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煤层顶板分层特征对于煤岩系统的力学行为有重要影响,将其简化为具有岩石单元内含有不同层面数量的煤岩组合体,并开展单轴压缩实验。借助应力监测系统、DIC和声发射系统采集并分析实验过程中的应力-应变特征、表面应变场演变规律、声发射特性。实验表明：煤岩组合体的应力-应变过程可以分为裂隙压密阶段、“线性”增加阶段、非稳定破裂阶段和峰后阶段4个阶段,煤体单元首先发生渐进式的破坏,其过程为煤块弹射-煤块与组合体剥离-剥离状的煤块弹射-倾倒破坏。结合声发射特征可以认为单轴压缩过程中煤岩组合体具有更加明显的压密现象、小台阶现象和峰后应力增减现象,主要是组合体的非均质程度相对增加,内部不能协同变形所导致的。组合体内“煤-岩”层面处会出现明显的应变集中现象,主要是因为该处材料的物理力学性质差异较大,且层面处粘黏剂的存在会导致横向约束作用,岩石单元由单向受压转变为三向压拉状态,煤体单元由单向受压转变为三向受压状态,因此,“煤-岩”层面处更容易发生破坏,此处的声发射信号相对集中,更易形成应变集中。研究认为煤岩组合体中岩石单元层面数量的增加,其等效弹性模量降低、整体性弱化和承载能力下降,组合体单轴压缩强度有降低的... 相似文献
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煤岩是一种对温度、压力等地质环境因素十分敏感的有机岩,地质演化过程中的各种构造-热事件必然导致煤岩发生一系列物理与化学结构的变化,并形成不同类型的构造煤。在构造应力作用下,煤岩不仅发生脆性和韧性变形,而且还产生不同程度的动力变质作用。因而,关于煤岩构造变形与动力变质作用的研究不仅具有重要的科学意义,而且在煤层气资源评价以及煤与瓦斯突出危险性预测方面也具有重要的实际意义。文中在已有研究成果基础上,通过对构造煤系列Ro,max、XRD和NMR(CP/MAS+TOSS)等测试和实验方法的对比研究,深入分析了煤岩不同构造变形和动力变质特征,进一步探讨了构造应力下煤岩动力变质作用的机理。研究成果表明,在构造应力作用下,煤岩脆性变形主要是通过破裂面上快速机械摩擦转化为热能而引起煤岩化学结构与其成分的改变;而韧性变形煤主要是通过局部区域应变能的积累而引起煤岩化学结构的破坏,从而发生不同机制的动力变质作用。 相似文献
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为探究煤岩在变轴压加载下的变形破坏和瓦斯渗流演化规律,以原煤煤粉压制的煤体试件为研究对象,采用含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验系统,进行了5种不同轴压加载路径下的煤体三轴压缩及瓦斯渗流试验。研究结果表明,煤体变形可分为压密、稳定发展、非稳定破裂发展和破裂后4个阶段;压密阶段试件的应变变化速率主要与张开性结构面和裂隙有关,与轴压加载区间无关,稳定发展阶段虽然轴压加载速率不同,但在相同的轴压加载区间,轴向应变变化速率基本相同;变轴压加载前期煤体渗透率与轴压的加载速率呈负相关变化,中后期渗透率变化速率与轴压加载速率相关性不大。研究结论对指导冲击地压以及煤与瓦斯突出的监测预警有着重要意义。 相似文献
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不同倾角组合煤岩体的强度与破坏机制研究 总被引：1，自引：0，他引：1
对4种不同倾角组合煤岩体进行了试验和数值模拟研究,获得了单轴和三轴压缩条件下组合煤岩体的宏观破坏机制,并分析了煤岩组合体中煤、岩不同倾角交界面对煤岩组合体整体变形破坏的影响。研究表明,单轴荷载条件下煤岩组合体的破坏强度随着组合倾角的增加而出现先微小减小,而后迅速减小;同种倾角条件下,煤岩组合体的破坏强度随着围压的升高而逐渐升高,并且煤岩组合体的倾角越小,破坏强度升高的速率越慢,而倾角越大,升高的速率越快,可见围压对于大倾角裂隙的抑制作用更明显。通过三轴试验获得了煤岩组合体整体结构的黏聚力和内摩擦角,其中组合体黏聚力随着倾角的增加而逐渐减小,但内摩擦角变化规律不明显。通过扩展有限元对试验结果进行了模拟验证,发现随着倾角由0°增加到60°,外力功、屈服应力和弹性应变能都在下降,当倾角超过45°～50°后,外力功和屈服应力将与弹性应变能出现背离,这是煤岩组合体的变形破坏机制由剪切变形机制逐渐转化为界面滑移破坏机制重要标志。 相似文献
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当压力达到大约750MPa范围内时,足够高的有效围压能使岩石发生由破裂破坏向碎裂流动破坏转变,而裂隙是两类破坏机制的必要特征。后者已由我们新得到的实验资料(即伴随三轴负载变形的同时,测量声波的传播速率和声辐射)所证实。另外,足够高的温度能使岩石经受破裂或碎裂流动破坏向塑性流动破坏转变。在后种情况中,裂隙结束了对变形和破坏的重要作用。在这种转变中,温度与应变率关系密切(应变率低时,温度较低),也与粒径关系密切(粒径较小时温度较低),尽管后种情况中强度较高)。作用于破裂和碎裂流动发生过程的应力几乎与温度无关,但与有效围压关系密切。当强度资料按照标准化温度(由熔化温度标准化)和标准化应力(由剪切模量标准化)表示时,硅质岩显示的力学性质与氧化铝非常相似。本文简短地回顾了破裂和流动机制以及与破裂-流动转变有关的可用资料,并且给出认为地壳的特定岩石中发生这种转变的载荷条件(包括围压)、温度、应变率、粒径的估算,我们试图写出与地壳力学性质有关的较全面的结论以及它对地壳性质其它方面的影响。 相似文献
