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煤的冲击倾向性对深部煤岩界面超低摩擦效应影响研究

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岩土力学 2024年第6期45卷 1633-1642页

作者：李利萍胡学锦潘一山李明会辽宁工程技术大学力学与工程学院辽宁阜新123000 辽宁大学灾害岩体力学研究所辽宁沈阳110036

为了揭示动载扰动下煤的冲击倾向性对超低摩擦型冲击地压的影响机制,以不同冲击倾向性煤块为研究对象,首先通过单轴压缩试验测定了煤样冲击倾向性,然后采用自行研制的煤岩界面超低摩擦试验装置,以煤块滑动位移、动能表征冲击过程中超低... 详细信息

为了揭示动载扰动下煤的冲击倾向性对超低摩擦型冲击地压的影响机制,以不同冲击倾向性煤块为研究对象,首先通过单轴压缩试验测定了煤样冲击倾向性,然后采用自行研制的煤岩界面超低摩擦试验装置,以煤块滑动位移、动能表征冲击过程中超低摩擦效应强度,开展了应力波扰动下不同冲击倾向性煤块超低摩擦试验。研究结果表明:(1)超低摩擦效应强度受扰动频率影响存在频率显著影响区,强、弱、无冲击倾向性煤块频率显著影响区分别为2.5~3.5 Hz、2.0~3.0 Hz、1.5~2.5 Hz,频率显著影响区内煤岩界面更易发生超低摩擦效应。随着煤块冲击倾向性增强,频率显著影响区域整体右移。(2)超低摩擦效应强度与扰动幅值正相关,在高强度扰动下强冲击倾向性煤更易发生超低摩擦效应。(3)建立了有效弹性能释放速率指数与动能之间的拟合函数关系式,实现了用煤的冲击倾向性指标综合评价超低摩擦效应强度。

关键词：应力波扰动煤岩块体冲击倾向性煤岩界面超低摩擦效应

不同冲击倾向性煤体孔隙结构及瓦斯吸附特征研究

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煤炭科学技术 2024年

作者：李钊倪冠华温永瓒王刚刘震王振洋山东科技大学安全与环境工程学院中国矿业大学(徐州)安全工程学院

随着开采深度增加，煤层高地应力、低渗透、强扰动等特征逐渐显现，井下灾害形式愈发复杂，其中冲击地压与瓦斯突出是最主要的复合灾害表现形式。为研究不同冲击倾向性煤样微观孔隙结构与瓦斯吸附间的内在联系，利用瓦斯等温吸附实验和... 详细信息

随着开采深度增加，煤层高地应力、低渗透、强扰动等特征逐渐显现，井下灾害形式愈发复杂，其中冲击地压与瓦斯突出是最主要的复合灾害表现形式。为研究不同冲击倾向性煤样微观孔隙结构与瓦斯吸附间的内在联系，利用瓦斯等温吸附实验和不同孔隙测试实验的优势孔径段思想，对不同冲击倾向性煤样进行孔隙联测。实验结果表明：煤体微观结构特征在一定程度上可反映煤层宏观构造破坏程度和应力作用性质，孔隙含量较少则煤样冲击倾向性较强，王庄煤样为强冲击倾向性煤样，其孔隙含量最少，结构致密、硬脆性更强，在受载过程中积聚更多应变能，高应力环境导致煤样中微孔占比较多；天池煤样为无冲击煤样，其大孔比例更高同时在破碎粉化过程中煤样孔隙含量增幅最为明显。进一步通过瓦斯等温吸附实验，发现相同条件下余吾煤样的瓦斯吸附量最大，天池煤样次之，王庄煤样最小，复杂的孔隙结构和较差的孔隙连通性更有利于瓦斯赋存，强冲击倾向性煤体王庄煤样的孔隙连通性更强，这将有利于瓦斯的运移和释放。余吾煤样和天池煤样煤体破碎程度高，孔隙之间的通道被压窄或堵塞，形成部分小吼道连通大孔隙和封闭孔隙，孔径分布越集中，非均质性越强，孔隙复杂度高，连通性越差，随粒径减少煤样瓦斯吸附增速更快。同时微孔结构参数与瓦斯吸附量相关性最高，其次为中孔，而大孔参数与吸附量无明显相关关系，且比表面积与吸附量的相关性普遍高于孔体积，表明孔隙表面是瓦斯吸附发生的主要场所。进一步根据全孔孔径分布计算多重分形维数特征值，极限吸附量的多少也可以通过多重分形维数特征值来表征，不同煤样的分形参数对瓦斯吸附量的影响存在差异性，余吾煤样、天池煤样的吸附量与α呈正相关关系，与H呈负相关关系，而值域最值f(α)max相关关系不明显。

