关系数R~2=0.999,由此可见,该损伤演化模型具有良好的可靠性。     

冷加载作用下不同围压煤样结构损伤规律研究

煤体孔隙、裂隙结构是影响煤层气存储能力和渗流能力的主要因素,煤体结构损伤可以提高煤层气储层的渗透性。为了研究液氮作用下煤样结构损伤与围压之间的关系,通过将液氮注入钻孔煤实验装置系统对煤样施加0~7MPa围压,开展液氮注入不同围压煤样实验,揭示了不同围压下煤样结构损伤的规律。结果发现:(1)围压大于1MPa时,煤样结构损伤程度随围压的增加而增大;无围压条件下,煤样更容易发生损伤甚至破坏;(2)4MPa~7MPa围压下煤样结构损伤变化速率明显增加,1MPa围压煤样结构损伤不明显;(3)在温度应力与围压作用下,煤样的孔隙、裂隙体积在垂直层理方向扩展明显;冷加载对于煤样原生裂隙扩展效果显著。本文结果表明液氮冷加载作用可以使带围压煤样结构发生损伤。     

瓦斯渗流场作用下煤层抽放钻孔弹塑性解

为研究瓦斯渗流场作用下的煤层抽放钻孔周围应力分布情况,假定钻孔周围煤体中瓦斯的流动为稳定径向流动状态,建立了渗流力学模型,给出了瓦斯径向稳定渗流方程;在考虑瓦斯渗流场作用下,推导了钻孔周围煤体的微元体力学平衡方程,并引入应力调整系数,求解出其弹性应力解析解;再应用Mohr-Coulomb屈服准则,求解出钻孔周围煤体的塑性应力和塑性半径的解析表达式。通过实例分析表明:钻孔内的抽放负压对钻孔周围煤体应力、塑性区的半径等参数影响较小;在一定的抽放负压(15k Pa)下,随着煤层原始瓦斯压力的增大,钻孔周围煤体的塑性区半径随之增大,距钻孔足够远处的弹性区煤体的应力也随之增大,这比不考虑瓦斯渗流场作用时的经典弹塑性解更加符合实际情况。     

基于仪器化压入实验的煤体微纳尺度非均质力学响应特征

煤炭是我国的主体能源, 煤矿井下冲击地压、煤与瓦斯突出等灾害的频繁严重影响煤炭的安全生产. 煤体是典型的混合物, 其内部不同组分的力学性质差异较大, 使其在外部扰动的作用下容易产生内部应力集中, 导致煤体的失稳、破坏, 形成煤矿动力灾害. 本文以非均质煤体为研究对象, 利用微焦CT、扫描电子显微镜和纳?微米压入实验, 研究了煤体微纳尺度的非均质结构和力学性质, 实验研究结果表明: 煤体是有机物和多种矿物组成的混合物, 矿物以点填充、丝状填充和条带状侵入等结构存在于煤体有机物中, 不同的矿物填充或侵入区域中矿物含量和结构具有差异, 这导致煤体微纳尺度的物理力学性质具有非均质性; 纳米尺度压入实验可以捕捉矿物在有机物中的填充或侵入结构, 测量煤体混合物中矿物和有机物单组分的力学参数, 识别两者力学性质的巨大差异; 微米尺度的压入实验可以表征煤体混合物整体的力学性质, 矿物填充量越多, 煤体混合物的力学性质越强, 同时煤体混合物微观尺度的破裂模式会受到矿物填充结构的影响. 研究结果揭示了煤体微观结构和力学性质的非均质特征, 探讨了煤体混合物的非均质结构可能引起的脆性破坏, 为煤矿井下冲击地压和煤与瓦斯突出等动力灾害的预测与防治提供了理论基础.      

不同加载速率下煤的侧向变形特征研究

利用TAW-2000型电液伺服岩石力学试验系统开展了5种不同加载速率下的单轴压缩试验,分析了加载速率对煤体侧向变形特性的影响。研究结果表明:在裂纹闭合压密阶段、弹性变形至裂纹稳定扩展阶段,煤样变形以轴向压缩为主,侧向变形很小;在裂纹非稳定扩展阶段侧向应变开始加速增大,并在峰前应力调整阶段出现小幅陡增现象;在峰后扩容阶段煤样侧向应变急剧增大,呈现扩容与脆性破坏多次交替出现的特征,这一阶段大多数试件的侧向应变占总侧向应变的70%～90%。在加载初期煤样侧轴比处于较低水平,当轴向应力出现第一次跌落以后,煤样侧向应变快速增大,而轴向应变增加速度较小,导致试件侧轴比呈现快速增大直至试验结束。不同加载速率下煤样第一次出现轴向应力跌落时的侧向应变保持在3.0×10-3左右,表明在不同加载速率下煤样出现第一次轴向应力跌落时的侧向应变基本相同,可将侧向应变作为预测煤体破坏的控制变量。     

串联管道串联阀芯受瞬变压力研究

结合成品油停输再启动特性,建立了成品油控制体运动方程、连续方程,提出了串联阀芯流阻系数模型。通过差分方法对其编程求解,以串联管道串联阀芯为例,得出了串联阀芯受瞬变压力变化规律,探讨了停输再启动输油管路瞬变压力震荡衰减问题。以一个具体的工程实例进行研究,结果表明:串联管道串联阀芯线性关闭较单阀门线性关闭产生的最大瞬变压力由5.6MPa减至4.3MPa,减少了30.23%;管路瞬变压力震荡过程中,随着流体可压缩性的增大,流体的振幅衰减加剧,在43.2s时间内,瞬变压力最大峰值由4.85MPa减至1.28MPa;双阀门停输再启动中延长任一个阀门启闭时间均可使最大瞬变压力减小;对于相同关阀计划,阀芯流量系数越平缓,阀芯受瞬变压力越小。     

