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液氮冷加载对不同节理煤样结构损伤的影响

煤炭学报 2020年第11期45卷 3833-3840页

作者：李和万刘戬王来贵左建平辽宁工程技术大学力学与工程学院辽宁阜新123000 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院北京100083

煤体的节理结构是煤层气主要存储空间和渗流通道,而煤层的低渗透性是导致煤层气开采效率低的主要原因,由于节理的角度与贯穿程度不同,使得煤体的物理力学性能产生了较大差异。为了增加煤体的渗透性,利用液氮冷加载煤体的方式对不同种类... 详细信息

煤体的节理结构是煤层气主要存储空间和渗流通道,而煤层的低渗透性是导致煤层气开采效率低的主要原因,由于节理的角度与贯穿程度不同,使得煤体的物理力学性能产生了较大差异。为了增加煤体的渗透性,利用液氮冷加载煤体的方式对不同种类节理煤样,实验选用阜新盆地长焰煤制成50 mm×50 mm×50 mm的正方体煤样。将煤样放入液氮中浸泡4 h,室温条件下放置20 h,为一个冷加载周期(T),多周期冷加载直至煤样破裂。运用激光共聚焦显微镜、声波测试仪、单轴压缩试验机等仪器观测煤样的表面、整体裂隙损伤情况和单轴抗压强度的变化程度,揭示不同节理煤样结构在液氮低温冷加载作用下的损伤规律。研究结果发现:①贯穿型节理煤样(Ⅰpb15°,Ⅰam45°和Ⅰal60°)分别在8T,6T和7T冷加载后,煤样节理结构累积损伤达到煤岩强度极限,发生破碎;②在相同冷加载周期条件下,贯穿型节理较半贯穿型与未贯穿型节理扩展速度快;③煤样冷加载后,与层理呈45°的节理扩展明显。冷加载及作用周期都是煤样节理结构损伤的重要因素,实验结果符合断裂力学理论,并将对煤体结构损伤的进一步研究起到借鉴意义。

关键词：液氮冷加载煤样结构损伤煤层气

含双缺口北山花岗岩的热力耦合断裂特性试验研究

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岩石力学与工程学报 2012年第4期31卷 738-745页

作者：左建平周宏伟方园黄亚明中国矿业大学力学与建筑工程学院北京100083 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室北京100083

通过带加载SEM高温试验系统对含双预制缺口北山花岗岩进行原位观察热力耦合破坏试验研究。研究表明,北山花岗岩的矿物成分及花岗岩矿物颗粒粒径差异较大,这些矿物具有不同的热学和力学性质(或硬度),这将大大影响花岗岩的破坏机制及断裂... 详细信息

通过带加载SEM高温试验系统对含双预制缺口北山花岗岩进行原位观察热力耦合破坏试验研究。研究表明,北山花岗岩的矿物成分及花岗岩矿物颗粒粒径差异较大,这些矿物具有不同的热学和力学性质(或硬度),这将大大影响花岗岩的破坏机制及断裂韧性,热开裂、力诱发微裂纹的萌生、扩展和贯通等受到热力耦合机制的综合影响,并且这些机制反过来也将影响其他的机制,如渗流场及化学场的变化。对于北山花岗岩I型断裂而言,裂纹的扩展主要受到与其垂直方向拉应力的影响,但试件较大的原生缺陷和较大矿物颗粒对花岗岩的断裂路径影响不容忽视。特别是随着温度的变化,花岗岩的断裂机制将发生变化,低温以沿颗粒(沿晶)断裂为主,而高温以沿颗粒(沿晶)和穿颗粒(穿晶)耦合断裂机制为主。试验表明,75℃之前花岗岩的平均断裂韧性约为4.728 ***1/2,而75℃之后的平均断裂韧性为3.048 ***1/2,前后断裂韧性降低了35%左右,这主要是因为温度的升高直接导致热开裂增多,且矿物颗粒之间的胶结作用明显减弱,这逐渐影响了花岗岩的断裂韧性,进而将影响其渗流场和化学场,可见高放核废料储库设计中温度的影响不容忽视。

关键词：岩石力学热力耦合北山花岗岩扫描式电子显微镜(SEM) 细观断裂机制断裂韧性

深部煤岩单体及组合体的破坏机制与力学特性研究

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岩石力学与工程学报 2011年第1期30卷 84-92页

作者：左建平谢和平吴爱民刘建锋中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室北京100083 中国矿业大学岩石力学与分形研究所北京100083 四川大学水利水电学院四川成都610065