关键词：冲击倾向性孔隙结构瓦斯吸附多重分形理论

卸荷及瓦斯作用下煤体冲击倾向性特征试验研究

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煤矿安全 2024年第4期55卷 55-65页

作者：李志强中煤科工集团沈阳研究院有限公司辽宁抚顺113122 煤矿安全技术国家重点实验室辽宁抚顺113122

卸荷损伤作用下含瓦斯煤体冲击倾向性研究对于探明地下深部矿井中煤与瓦斯复合型冲击地压形成机理起着关键作用。为了探究卸荷作用对含瓦斯煤体冲击倾向性的影响,对含瓦斯煤体进行了不同卸荷幅度下变上限循环加卸载。试验结果表明:瓦斯... 详细信息

卸荷损伤作用下含瓦斯煤体冲击倾向性研究对于探明地下深部矿井中煤与瓦斯复合型冲击地压形成机理起着关键作用。为了探究卸荷作用对含瓦斯煤体冲击倾向性的影响,对含瓦斯煤体进行了不同卸荷幅度下变上限循环加卸载。试验结果表明:瓦斯对煤体力学性质具有劣化作用,9 MPa围压下经过1 MPa与2 MPa瓦斯作用后的煤试件抗压强度分别降低了11.2%及18.7%;在卸荷幅度分别为3 MPa与6 MPa作用下,煤试件抗压强度分别降低了12.6%与36.5%,剩余弹性能指数分别降低了10.4%与16.7%;含1 MPa瓦斯煤试件抗压强度分别降低约13.5%与39.8%,剩余弹性能指数分别降低了15.9%与43.6%;含2 MPa瓦斯煤试件抗压强度分别降低约16.7%与47.2%,剩余弹性能指数分别降低了20.3%与48.5%;随着卸荷幅度的增加,煤试件力学性能不断降低,且瓦斯作用会进一步加剧卸荷劣化程度,同时随着瓦斯压力的增加,劣化程度逐步加深;此外,卸压作用能够有效降低煤体冲击倾向性,同时含瓦斯煤体经过卸荷作用后冲击倾向性指标劣化程度高于原始煤试件,且随着瓦斯压力的增加,剩余弹性能指数降低程度越高。

关键词：冲击地压卸荷损伤冲击倾向性循环加卸载剩余弹性能指数

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层理煤的冲击破坏行为及其倾向性评价

岩石力学与工程学报 2024年

作者：李红儒何满潮乔亚飞程泰同济大学土木工程学院地下建筑与工程系中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室

冲击地压严重制约了深部煤炭资源的安全开采。从材料固有属性的角度建立合理的冲击倾向性指标对评估冲击地压风险十分重要。鉴于层理结构对煤的力学行为存在显著影响，本研究对不同层理角度煤样开展了单轴压缩实验和离散元数值模拟，分... 详细信息

冲击地压严重制约了深部煤炭资源的安全开采。从材料固有属性的角度建立合理的冲击倾向性指标对评估冲击地压风险十分重要。鉴于层理结构对煤的力学行为存在显著影响，本研究对不同层理角度煤样开展了单轴压缩实验和离散元数值模拟，分析了层理角度对煤力学特性及其冲击破坏行为的影响。实验及数值模拟结果表明：随着层理角度增加，煤的强度、变形以及冲击破坏程度均先降低后增加；细观破裂模式逐渐由剪切主导演变为张拉主导。指出冲击地压是一个动态断裂问题，能量释放速率高于动态断裂的能量需求是动能产生的原因。据此，基于实验结果提出真实能量释放速率RERR这一新指标作为冲击倾向性判据。RERR考虑了峰后能量对冲击地压的贡献以及破坏的时间效应，反映了动态断裂阶段能量释放的剧烈程度。结合实际破坏情况(声响、弹射)和传统指标(单轴抗压强度USC、弹性能量指数WET、冲击能量指数KE和动态断裂时间DT)的评估结果，全面分析了不同层理角度煤的冲击倾向性，发现真实能量释放速率RERR与传统指标呈高度线性关系，验证了真实能量释放速率RERR的合理性和有效性。最后，建立了基于真实能量释放速率RERR的冲击倾向性等级划分标准。