不同应变率下冰破坏特性的试验研究

为研究寒区流冰对水工/船舶结构的影响,需要获得不同流速冰载荷的特征,准静态下不同应变率条件下冰材料变形至破坏的特征就成为一项重要的基础性问题。为此,开展了低温环境应变率10-2s-1至10-4s-1下淡水冰的单轴压缩试验。试验发现:随着应变率减小,极限应力由18.51MPa降低至8.44MPa,达到极限应力后,试件承载能力由瞬间消失变为逐渐降低至稳态,试件破坏形貌由劈裂转变为周向膨胀,即由脆性转变为韧性破坏,转变应变率约为10-3s-1;在双对数坐标系中,单轴压缩强度随应变率的增加近似呈线性增大。通过对应力-应变曲线进行积分,给出了不同破坏形式下冰变形至破坏的临界应变能密度,发现脆/韧转变状态下加载至破坏所需能量最大,该能量特征主要由冰中微裂纹的萌生、断面摩擦、再结晶引起。     

高瓦斯煤层冲击地压发生条件与影响因素

针对高瓦斯煤层冲击地压问题,用解析方法得到冲击地压发生条件,分析了主要影响因素对满足冲击地压发生条件的临界塑性区半径和临界应力的影响规律.结合五龙矿开采实际情况对影响高瓦斯煤层冲击地压的煤的模量比、煤层瓦斯孔隙压力、支护应力和内摩擦角4个因素做了对比分析.研究发现:高瓦斯煤层在巷道掘进面附近由于存在开挖面空间效应,掘进面前方尚未开挖的煤体对巷道变形起到了限制作用,减少了冲击地压的发生,随着掘进面向前推进,后方一定距离范围内的巷道支护应力增大.随着瓦斯解吸渗流的进行,巷道壁处孔隙压力降低,巷道冲击地压危险性明显提高,此时提高支护应力,冲击危险性有所降低.高瓦斯煤层巷道发生冲击地压的临界塑性区半径和临界应力随模量比、瓦斯孔隙压力的增大而快速减小,随支护应力的增大而增大,临界塑性区半径随内摩擦角的增大而增大,临界应力与内摩擦角不是单调函数关系,存在一个极小值点,当内摩擦角小于此极小值时,临界应力随内摩擦角增大而减小;当内摩擦角大于此极小值时,临界应力随内摩擦角增大而增大.     

判断煤与瓦斯突出危险性的三维模型

根据有效应力原理,建立瓦斯压力和煤体变形之间的耦合关系. 在地应力和瓦斯压力的共同作用下,煤体发生弹脆性破坏,之后发展为层裂-粉化破坏,据此判断发生煤与瓦斯突出的危险性. 根据一维煤激波管瓦斯突出实验,结合一维混相流动模型,进行了数值验证,证实了模型的可靠性.     

钻杆推力转速及扭矩相结合法测定煤体应力试验研究

为了准确判定煤体应力的大小,采用钻杆推力转速及扭矩相结合的方法来反推判断煤体应力。通过对新型钻机钻孔过程中钻头、钻杆的力学分析,建立了钻头、钻杆的动力学模型和动力学方程,得出了钻杆推力、转速、扭矩与煤体应力的关系以及转速与扭矩、推力的关系。在理论上给出了利用钻杆推力、转速、扭矩计算煤体应力的可行性。利用推力-转速-扭矩数据采集传感器装置,测试了不同煤体应力下钻杆推力、转速、扭矩的变化规律。试验结果表明:随着钻进深度的增加,钻杆推力、转速、扭矩均呈现出先增大后稳定再减小的规律,但三者相比,转速、扭矩稳定时间段较长;在相同钻机及钻具条件下,钻杆推力和转速随煤体应力的增大而减小,钻杆扭矩随煤体应力的增大而增大;钻杆转速越大,钻杆推力相应呈线性递增关系,反之,钻杆速度越小,钻杆推力越小;钻杆扭矩随钻杆转速的变化相应呈二次方增加的关系。研究结果为煤矿冲击地压的预测和研究提供了参考。     

高压水射流冲击煤体的力学特征

以质量守恒与动量守恒定律为基础, 建立了高压水射流冲击煤体的力学模型。运用此模型分析了高压水射流在冲击煤体的过程中, 未破水体、破碎水体、煤体的破碎区与扩孔区的力学特征, 利用严格的力学守恒关系得出高压水射流冲击煤体的简化常微分方程组。将理论计算结果与现场实验和数值模拟结果进行对比, 结果表明:理论计算结果与数值模拟结果和实验结果基本一致。此模型具有明确的力学意义, 且能够反映真实的冲击过程。     

一维应力预加载下红砂岩冲击力学特性试验研究

为研究高地应力下再受动力扰动的岩石力学特性,利用改进的岩石动静组合加载SHPB试验装置,对红砂岩进行一维预应力状态下岩石的冲击力学特性试验。选取4个轴压水平,进行不同应变率下的动加载试验。研究结果表明:不同应变率下,岩样在破坏阶段出现"峰后塑性"、"应力跌落"、"应变回弹"三种类型,岩样的割线模量随轴压的增大先增大后减小;相同轴压下,岩样的动态抗压强度和单位体积吸收能随着应变率的增大而增大,分别呈现出指数函数关系和线性关系;相同应变率下,岩样的动态抗压强度和单位体积吸收能随着轴压的增大呈先增大后减小的趋势;无轴压条件下,岩样为拉伸破坏模式,有轴压条件下,岩样为剪切破坏模式。