采用MTS815试验机对钱家营岩样、煤样和煤岩组合体进行单轴和三轴压缩试验,获得不同应力条件下煤岩单体及组合体的破坏模式和力学行为,并比较异同。单轴条件下钱家营砂岩的破坏以剪切、劈裂及混合破坏模式为主,并且砂岩的峰值强度、弹... 详细信息

采用MTS815试验机对钱家营岩样、煤样和煤岩组合体进行单轴和三轴压缩试验,获得不同应力条件下煤岩单体及组合体的破坏模式和力学行为,并比较异同。单轴条件下钱家营砂岩的破坏以剪切、劈裂及混合破坏模式为主,并且砂岩的峰值强度、弹性模量和波速近似成正比关系;在一定条件下砂岩能产生Ⅱ类曲线,但需采用环向位移控制加载,且砂岩需具有高强度和低非均质度,但煤和煤岩组合体几乎不发生Ⅱ类曲线破坏。单轴条件下煤样以劈裂破坏机制为主,但煤样的峰值强度与弹性模量、波速的关系基本不明显。对于不同围压下煤岩组合体的破坏主要发生在煤体内部:单轴条件下煤岩组合体的破坏以劈裂破坏为主,而煤体内部发生的破坏由于裂纹的高速扩展有可能贯通到岩石中去,从而导致岩石的破坏,并且煤岩组合体破坏后几乎完全丧失承载能力;而三轴试验中,煤岩组合体的破坏以剪切破坏为主,但破坏后还有残余强度。随着围压升高煤岩组合体弹性模量总体趋势是初始缓慢增加,当围压超过15 MPa后弹性模量迅速增加;组合体的峰值强度与围压基本成线性关系。

关键词：岩石力学围压煤岩组合体破坏模式 Ⅱ类曲线残余强度

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岩层移动内外“类双曲线”整体模型研究

煤炭学报 2021年第2期46卷 333-343页

作者：左建平吴根水孙运江于美鲁中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院北京100083 中国矿业大学(北京)采矿岩石力学基础科学研究中心北京100083

岩层移动主要关注工作面上覆部分岩层移动规律,开采地表沉降则关注地面的沉降问题,这2个研究方向都涉及到开采后上覆岩层到地表土层的整体移动行为,可以建立一种能够描述覆岩移动到地表沉降的岩层整体移动模型。通过理论与试验分析得到... 详细信息

岩层移动主要关注工作面上覆部分岩层移动规律,开采地表沉降则关注地面的沉降问题,这2个研究方向都涉及到开采后上覆岩层到地表土层的整体移动行为,可以建立一种能够描述覆岩移动到地表沉降的岩层整体移动模型。通过理论与试验分析得到了岩梁梯形块体结构的初次破断与周期破断形态,建立了岩层梯形“倒漏斗式”冒落拱与裂隙拱的冒落条件与判定方法。基于岩层破断移动边界“类双曲线”模型,提出了采用内外“类双曲线”模型来描述岩层移动与地表沉降规律。内“类双曲线”模型指的是覆岩冒落拱与地表沉降移动拱“类双曲线”模型,在关键层近似“上下”对称;外“类双曲线”模型指的是岩层破断移动边界“类双曲线”模型,在工作面的中垂线附近近似“左右”对称。内“类双曲线”隐含在覆岩内部,可通过地球物理探测方法近似获得;外“内双曲线”体现在地表沉陷、岩层冒落等外部形态。通过理论分析、实例验证以及UDEC数值计算方法验证了厚松散层水平煤层开采条件下岩层移动与地表沉降内外“类双曲线”模型。此外,还分析了内外“类双曲线”共轭形成条件、影响因素与整体运移规律。结果表明:在厚松散层水平煤层开采条件下,建立岩层移动与地表沉降内外“类双曲线”模型理论预测值与实际值误差较小,表明岩层整体移动存在“类双曲线”特征。

关键词：内外“类双曲线”模型岩层移动关键层漏斗式拱 UDEC模拟

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硫酸盐干湿循环下ECC的轴压力学行为

建筑材料学报 2020年第4期23卷 846-851页

作者：韩宇栋刘畅王振波左建平洪紫杰中国京冶工程技术有限公司北京100088 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院北京100083 中冶建筑研究总院有限公司北京100088

针对干湿循环作用下高延性水泥基材料(ECC)的硫酸盐侵蚀问题,开展了不同侵蚀周期下ECC小尺寸圆柱体试件的单轴压缩试验,从轴压应力应变曲线、轴压强度、峰值应变、弹性模量和泊松比等多重力学指标的角度研究了受蚀ECC的轴压力学行为.结... 详细信息

