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。     

含瓦斯煤体的冲击力学特性研究

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。     

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。     

类岩石材料力学特性的试验及数值模拟研究

在进行多组不同配比类岩石材料单轴压缩试验和巴西试验的基础上,详细分析了石膏水泥比和石英砂含量对类岩石材料的单轴抗压强度、抗拉强度及弹性模量等力学参数的影响规律,力图找到适合模拟现场砂质泥岩的类岩石材料及配合比。利用颗粒流程序(PFC)模拟,进一步研究了高径比和围压对类岩石材料力学特性的影响。结果表明:随着石膏水泥比的增大,抗压强度和弹性模量均逐渐减小,而抗拉强度逐渐增大;随着石英粉含量的增大,抗压强度和弹性模量均先增大后减小,而抗拉强度则为先减小后增大。结合单轴压缩过程的声发射特征,揭示了裂纹扩展与声发射有密切的关系。PFC2D模拟获得的力学参数与室内试验相近,破裂模式也与实际情况相似。通过尺寸效应的研究可知试样的高径比在2.0~2.5较合理。随着围压的增大,试样的峰值强度、残余强度、峰值应变及弹性模量等力学参数均增大,且围压会改变试样的破裂模式。     

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。     

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。     

三轴情况下花岗岩动态力学特性的实验研究

针对花岗岩进行了应变速率范围为10-4～1s-1、围压范围为20～170MPa的动三轴实验。实验结果表明:花岗岩的抗压强度随应变速率的增加而增加,强度的增加幅度随围压的提高有减小的趋势,弹性模量以及泊松比与应变速率没有明确的关系;花岗岩的抗压强度随围压的增加明显增加,在不同应变速率下,这种增加趋势基本相同;随着围压的增加,花岗岩的弹性模量有小幅度增加的趋势,泊松比有小幅度减小的趋势。     

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。     

环境温度对瓦斯爆炸压力及压力上升速率的影响

针对不同环境温度对瓦斯爆炸压力及最大压力上升速率的影响进行实验。研究表明，在其他条件不变的情况下，随着环境温度的增加最大爆炸压力逐渐减小，且最大爆炸压力与环境温度的倒数呈现线性衰减规律；随着环境温度的升高，化学反应速率增加，爆炸压力达到峰值所需的时间减少；瓦斯气体的最大压力上升速率随环境温度的升高呈非线性变化规律，在环境温度为298~473 K的范围内，最大压力上升速率基本不变。这些规律性的结论可为防治矿井瓦斯爆炸事故和煤层气的安全利用提供理论基础。     

不同拉压特性的厚壁圆筒极限内压统一解

厚壁圆筒在实际工程领域中应用广泛,若能精确计算出极限内压,对预防事故发生,降低风险有重要意义.工程中存在许多材料,其拉压强度和拉压模量均存在差异,这些差异对极限内压的大小有显著影响.以往研究表明,仅考虑拉压强度与拉压模量的一个方面,计算结果与实际情况存在一定的误差.本文基于双剪统一强度理论,综合考虑中间主应力效应及材料拉压强度和拉压模量的不同,推导了内压作用下厚壁圆筒的弹、塑性状态的应力分布及弹性极限内压、塑性极限内压与安定极限内压的统一解,通过与其他文献对比分析验证了本文计算结果的正确性,分析了半径比、统一强度理论参数、拉压强度比与拉压模量系数对弹性极限内压、塑性极限内压及安定极限内压的影响.结果表明:统一解均随半径比和统一强度理论参数的增大而增大,随拉压强度比的增大而减小,弹性极限内压随材料拉压模量系数的增大而减小,当壁厚增加到一定值后,安定极限内压随材料拉压模量系数的增大而减小;材料的拉压模量不同、拉压强度差异对厚壁圆筒的安定性影响显著,考虑中间主应力效应可使材料的潜能得到更充分发挥,极限内压随半径比的变化规律可为选择合理壁厚提供参考,该结论可为厚壁圆筒的工程应用提供理论依据.     

不同应变率下煤岩破坏特征及其本构模型

利用直径50 mm的分离式霍普金森压杆,对煤岩展开20～100 s?1动态应变率下的单轴冲击压缩试验,结合高速摄影分析其变形破坏特征,并建立基于Weibull统计分布和Drucker-Prager破坏准则的煤岩动态强度型统计损伤本构模型。试验结果表明:（1）煤岩动态应力-应变曲线存在明显的非线性特征,随应变率升高,动态抗压强度与弹性模量均呈线性增长且增幅显著,破坏形态由低应变率下的轴向劈裂破坏向高应变率下的压碎破坏过渡;（2）在动态应变率20～100 s?1下,煤岩破坏后碎块具有明显的分形特性,破碎块度分维值为1.9～2.2,且随着应变率的升高,煤岩破碎程度增大,碎块块度减小;（3）基于Weibull分布参数F₀、m和应变率的关系,修正煤岩的本构模型,并与试验结果进行对比,验证该模型的合理性。     

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.     

