节理煤体低温损伤机理及影响范围研究

节理普遍存在于地下煤储层中,是煤层气存储和运移的主要通道。为了研究冻融作用下煤体自身含水饱和度的不同,对节理结构损伤和液氮作为煤体的制冷剂逆传热至-45℃作用范围的影响,利用低温保存箱为不同含水饱和度煤样提供-45℃低温环境,对煤样进行循环冻融交叉实验;并建立以液氮作为制冷剂的传热模型,进行单周期低温加载数值模拟。结果表明：(1)煤样表面以及内部节理扩展量随着低温循环冻融周期的增加而逐渐增大,单轴抗压强度逐渐降低;煤样表面维度逐渐从二维向三维转化、表面及内部节理结构损伤程度加剧;(2)煤样节理结构损伤程度随含水饱和度的增加而增大,100%饱和度时,煤样循环冻融41周期后破碎;(3)单周期传热模型随着含水饱和度的升高,影响范围变小,且传热时间变长,100%含水饱和度下煤体传热至-45℃的传热半径仅为2.77m,所用时间为2531.2s,表明含水饱和度制约着传热半径及传热时间,含水饱和度越高,制约越明显。     

基于FTIR和XRD法分析阜新长焰煤结构特征

为了研究阜新长焰煤的大分子结构,通过测定12个煤样品的工业分析和元素分析,选取最接近平均值的煤样CYM-9作为实验样品,采用傅里叶红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)和单轴压缩实验对煤样进行研究,通过与抚顺长焰煤结构特征进行对比,进一步分析煤的微晶结构参数及其力学特性。研究结果表明:CYM-9煤样的基本结构特征参数芳氢率(farH)为0.47,氢碳原子比(H/C)为0.858,芳碳率(farC)为0.747,脂肪烃支链长度(CH3/CH2)为0.617。与抚顺长焰煤结构相比,其芳碳率较大,芳香核缩合程度较大,芳香结构单元排列秩序较规则;煤样XRD图谱具有002峰和100峰两条明显的峰,层间距(d002)为0.3816nm,层片堆砌高度(Lc)为1.2462nm,层片直径(La)为1.0136nm,芳香堆砌层数(N)为4.26;煤样的平均峰值强度为9.24MPa,达到峰值强度时平均应变值为23.58×10-3,平均弹性模量为405MPa。     

基于PFC3D的露天矿边坡爆破过程模拟及稳定性研究

为研究爆破在露天矿边坡内发展的过程,基于能量守恒理论,假设爆破释放的化学能全部由爆点周边一定范围内的岩体承受,并部分转化为动能,进而能量在碎裂的岩块中传递、吸收,最终达到平衡,爆炸过程结束.论文使用基于颗粒流理论的PFC3D模拟了在露天矿边坡内,不同高度、埋深和装药量的单孔爆破过程,并对爆破后边坡稳定性做了探讨.研究表明:爆炸过程可以分为3个阶段,第1阶段爆炸冲击起主导作用,有速度矢量回荡出现;第2阶段是重力占优势的上覆岩层塌落过程;第3阶段最后颗粒下滑、局部调整至平衡.在经历时间上,前一个阶段与后一个阶段相差一个数量级.总体上说,各种爆破后上层砂岩是稳定的,即坡顶是稳定的.下层砂岩和砂质泥岩会受到一定程度的破坏,但在可控范围内的.     

水硬性石灰合成及拉破坏特性试验研究

水硬性石灰在欧洲石质文物修复和加固中获得了很大成功。我国的石质文物主要是砂岩,水硬性石灰的修复效果不好。为满足我国石质文物修复和加固的需求,本文以石灰石和黏土为原料,在950℃煅烧不同时间,制备出水硬性石,对试样的成分、微观形貌、收缩率、抗拉强度和拉破坏过程等进行了研究。结果表明:(1)试样中含有水硬性成分2CaO·SiO2(C2S);煅烧8h时,成分与欧洲水硬性石灰NHL5接近;1.5CaO·SiO2·xH2O(C-S-H)和CaCO3的含量随龄期的增加逐渐增加。(2)龄期1~3d,收缩率较小;龄期4~6d,收缩率以线性规律增加;7d以后,收缩率趋于稳定。(3)局部变形区随拉应力的增加而变大,邻近局部变形区逐渐合并,形成面积更大的应变局部化带;载荷超过峰值后,产生微裂隙;随载荷进一步增加,微裂隙扩展,贯穿整个试件,发展成宏观裂隙,使试件破坏。(4)抗拉强度随龄期的增加而增加,水硬性石灰中C-S-H、CaCO3等相互交织,构成空间致密体,使试件力学强度提高。合成的水硬性石灰物理力学性能与欧洲水硬性石灰NHL5相近,并且成分均匀、可控,在石质文物修复和加固工程中具有良好应用前景。     

基于HCA的细尾矿砂破坏准则试验研究

为研究细尾矿砂破坏准则的具体形式,通过对空心圆柱扭剪仪基本公式推导的方法得出了试验应力路径所需的计算公式;在自行研发的辅助仪器配合下,利用空心圆柱扭剪仪试验的方法测试了细尾矿砂子午平面、π平面上的破坏曲线和不同静水压力下中主应力对各个主应变的影响。结果表明:在子午平面内随着静水压力的增加,破坏点广义剪应力增加;静水压力较小状态π平面内破坏曲线表现为Mohr-Coulomb准则,较大状态表现为Drucker-Prager准则,两种状态静水压力分界点应位于200～300kPa内,破坏准则是否与中主应力有关取决于中主应力对整体应变的影响水平。细尾矿砂的破坏准则应为Mohr-Coulomb与Drucker-Prager准则的组合。     