针对干湿循环作用下高延性水泥基材料(ECC)的硫酸盐侵蚀问题,开展了不同侵蚀周期下ECC小尺寸圆柱体试件的单轴压缩试验,从轴压应力应变曲线、轴压强度、峰值应变、弹性模量和泊松比等多重力学指标的角度研究了受蚀ECC的轴压力学行为.结果表明:侵蚀初期的材料峰值轴向应变逐渐提高,侵蚀后期小幅降低,而径向应变呈先减小后增大趋势;硫酸盐干湿循环作用不会对ECC压应力应变曲线的初始线性段产生影响,而对曲线的非线性上升段和应力下降段影响显著;随侵蚀周期延长,ECC抗压强度大幅提高,但基材强度未见明显增长;应力下降段中,受侵蚀ECC的应力陡降特征明显区别于侵蚀前ECC的平缓下降;在本文研究的周期范围内,未见硫酸盐侵蚀对ECC弹性模量和泊松比的劣化作用.

关键词：延性水泥基材料干湿循环硫酸盐轴压

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甘肃北山地区深部花岗岩的热开裂试验研究

岩石力学与工程学报 2011年第6期30卷 1107-1115页

作者：左建平周宏伟方园孟冰冰彭瑞东中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室北京100083 中国矿业大学力学与建筑工程学院北京100083

通过岛津SEM全数字液压高温疲劳试验系统,实时观察不同温度下北山花岗岩的热开裂过程,获得北山花岗岩的热开裂临界温度为68℃～88℃。在较低温度时,北山花岗岩热开裂以沿颗粒热开裂为主;在较高温度时,热开裂以穿颗粒热开裂及沿颗粒穿颗... 详细信息

通过岛津SEM全数字液压高温疲劳试验系统,实时观察不同温度下北山花岗岩的热开裂过程,获得北山花岗岩的热开裂临界温度为68℃～88℃。在较低温度时,北山花岗岩热开裂以沿颗粒热开裂为主;在较高温度时,热开裂以穿颗粒热开裂及沿颗粒穿颗粒混合热开裂为主。热开裂不仅受到矿物颗粒的热膨胀性质不匹配及热膨胀各向异性的影响,还受到矿物颗粒的物理、力学、热学性质及矿物颗粒形状结构的影响。而花岗岩内流体包裹体也可能是影响北山花岗岩热开裂的一种重要因素,这是种新的影响机制。在微细观层次对热开裂模式进行分类,并由热开裂的分形模型定量解释沿颗粒和穿颗粒热开裂等发生的难易程度。当温度升高超过250℃时,北山花岗岩有可能存在热熔效应,这导致热开裂裂纹数有减少趋势,并且温度与其对应的热裂纹数量的统计关系符合Gauss曲线关系。

关键词：岩石力学北山花岗岩热开裂细观试验研究热熔效应流体包裹体

深部开采砌体梁失稳扰动底板破坏力学行为及分区特征

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煤炭学报 2019年第5期44卷 1508-1520页

作者：李春元张勇左建平唐世界刘世峰中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院北京100083 中国矿业大学(北京)共伴生能源精准开采北京市重点实验室北京100083 河南能源化工集团焦煤煤业赵固(新乡)能源有限公司河南新乡453634

深部开采的强扰动附加属性导致底板煤岩破坏加剧,易沟通底板承压水导升带而诱发突水灾害,故研究砌体梁失稳扰动底板破坏的力学行为可为实现矿山岩层控制提供重要的理论基础。根据弹塑性力学理论分析了深部开采砌体梁失稳扰动底板破坏的... 详细信息

深部开采的强扰动附加属性导致底板煤岩破坏加剧,易沟通底板承压水导升带而诱发突水灾害,故研究砌体梁失稳扰动底板破坏的力学行为可为实现矿山岩层控制提供重要的理论基础。根据弹塑性力学理论分析了深部开采砌体梁失稳扰动底板破坏的动载源特征,基于压力拱及损伤力学理论研究了砌体梁失稳扰动底板压剪破坏和卸荷破坏的力学行为,应用离散元软件计算分析了不同采深下砌体梁失稳扰动底板的应力变化及变形破坏行为,结合采动力学全过程应力-应变曲线获得了深部开采底板强扰动破坏的分区特征,并应用深部开采微震监测数据进行了验证。结果表明:砌体梁失稳后,梁端煤壁端部及触矸区域底板应力增高并形成了塑性屈服区和触矸破坏区,两者之间则形成了压力拱形式的卸荷破坏区;随采深增加,底板塑性屈服区和触矸破坏区的压应力增量及卸荷破坏区的卸荷反弹力不断增大,并使得底板岩体最大变形量在采深700m以浅时近似线性增加,而采深700m以深的深部开采却表现为非线性突变增长;深部开采高围压造成底板压应力峰值及卸荷反弹力非线性增加,促使了扰动岩体由浅部脆性向深部延性的转变,并导致其强扰动破坏的分区范围扩大,变形破坏深度增加,深部开采底板的非线性强扰动破坏行为在底板浅部最突出。