关键词：采矿工程冲击倾向性层理煤离散元真实能量释放速率动能

不同加载速率下煤单轴抗压强度测试与冲击倾向性影响分析

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能源与环保 2024年第3期46卷 227-232页

作者：魏全德王艳飞郝其林常雁杨伟利陈洋北京安科兴业矿山安全技术研究院有限公司北京102299 北京安科兴业科技股份有限公司北京100083 华北科技学院应急技术与管理学院河北三河065201 山东安科兴业智能装备有限公司山东济南250002 义马煤业集团股份有限公司河南义马472300 中原工学院建筑工程学院河南郑州451191 山东能源集团有限公司山东济南250101

针对冲击倾向性测试中煤样单轴抗压强度数据随加载速率变化和离散性问题,以内蒙古鄂托克前旗长城六号煤矿3号煤为研究背景,通过设置0.50、0.75、1.00 MPa/s三种不同加载速率进行煤样标准件的分组测试。测试结果表明,3种不同加载速率测... 详细信息

针对冲击倾向性测试中煤样单轴抗压强度数据随加载速率变化和离散性问题,以内蒙古鄂托克前旗长城六号煤矿3号煤为研究背景,通过设置0.50、0.75、1.00 MPa/s三种不同加载速率进行煤样标准件的分组测试。测试结果表明,3种不同加载速率测试得到煤的单轴抗压强度测试值均存在离散性;加载速率与单轴抗压强度测试值无明显线性关系;在舍去每组离散性较大的最大值和最小值后,再次计算在不同加载速率条件下煤单轴抗压强度的平均值和标准差,可以得到离散性相对较小的测试值;煤样单轴抗压强度测试值与加载速率无明显比例关系,加载速率的变化可导致同煤层冲击倾向性等级的变化。

关键词：冲击地压加载速率冲击倾向性单轴抗压强度离散性

单轴压缩条件下不同冲击倾向性煤岩损伤与破碎能演化规律研究

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采矿与安全工程学报 2022年第3期39卷 517-526页

作者：丁鑫肖晓春潘一山吴迪辽宁工程技术大学力学与工程学院辽宁阜新123000 辽宁大学环境学院辽宁沈阳110136

研究围绕“同一矿井煤岩试样会出现强度相近但峰后应力降模量明显差异,进而引起多种冲击倾向性判定结果和能量演变特征”的现象,以物理实验为基础,分析考虑了孔、裂隙对有效承载面积的削减作用,建立了基于孔隙率的初始损伤表达式,结合... 详细信息

研究围绕“同一矿井煤岩试样会出现强度相近但峰后应力降模量明显差异,进而引起多种冲击倾向性判定结果和能量演变特征”的现象,以物理实验为基础,分析考虑了孔、裂隙对有效承载面积的削减作用,建立了基于孔隙率的初始损伤表达式,结合非均匀性统计理论构建了煤岩本构关系及损伤演化方程,基于煤岩破碎后块体分布的自相似性,理论推导获得了以分形维数表征的破碎块体新增表面积及耗散能密度计算公式并实验验证。研究表明:随所受载荷增加,煤岩损伤演化曲线呈现为“受载初期平直、临近峰值陡增”的典型“S”型变化,且损伤在峰值点均低于0.5并集中于峰后阶段发展,冲击倾向性增强,其初始和应力峰值损伤越低,损伤越集中于峰后发展;认为煤岩产生损伤演化特点随冲击倾向性变化主要是因孔裂隙发育及不同物质组成所致,孔隙率逐渐增加使试样更易在缺陷部分发生微裂隙扩展并与相邻的缺陷部分汇聚而形成宏观破裂;弱冲击倾向试样宏观煤岩成分具有更多暗煤,反之冲击倾向性增强煤岩中镜煤、亮煤占比增加,两种宏观煤岩组分虽均使煤岩展现出较高的抗压强度,但暗煤韧性大,与之相对应的亮煤、镜煤脆性特征更为显著,表现出峰后软化及损伤差异;冲击倾向性增强,煤岩破碎程度增加即分形维数升高、碎块分布向更小尺寸集中;随碎块分形维数增加,破碎耗散能理论曲线呈斜率升高的“下凹”型增长,更为直观地反映了煤岩冲击倾向性与破碎度、盈余能间的正相关关系。