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本文开展了在25~150℃和25~100 MPa同时升温和升压条件下,鄂尔多斯盆地中煤阶煤岩变形实验研究。结果表明, 25℃/25 MPa条件下煤岩强度显著低于其他温度和压力条件下煤岩的强度。在实验变形条件下,煤岩主体的变形表现以破裂与微破裂作用为主。不同温度和压力条件下的煤岩变形特点表现出一定的差异。随着温度和压力的降低,煤岩样品破裂的延伸逐渐减小,破裂发育的透入性逐渐升高。变形煤岩样品中破裂的发育往往定向性较强,发育相对较为均匀。随着应变的增加,破裂多扩展为较大的规模。伴随天然煤降温、降压过程,导致煤岩从韧性向脆性的转变,在转变的早期和中期,大量煤层气将解吸储集于尚未贯通的密集微裂隙内,随着温压的缓慢降低,煤岩储集性和渗透性在变好,较为适宜煤层气的运移与保存。而在转变的后期,煤岩形成贯穿性破裂系,造成煤层气的散失,可能成为演化程度和孔隙度低的煤岩吸附煤层气能力弱的主要原因。 相似文献
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受载煤岩力电耦合的损伤力学模型研究 总被引：1，自引：0，他引：1
电磁辐射技术在地震和矿山煤与瓦斯突出、冲击矿压预报已经进行了较为广泛的应用,受载煤岩体电磁辐射与变形破裂过程紧密相关.根据煤岩强度的统计理论和损伤力学理论,建立了受载煤岩力电耦合的损伤力学模型,用该模型对实验结果进行了数值模拟.结果表明,煤岩材料的破坏是内部代表性体元微损伤累积的结果,电磁辐射可以反映煤岩体的损伤程度,该模型能够较好地描述电磁辐射与应变之间以及应力-应变之间的关系,可以为电磁辐射方法现场评定煤岩体受力状态和预测预报煤岩动力灾害现象提供理论基础. 相似文献
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岩体破坏实际上是在能量驱动下的一种状态失稳现象,其变形破坏过程中的能量演化规律能够反映岩体变形破坏的本质特征。为探求煤样破坏过程中能量的演化规律,对其进行了常规三轴及不同卸围压速率的三轴卸围压试验。试验结果表明:不同试验路径下,煤样在峰值应力前以能量的存储及耗散为主,在峰值应力后以能量的释放及耗散为主;煤样在较高的卸围压速率下,卸荷段经历时间较短,内部裂纹扩展及环向变形不充分,耗散能和克服围压做功耗能都较小,大量的能量在破裂时释放出来,破裂更加剧烈;同时,卸围压速率越快,煤样在破裂前后损伤量增加速率越快,损伤曲线急剧增高,因此,高应力煤岩体在开挖卸荷时,在岩体开挖施工速度较快时,极易引起大量积聚能量的突然释放,造成严重的灾害。 相似文献
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煤岩复合承载结构所处的应力边界条件不同,冲击地压在巷道中的显现特征和前兆规律亦不相同。采用高频振动采集及孔内成像三轴动静载试验系统,开展了高静载和动静载耦合作用下煤岩组合体真三轴单面临空试验,分析了煤岩组合体界面处力学特征和强度条件,探究了不同应力边界下煤岩组合体的破坏形态、动力显现特征和声发射信号的演变规律。研究结果表明:(1)受煤岩变形相互制约的影响,交界面处砂岩强度被"弱化"。当界面处煤体裂隙尖端的应力大于"弱化"后砂岩强度时,裂隙将穿过煤岩界面发育至砂岩中,砂岩呈现出屈曲层裂、劈裂成板的破坏形态。(2)高静载作用下,煤岩组合体变形破坏特征和声发射信号具有明显的前兆规律,组合体发生承载失效前煤体局部颗粒弹射动能增大、弹射颗粒块度降低,声发射信号由"高频低能"向"高频高能"转变,组合体的破坏形态以剪切-张拉复合破坏为主。(3)受冲击动载影响,顶底板砂岩夹持作用减弱,煤体裂纹尖端应力得不到有效积聚,裂纹扩展到煤岩交界面时被阻隔,组合体以煤样的张拉破坏为主,声发射信号呈现出"高频高能"的特点,但大多集中在冲击破坏之后,导致组合体动力破坏难以预测。(4)与纯静载作用相比,虽然动静载耦合作... 相似文献
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为深入探讨硬煤的煤与瓦斯突出机制,对深部硬煤掘进工作面煤与瓦斯突出的相关理论和模型试验进行研究。根据断裂力学、岩石力学及煤与瓦斯突出有关理论,提出深部开采过程中硬煤掘进工作面薄板理论假设,并将该理论应用于深部硬煤掘进工作面煤与瓦斯突出模拟试验研究。对硬煤掘进工作面薄板理论分析,认为工作面尺寸、煤的弹性模量、围岩侧压系数、瓦斯压力等因素对硬煤掘进工作面突出具有较大影响。试验结果表明,在围岩应力、煤的坚固性系数较大的情况下,硬煤突出临界条件主要受围岩应力、煤的弹性模量、围岩侧压系数及工作面尺寸等因素影响,而受瓦斯压力影响相对较小;在围岩应力、试样的坚固性系数较大且煤的弹性模量和侧压系数稳定不变的情况下,发生突出的临界轴向应力随模拟工作面尺寸增大而近似呈线性减小。试验结论基本符合本硬煤突出薄板模型理论公式,在一定程度上验证了硬煤掘进工作面煤薄板模型理论及硬煤掘进工作面突出机制假设。 相似文献
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近距离上保护层开采瓦斯运移规律数值分析 总被引：10，自引：1，他引：9