关键词：底板岩体破坏行为砌体梁失稳强扰动深部开采

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温度-拉应力共同作用下砂岩破坏的断口形貌

岩石力学与工程学报 2007年第12期26卷 2444-2457页

作者：左建平谢和平周宏伟方园范雄中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室北京100083 中国矿业大学岩石力学与分形研究所

通过扫描电镜研究温度–拉应力共同作用下砂岩破坏的断口形貌。通过研究不同温度影响后的解理断口、准解理断口、疲劳断口、非主断裂面的二次裂纹和碎裂断口、局部延性断口、沿晶断口及一些奇特的断裂花样,证实温度对砂岩断裂的微观机... 详细信息

通过扫描电镜研究温度–拉应力共同作用下砂岩破坏的断口形貌。通过研究不同温度影响后的解理断口、准解理断口、疲劳断口、非主断裂面的二次裂纹和碎裂断口、局部延性断口、沿晶断口及一些奇特的断裂花样,证实温度对砂岩断裂的微观机制产生了影响,随着温度的升高,砂岩的断裂机制由以局部脆性断裂机制为主向局部脆性和延性耦合断裂机制转变。低温下的断口较为光滑平坦,高温下的断口较为粗糙,表明发生过塑性变形,并且高温断口形貌更为多样和更为复杂,这主要是受到高温影响后,岩石内部矿物颗粒、晶体和原子热运动加剧,当岩石受到外部载荷作用时断裂就有可能出现在更大范围的位置。通过一些简单的断裂机制示意图对部分断口形貌进行解释,并报道了一些特殊的岩石断口形貌。综合认为金属断口学研究中所发现的微观断口形貌特征几乎都可以从岩石断口形貌中找到,但由于岩石是多晶体地质材料,高温影响下岩石的断口形貌还将更为多样和更为复杂。

关键词：岩石力学砂岩温度-拉应力共同作用断口形貌扫描电镜

坚硬顶板定向水力压裂裂纹起裂机制及影响因素分析

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岩石力学与工程学报 2022年第10期41卷 2015-2029页

作者：李英杰倪婷左建平刘德军宋宜豪中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院北京100083

为研究煤层坚硬顶板定向水压裂纹转向机制,基于线弹性断裂力学理论,推演水压和地应力作用下含井筒和预割缝的定向水力压裂力学模型的应力强度因子计算公式,及裂纹起裂角和临界水压计算方程,以此为基础分析应力强度因子和起裂角以及临界... 详细信息

为研究煤层坚硬顶板定向水压裂纹转向机制,基于线弹性断裂力学理论,推演水压和地应力作用下含井筒和预割缝的定向水力压裂力学模型的应力强度因子计算公式,及裂纹起裂角和临界水压计算方程,以此为基础分析应力强度因子和起裂角以及临界水压的影响因素,探讨定向水压裂纹断裂特征。研究结果表明定向水压裂纹临界起裂状态下,不同预割缝倾角下水力裂缝将发生张拉或者拉–剪复合断裂,裂纹起裂角随应力强度因子比K_(Ⅰ)/K_(Ⅱ)的增大而减小,当K_(Ⅰ)/K_(Ⅱ)较小时,水力裂缝在剪切错动作用下将偏离预割缝方向发生起裂。为了实现水力裂缝的定向控制,应综合考虑K_(Ⅰ)和K_(Ⅱ)的影响因素:低预割缝倾角、高水压时K_(Ⅰ)远大于K_(Ⅱ);低倾角、高井筒半径下K_(Ⅰ)值较大;在低倾角、高预割缝长度时K_(Ⅰ)取得较大值,而45°预割缝角度下、高预割缝长度时K_(Ⅱ)取得较大值;K_(Ⅰ)和K_(Ⅱ)对侧压力系数和预割缝角度的耦合作用较为敏感,侧压力系数较小时,K_(Ⅰ)>K_(Ⅱ)。当侧压力系数较大时,低预割缝角度下K_(Ⅰ)>K_(Ⅱ),高预割缝角度时K_(Ⅱ)>K_(Ⅰ)。

关键词：采矿工程定向水压致裂复合型裂纹应力强度因子临界水压起裂角