关键词：冲击倾向性初始损伤力学本构关系分形理论破碎能

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煤冲击倾向性的针贯入法测定

煤炭学报 2023年第5期48卷 1932-1942页

作者：赵毅鑫谢镕澴高艺瑞中国矿业大学(北京)共伴生能源精准开采北京市重点实验室北京100083 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083 “煤矿灾害预防与处置”应急管理部重点实验室北京100083

冲击倾向性是煤的固有力学属性,也是评价煤矿冲击地压风险的重要依据。提出了一种基于针贯入法快速测定煤冲击倾向性的实验方法;结合纵波波速测试和单轴压缩实验,探究了具有不同贯入度指数的煤样对应的物理力学性质差异及在受压破坏过... 详细信息

冲击倾向性是煤的固有力学属性,也是评价煤矿冲击地压风险的重要依据。提出了一种基于针贯入法快速测定煤冲击倾向性的实验方法;结合纵波波速测试和单轴压缩实验,探究了具有不同贯入度指数的煤样对应的物理力学性质差异及在受压破坏过程中能量演化规律,采用剩余弹性应变能释放率指数KRE,定量表征了弹性应变能累积释放特性并进行冲击倾向性评价。通过数据拟合与回归分析,获得了测试煤样贯入度指数与纵波波速、单轴抗压强度、弹性模量等物理力学参数的对应关系,并建立了贯入度指数和冲击能量指数、弹性能量指数、动态破坏时间、剩余弹性应变能释放率指数等冲击倾向性指标的关联表达式;构建了基于贯入度指数的煤冲击倾向性分级评价方法,采用对应煤样冲击倾向性测试时煤屑弹射质量比F对基于贯入度指数的煤冲击倾向性分级评价方法进行了验证。结果表明:煤的贯入度指数与纵波波速、单轴抗压强度、弹性模量等物理力学参数及冲击能量指数、弹性能量指数、剩余弹性应变能释放率指数等冲击倾向性指标呈幂函数正相关关系,与动态破坏时间呈负相关的指数关系;贯入度指数越大,煤的弹性变形和储能性能越强;贯入度指数为85 N/mm时是煤单轴抗压强度突变临界值;利用针贯入法测定煤的物理力学性质、弹性应变能储存释放特性及冲击倾向性具有良好的可行性与可靠性。

关键词：针贯入法煤冲击倾向性能量演化弹射质量比

裂隙分布对煤岩体冲击倾向性影响机制试验研究

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采矿与安全工程学报 2023年第3期40卷 554-562页

作者：朱志洁姚振华王来贵韩军吴云龙辽宁工程技术大学矿业学院辽宁阜新123000 煤炭科学研究总院煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室北京100013

对含预制裂隙试件开展单轴压缩试验,采用声发射和数字散斑监测技术探究了不同裂隙分布试件的力学响应特征,分析了不同裂隙对试件变形破坏、冲击倾向性及能量积聚与释放的影响规律。试验结果表明:同种类型预制裂隙试件的破坏形式,随倾角... 详细信息