花岗岩单轴压缩侧向变形及脆性破坏机制实验研究

为研究花岗岩侧向变形及脆性破坏机制,对花岗岩试件进行单轴压缩实验。利用动态应变采集系统、数字散斑相关方法(DSCM)和显微观测手段,记录并分析花岗岩试件在单轴压缩过程中的宏观侧向应变、局部侧向应变以及破裂面形貌,并与水泥砂浆试件的破坏过程对比,讨论了花岗岩脆性破坏机制。实验与分析结果表明:(1)花岗岩试件在加载初期发生侧向收缩变形,产生并发展于压密阶段,消失于线弹性阶段初期,这主要由于试件内部裂纹闭合造成的;此后,宏观侧向应变持续增长,当侧向应变与轴向应变之比接近0.5时试件破坏;(2)在峰值载荷前很长一段时间内,局部侧向应变在一定范围内波动,临近试件破坏时局部侧向应变最大值和最小值均出现较大幅度的波动,二者差值迅速增大,试件不均匀程度增大,最终导致试件破坏;(3)在峰值载荷前有无塑性屈服阶段是峰值载荷后脆性破坏程度的重要影响因素,而宏观裂纹的贯通程度是峰值载荷后应力降大小的决定因素。     

基于TFN-隶属度软化的露天矿岩体质量评价方法研究

为了解露天矿岩体质量,从露天矿某竖向范围的围岩、矿体顶板、矿体和矿体底板四个特征位置进行取样确定一定范围内的露天矿质量.岩石抗压强度R_c、黏聚力C、内摩擦角φ和岩体变形模量E作为评价的指标体系,并形成单因素指标岩体分类的五个级别.通过TFN确定指标的相对权重.提出隶属度软化方式,在确定样本对某级别的隶属度的同时,考虑其与相邻两级别隶属可能性,即隶属度软化,以方便样本的多指标评价.评价最大隶属度级别即是样本所属级别,最终根据各个样本的质量等级和综合评判规则判断露天矿岩体质量.实验表明:提出的方法比RMR、Q和可拓学评价得到的样本质量评级略低,能考虑当地工程经验,并偏于安今.     

高温后水泥砂浆试件抗压性能与变形场演化实验研究

为研究不同温度作用后水泥砂浆试件的抗压性能及变形破坏规律,对不同温度作用后的试件进行单轴压缩实验,同时采用数字散斑相关方法(DSCM)观测试件局部变形,利用标准差统计分析应变场的变化规律。结果表明:(1)在200℃~800℃温度作用后,高龄期的试件更易发生破坏,试件单轴抗压强度的降低主要是由于水化反应形成的骨架结构在高温作用后发生分解;(2)20℃、200℃和400℃作用后的水泥砂浆试件具有明显的脆性特征,相对而言,600℃和800℃作用后的试件塑性特征明显;(3)局部应变场演化过程分为四个阶段:应变均匀分布阶段、应变成核阶段、应变局部化阶段和破坏阶段;(4)利用标准差统计应变场表征试件变形的不均匀程度,与试件整体应力-应变曲线对比,在接近峰值应力时,应变场标准差急剧增大,表明试件即将发生破坏。上述结果可为预测高温作用后水泥基材料的变形破坏提供参考。     

不同采深煤(岩)体岩爆过程模拟分析

为了研究不同采深条件下诱发的岩体变形、岩爆、凸出和塌落特征,对采深120m~820m,间隔100m的8种工况开采后岩体破坏进行模拟。结合能量守恒理论和ΔU=Ue-U0来确定岩爆后由弹性势能转化为动能的ΔU。使用三维岩体爆破颗粒流模型将ΔU按照一定规则转化为岩爆飞石动能。模拟了各工况下开采后岩体变化情况,结果表明,采深为120m,220m和320m三种工况下不发生岩爆;420m开始发生岩爆;520m和620m在发生岩爆的同时也伴随开采面岩体凸出;720m和820m时具有岩爆、凸出和塌落现象。同时总结了岩爆特点,特别是提出岩爆是岩体系统为了保持自身能量平衡而向系统之外释放能量的过程。     

液氮冷加载作用下煤样渗透特性研究

为了研究液氮冷加载对煤样渗透特性的影响,采用试验研究和理论分析相结合的方法,对不同冷加载周期煤样的孔隙、裂隙结构损伤破坏变化规律、各物理力学性质以及渗透特性展开研究,通过电镜扫描、波速测试、渗透试验和单轴压缩试验分别得到不同冷加载周期前后煤样裂隙的发育情况、波速衰减率、孔隙量、抗压强度以及渗透率的变化。试验结果表明：(1)液氮冷加载能促进煤样裂隙萌生和发育,有效地连接相对独立的裂隙结构,形成交织的裂隙网络,增大煤样气体流量,从而提高煤样渗透率。(2)温差效应与水冰相变的共同作用对煤样渗透性也有较强的促进作用。(3)随着冷加载周期的循环,煤样裂隙扩展宽度、扩展率均逐渐增大,力学性能减弱,抗压能力越来越差,煤样整体损伤程度严重,渗透率呈指数增长,比煤样初始渗透率提高了16.76倍。