采动裂隙是瓦斯运移的通道,搞清瓦斯运移规律是瓦斯治理的前提。在考虑岩石动态破坏过程和含瓦斯煤岩渗流-应力-损伤耦合的基础上,结合平煤五矿实际地质条件和开采工艺,建立了数值计算模型,应用RFPA-Gas程序模拟了近距离上保护层采动顶底板岩层变形破坏、裂隙演化规律与瓦斯运移规律。模拟结果较好地再现了保护层开采过程中煤岩层应力变化、顶底板损伤及裂隙演化过程,得到了上覆岩层移动的“上三带”（冒落带、裂隙带和弯曲下沉带）和底板变形的“下两带”（底板变形破坏带和弹塑性变形带）。得到了被保护层瓦斯流量分布、瓦斯压力分布和透气系数的变化规律,卸压煤层瓦斯透气性增大了2 500倍,得到了煤壁下方压缩区和膨胀区之间的张剪瓦斯渗流通道,并将保护层底板压缩区和膨胀区的瓦斯渗流特征提炼出来：压缩区对应的是渗流减速减量区、膨胀区由卸压膨胀陡变区和卸压膨胀平稳区组成,分别对应着渗流急剧增速增量区和渗流平稳增量区。指出卸压膨胀陡变区是瓦斯突出危险区,为近距离保护层开采瓦斯治理指明了方向。实践表明,瓦斯治理效果显著。 相似文献
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To investigate the influence of gas pressure on rock burst proneness of coal, the rock burst proneness tests were conducted under different gas pressures. Based on the energy method, the rock burst proneness and energy accumulation law are analyzed. The following conclusions can be drawn: (1) The change laws of impact energy index, the effective impact energy index and the residual energy index are consistent, reducing with the increase of gas pressure. (2) Before the coal failure, the total energy, the elastic energy, and the dissipated energy of coal specimens increase with the increase of the stress. The increase speed of total energy is the fastest, the elastic energy takes the second place, and the dissipated energy is the slowest. (3) The failure energy ratio and stress drop coefficient defined by energy can be used to describe the rock burst proneness. (4) The failure modes of coal samples transform from brittle failure into ductile shear failure with the increase of gas pressure. (5) In the coal seam which has typical dynamic hazards, there is a critical value of gas pressure. When the gas pressure is higher than the critical value, gas outburst is the main disaster. When the gas pressure is lower than the critical value, the rock burst is the main disaster. 相似文献
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新庄煤矿立井采用冻结法施工技术,在井筒开挖的过程中,由于侧向卸荷作用导致围岩产生卸荷变形。从新庄煤矿立井现场采集白垩系中粒砂岩,对加工后的岩样进行饱水处理,然后利用GCTS电液伺服控制高低温高压岩石三轴测试系统进行冻结（-10 ℃）条件下的恒轴压、卸围压三轴试验,模拟在井筒开挖过程中围岩的应力变化路径,探索冻结砂岩的变形特性。研究表明：侧向卸荷条件下冻结砂岩表现出弹-脆性特征,轴向表现为压缩变形,径向表现为膨胀变形,径向变形量约为轴向变形量的2倍;当卸荷速率一定时,岩样的卸荷变形随初始围压的增大而增大,尤其是径向变形最为显著,这可能与卸荷回弹变形及岩样内部聚集的能量大小有关;围压卸荷到同一应力水平时,高卸荷速率下岩样的卸荷变形量较小,而变形速率较大;卸荷作用导致岩样变形模量减小,横向应变与纵向应变之比增大,卸荷速率越小,初始围压越大,应变之比变化越大。 相似文献