对含预制裂隙试件开展单轴压缩试验,采用声发射和数字散斑监测技术探究了不同裂隙分布试件的力学响应特征,分析了不同裂隙对试件变形破坏、冲击倾向性及能量积聚与释放的影响规律。试验结果表明:同种类型预制裂隙试件的破坏形式,随倾角的增加,破坏类型呈拉破坏—拉剪破坏—拉破坏—劈裂拉破坏的变化趋势,破坏剧烈程度呈现强—弱—强的变化趋势。从不同裂隙类型来看,平行双裂隙的试件产生的次生裂隙与预制裂隙形成块体结构,削弱了试件整体的完整性。单轴抗压强度、冲击能量指数等4个指标反映冲击倾向性变化规律为:随倾角增加,呈现先减小、后升高的变化趋势,其中β=30°时冲击倾向性最小。倾角相同情况下,不同类型的裂隙试件其冲击倾向性大小关系为:共面双裂隙试件>单裂隙试件>平行双裂隙试件。应力峰前阶段累计声发射能量和总累计能量之比W_(E)、峰前累计声发射事件与累计总事件之比W_(N)和声发射事件特征参数b值3个指标的变化规律与冲击倾向性的变化规律相一致。声发射信号能量-频次特征揭示了冲击倾向性变化规律的内在原因。研究成果对揭示裂隙煤岩体冲击地压发生机制具有重要理论意义。

关键词：裂隙冲击倾向性能量耗散冲击地压裂隙煤岩体

基于剩余能量释放速率指数的煤岩组合体冲击倾向性判定

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岩石力学与工程学报 2023年第6期42卷 1366-1383页

作者：陈光波李谭张国华李建伟刘刚贺永亮李元内蒙古科技大学矿业研究院内蒙古包头014010 山东科技大学能源与矿业工程学院山东青岛266590 黑龙江科技大学黑龙江哈尔滨150022 太原科技大学安全与应急管理工程学院山西太原030024 太原科技大学煤矿粉尘智能监测与防控山西省重点实验室山西太原030024

煤岩冲击倾向性是煤岩是否发生冲击地压的自然属性,是煤岩发生冲击地压灾害的关键影响因素。为准确评判煤岩冲击倾向性,以煤岩组合体为研究对象,对其开展单轴循环加卸载试验,获得组合体不同应力水平下弹性应变能,建立弹性应变能与应力... 详细信息

煤岩冲击倾向性是煤岩是否发生冲击地压的自然属性,是煤岩发生冲击地压灾害的关键影响因素。为准确评判煤岩冲击倾向性,以煤岩组合体为研究对象,对其开展单轴循环加卸载试验,获得组合体不同应力水平下弹性应变能,建立弹性应变能与应力水平之间的函数关系,提出一种峰值应力时刻弹性应变能计算新方法。据此,提出一种综合考虑试件峰值强度、弹性应变能、破坏过程能量耗散及破坏时间的剩余能量释放速率指数,并结合现有指标给出冲击倾向性判定区间,最后进行合理性验证。结果表明:(1)随着应力的增大,弹性应变能呈现“缓慢→快速→缓慢”的增长规律,对应了应力-应变曲线的压密阶段、弹性阶段、塑性阶段。(2)输入应变能、弹性应变能、耗散应变能的演化规律与应力演化规律相似,均随应力的增大而增大,输入应变能增幅最大,耗散应变能增幅最小。(3)试验获得了组合体不同应力水平时刻的弹性应变能,建立弹性应变能与应力水平之间的函数关系,即任一时刻应力的平方与弹性应变能具有良好线性关系,据此,提出一种峰值应力时刻弹性应变能计算新方法。(4)综合考虑试件峰值强度、弹性应变能、破坏过程能量耗散及破坏时间等多种因素,提出一种新的冲击倾向性鉴定指标:剩余能量释放速度指数WT,该指数为试样峰前弹性应变能减去峰后耗散应变能得到的剩余能量与动态破坏时间的比值,表征煤岩发生冲击破坏时单位时间内能量释放情况。该指标与抗压强度Rc、冲击能量指数KE、弹性能量指数WET、动态破坏时间DT密切相关。给定了剩余能量释放速度指数WT的评判区间:当WT≤0时,煤岩无冲击倾向;当0冲击倾向;当WT>14.5时,煤岩为强冲击倾向。(5)采用多试样法对提出的剩余能量释放速率指数WT进行合理性验证。采用该指数对8个矿区煤层冲击倾向性进行评判,结果表明:剩余能量释放速率指数WT评价准确率高达93.75%。利用提出的新指标评价煤岩冲击倾向性,准确率高,合理性好,能够反映煤岩实际冲击倾向,具有较好的推广和应用价值。

关键词：岩石力学冲击倾向性煤岩组合体弹性应变能剩余能量释放速率合理性验证