循环冲击层理煤岩动力学行为及破坏规律研究

为研究复杂地况下含特征层理煤岩的动态力学行为，采用■50 mm分离式霍普金森压杆实验系统，对含层理(0°、30°、45°、60°、90°)煤岩进行动态三轴循环冲击实验研究，并结合3D轮廓扫描仪量化其断裂界面，分析层理效应和围压效应对煤岩动态力学特性及其损伤破坏规律的影响。研究表明：围压的施加使煤岩应力-应变曲线出现弹性后效现象；较无围压状态，抗压强度提高3.9～4.2倍，失效应变增大2.59～3.05倍。随着层理角度的增大，煤岩的动态抗压强度、弹性模量和能量透射率均呈现先降低后升高的U形分布，在层理角为45°时均达到最小值；能量吸收率和断面粗糙度呈现先增大后减小的∩形分布，损伤变量呈现N形分布，在层理角为45°时达到最大值。煤岩的损伤破坏特征随层理角度的变化可概括为张拉破坏（0°）-剪切破坏（30°、45°和60°）-劈裂破坏（90°）的演变过程，所得特征规律可为实际复杂环境下煤层气资源安全高效开采提供理论支持。     

不同拉压特性的双层厚壁圆筒极限承载力解答

采用统一强度理论并考虑材料拉伸与压缩弹性模量的差异性，建立均匀内压作用下双层厚壁圆筒的应力表达式，获得了其内压相应的弹性极限解答、塑性极限解答，并分析拉压强度比、拉压模量系数、统一强度理论参数、半径比及分层半径对弹性、塑性极限内压的影响规律．研究结果表明：弹性、塑性极限内压随拉压强度比的增加而减小，但随统一强度理论参数、半径比的增加而增大；弹性极限内压随分层半径的增加呈现先增大后减小变化，随拉压模量系数的增加而一直减小；塑性极限内压与拉压模量系数、分层半径无关．应用于实际工程时，可根据所得结果选择合理的壁厚及分层半径，再根据材料特性确定其他参数，以便更加准确地计算结构的受力状况．     

不同模量弹性问题理论及有限元法研究进展

随着科学技术的日益发展，对材料力学性质的研究提出了更高的要求，研制新型的材料以及挖掘材料自身特性的潜力，已成为新的研究动向．简述了不同模量弹性问题理论及其有限元法的研究与发展．利用等效的概念，对Ambartsumyan有限元计算模型、Jones有限元计算模型、张允真等有限元计算模型、叶志明等计算模型进行改进和探讨．通过不同模量弹性理论及其有限元方法在实际工程构件问题分析中的应用表明，若沿用相同模量弹性理论或有限元对有关问题进行计算，其结果将与采用不同模量模型材料所得的刚度和强度有较大的偏差。     

Experimental Investigation on Mechanical Behavior of Coarse Marble Under Six Different Loading Paths

A series of triaxial compression experiments were preformed for the coarse marble samples under different loading paths by the rock mechanics servo-controlled testing system. Based on the experimental results of complete stress-strain curves, the influence of loading path on the strength and deformation failure behavior of coarse marble is made a detailed analysis. Three loading paths (Paths I–III) are put forward to confirm the strength parameters (cohesion and internal friction angle) of coarse marble in accordance with linear Mohr-Coulomb criterion. Compared among the strength parameters, two loading paths (i.e. Path II by stepping up the confining pressure and Path III by reducing the confining pressure after peak strength) are suggested to confirm the triaxial strengths of rock under different confining pressures by only one sample, which is very applicable for a kind of rock that has obvious plastic and ductile deformation behavior (e.g. marble, chalk, mudstone, etc.). In order to investigate re-fracture mechanical behavior of rock material, three loading paths (Paths IV–VI) are also put forward for flawed coarse marble. The peak strength and deformation failure mode of flawed coarse marble are found depending on the loading paths (Paths IV–VI). Under lower confining pressures, the peak strength and Young’s modulus of damage sample (compressed until post-peak stress under higher confining pressure) are all lower compared with that of flawed sample; moreover mechanical parameter of damage sample is lower for the larger compressed post-peak plastic deformation of coarse marble. However under higher confining pressures (e.g. σ ₃?=?30 MPa), the axial supporting capacity and elastic modulus of damage coarse marble (compressed until post-peak stress under lower confining pressure) is not related to the loading path, while the deformation modulus and peak strain of damage sample depend on the difference of initial confining pressure and post-peak plastic deformation. The friction among crystal grains determines the strength behavior of flawed coarse marble under various loading paths. In the end, the effect of loading path on failure mode of intact and flawed coarse marble is also investigated. The present research provides increased understanding of the fundamental nature of rock failure under different loading paths.     

含水率和围压对安家岭泥岩峰后力学特性影响的试验研究

为分析含水率和围压对泥岩峰后力学特性的影响,从山西安家岭矿取泥岩,制成不同含水率的5组试样,在YAW2000电液伺服试验机上开展了三轴试验,获得了不同含水率泥岩试样三轴全程应力应变曲线,使用激光共聚焦显微镜观测了泥岩增水过程中微观结构变化。利用试验结果,分析了围压和含水率对泥岩峰值强度、残余强度、弹性模量、破坏应变和脆性模量的影响规律和泥岩增水过程中微观结构的变化规律。引入脆性模量系数和强度退化指数来描述围压对泥岩峰后强度退化过程和残余强度的影响,与FLAC中的SS模型结合,建立了考虑围压影响的泥岩应变软化力学模型,模拟了围压对泥岩应变软化行为的影响。研究结果表明:(1)随着围压增加,泥岩的峰值强度、偏应力峰值、破坏应变和残余强度都增长,峰后强度降低速率趋缓,强度退化指数和脆性模量系数可以较好地描述围压对泥岩残余强度和峰后强度退化过程的影响。(2)泥岩增水过程中,岩样内微裂隙及尺寸增长,泥岩的力学性质劣化。随着含水率增加,泥岩的弹性模量、峰值强度和残余强度降低,破坏应变增长。含水率与泥岩的弹性模量、峰值强度和破坏应变之间近似服从线性关系。(3)本文基于脆性模量系数的岩石应变软化模型能较好地描述三轴压缩泥岩的全程变形行为。