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开采保护层是防治煤与瓦斯突出最有效的措施之一,其关键是保护范围的合理确定。针对急倾斜多煤层上保护层开采有效保护范围的划定问题,基于煤层瓦斯越流理论,根据煤岩层变形与瓦斯渗流的固-气耦合作用,建立了瓦斯渗流场方程和煤岩体变形场方程,得到了急倾斜上保护层开采瓦斯越流固-气耦合数学模型。以南桐矿区某矿上保护层开采为实例,通过多物理场耦合系统,建立了该矿上保护层开采瓦斯越流几何模型并进行数值计算,获得了上保护层工作面开采后被保护层瓦斯压力的分布规律,确定了上保护层开采的卸压保护范围。数值计算与现场考察试验结果具有一致性,由此验证了数值计算的合理性。研究结果可以对现场保护范围的划定及卸压瓦斯抽放等提供理论指导,具有实际工程意义。 相似文献
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This paper examines the influence of sorbed gas type and pressure on the strength of coal. Particular attention is focused on the influence of gas type and pressures on drillability characteristics of coal and particle size distribution of drill cuttings. Drillability of coal has a strong bearing on the strength properties of coal. Based on fracture mechanics and mechanical rock cutting, weaker rocks are easier to drill and the drill cuttings produced are generally coarse in size. Accordingly a specially designed precision drill was used to drill coal samples under both normal atmospheric and confined gas pressure conditions. Indications of changes to coal strength as a result of increased sorbed gas pressure were examined by analysing the particle size distribution of the drill flushing. A laser controlled Malvern Mastersizer S particle size analyser with measuring range between 0.05 m and 900 m was used to study the particle size distribution. This paper demonstrates that there is a definite variation in the range of particle size distribution with particles obtained from drilling coal samples not subjected to gas pressures in comparison with those obtained from samples drilled under confined gas pressure. Gas types also have an influence. Higher proportions of coarse particles were produced when the confined gas was changed from CH4 to CO2. A change in the rate of drilling under varying confining pressure and gas type was also evident. The rate of drilling in air (at normal atmospheric conditions) was slower than at higher confining pressures. The highest drill rates were obtained with CO2 confinement. 相似文献
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煤与瓦斯突出的激发和发生条件 总被引：11，自引：1，他引：10
从影响煤与瓦斯突出的地应力、瓦斯、煤岩物理力学性质和地质构造因素出发,提出把煤与瓦斯突出的过程划分为突出源的形成发展、突出的激发和发生三个阶段。以南桐煤矿典型突出事故为例,用演绎法探讨了突出激发与发生的条件。结果表明,一切由振动产生的岩体裂隙和冲击载荷是导致煤与瓦斯突出的激发条件,并根据充瓦斯煤的损伤蠕变方程,得到了预测延期突出的时间。根据突出过程中的能量转换关系,得到了突出的起动速度和瓦斯临界压力表达式,对煤与瓦斯突出发生涉及的几个难点问题进行了讨论。揭示了煤与瓦斯突出的主要能量是瓦斯膨胀能,突出时喷出的瓦斯由多个来源的瓦斯组成,且地质构造区在采矿过程中容易形成有利于突出的源。 相似文献