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冲击倾向性煤体的细观特征与裂纹失稳的试验研究

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冲击倾向性煤体的细观特征与裂纹失稳的试验研究

第九届全国岩石力学与工程学术大会

作者：刘文岗姜耀东周宏伟陈忠辉核工业北京地质研究院中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院

本文对大同忻州窑矿、开滦赵各庄矿具有冲击倾向性煤体试样的扫描电镜(SEM)及三点弯曲试验,分析了冲击煤的显微组分、细观结构特征;并且通过对SEM数字图像和载荷位移关系的分析,初步解释突出煤体裂纹损伤演化的细观机理。试验表明:①煤... 详细信息

本文对大同忻州窑矿、开滦赵各庄矿具有冲击倾向性煤体试样的扫描电镜(SEM)及三点弯曲试验,分析了冲击煤的显微组分、细观结构特征;并且通过对SEM数字图像和载荷位移关系的分析,初步解释突出煤体裂纹损伤演化的细观机理。试验表明:①煤是非均质材料,突出危险煤的微结构以粒状、网状、片状结构为主,也可以见到鳞片状和压扭性结构;②发生冲击地压灾害的破坏煤体中,裂纹主要为新生裂纹,且裂纹的扩展通常具有一定厚度带状区域,裂纹由萌发、扩展到结构失稳的破坏过程具有自组织、能量耗散的特征;③经过冲击地压破坏后的试样破坏强度低于渐进破坏煤体试样的强度,约为1／3-1／2,这也说明因冲击地压能量突然释放引起的失稳破坏具有显著不同的特征。

关键词：冲击倾向性扫描电镜细观结构裂纹三点弯曲试验

来源： cnki会议评论

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瓦斯压力对煤样冲击倾向性的影响研究

瓦斯压力对煤样冲击倾向性的影响研究

作者：王祖洸河南理工大学

学位级别：硕士

随着煤矿开采深度的增加,煤岩瓦斯复合型动力灾害日趋增多,特别是含瓦斯煤层动力灾害往往发生同时包含冲击地压和煤与瓦斯突出等多种动力灾害复合的特点。而目前对于冲击地压的研究大多数停留在“冲击地压是忽略或没有瓦斯作用的突出”... 详细信息

随着煤矿开采深度的增加,煤岩瓦斯复合型动力灾害日趋增多,特别是含瓦斯煤层动力灾害往往发生同时包含冲击地压和煤与瓦斯突出等多种动力灾害复合的特点。而目前对于冲击地压的研究大多数停留在“冲击地压是忽略或没有瓦斯作用的突出”的理论基础上,且我国目前行业规定的煤样冲击倾向性指标是在煤样不含瓦斯条件下通过单轴压缩实验获得的,也没有考虑瓦斯的影响。以瓦斯压力对煤样冲击倾向性的影响为研究目的,分析瓦斯压力对煤岩体力学行为的影响规律。以RMT-150C型岩石力学试验机为载体,研发单轴压缩条件下含瓦斯煤岩受载变形破坏实验装置,并结合DS5型全信息声发射信号分析仪和XL2101C程控静态电阻应变仪等组成含瓦斯煤单轴压缩实验系统,对不同瓦斯压力条件下煤样的受载破坏过程中的力学参数、冲击倾向性指标和声发射信号参数进行测定和分析;然后,采用岩石破裂过程分析系统RFPA对不同瓦斯压力条件下煤样的破坏过程、力学参数、声发射空间分布特征等进行模拟;最后,基于耗散结构理论建立煤样破坏方程。主要结论有:(1)实验结果:随着煤样内瓦斯压力由0MPa增加到2MPa,煤样的抗压强度和弹性模量分别降低58.78%和49.03%,其泊松比增加27.43%;分析煤样的冲击倾向性指标的变化趋势,经过综合评定,煤样的冲击倾向性由强冲击倾向性变为弱冲击倾向性;煤样的声发射峰值计数、声发射峰值能量、声发射累计计数和声发射累计能量均呈降低趋势;(2)模拟结果:煤样破坏过程中裂隙的发育和声发射信号的分布都是由无序向有序发展;随着瓦斯压力的增加,模拟试样的加载力(即抗压强度)和弹性模量都呈现降低的趋势;随着煤体内瓦斯压力的升高,试样的声发射峰值计数、声发射累计计数、声发射峰值能量及声发射累计能量均呈降低趋势。模拟结果与实验结果一致;(3)理论结果:基于耗散结构理论中的动力方程推导出来的不同瓦斯压力下煤样单轴破坏过程分维数随时间的变化方程,计算结果显示,瓦斯压力越大,煤样的变形越离散,分维数越大,计算结果与试验和模拟结果体现的规律是一致的。

关键词：瓦斯压力冲击倾向性含瓦斯煤单轴压缩实验耗散结构

不同含水率对坚硬煤岩冲击倾向性分析及防冲煤层注水参数优化研究

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不同含水率对坚硬煤岩冲击倾向性分析及防冲煤层注水参数优化研究

作者：常亚男内蒙古科技大学

学位级别：硕士

随着矿山开采向深部发展,所面临的开采环境更加复杂,特别是地压灾害愈加明显。本文以山西某矿1303(上)工作面采集的煤岩试件为研究对象,通过对不同含水率的试件开展单轴压缩试验及声发射试验,研究不同含水率下煤岩的破坏特性、力学性质... 详细信息

随着矿山开采向深部发展,所面临的开采环境更加复杂,特别是地压灾害愈加明显。本文以山西某矿1303(上)工作面采集的煤岩试件为研究对象,通过对不同含水率的试件开展单轴压缩试验及声发射试验,研究不同含水率下煤岩的破坏特性、力学性质及声发射规律等,建立新的冲击倾向性分类标准,同时采用COMSOL Multiphysics数值模拟软件开展煤层注水参数优化研究工作,研究结果可为煤层注水防治冲击地压提供参考。主要研究内容与研究结论如下:(1)本次试验共用到七组煤岩试件,前六组试件在实验室利用真空加压饱和装置开展了煤岩试件饱水试验,测定了煤岩饱水率,通过电热鼓风干燥箱对饱水煤岩不同程度地驱散其水分,采用称重法获得不同含水率煤岩试件;第七组为原煤力学试验,作为对照组。这为开展不同含水率煤岩力学性质研究奠定了试验基础。(2)对七组煤岩试件进行了单轴压缩试验,分析动态破坏时间、冲击能量指数、单轴抗压强度、含水率对其冲击倾向性的影响,通过重新调整四个指标的权重,建立公式将冲击倾向性分类转变为4类,创建了一套判定冲击倾向性的新标准,结果表明:在加载速率相同的情况下,试件的破碎程度、弹性模量、硬度、单轴抗压强度、冲击能量指数等物理力学参数与含水率呈现反比关系;动态破坏时间与含水率呈现正比关系。通过新的冲击倾向性分类标准判定当试件的含水率达到60%时,煤岩会由强冲击倾向转为弱冲击倾向性。(3)对七组煤岩试件进行了声发射试验,分析了振铃计数、能量与含水率的关系,结果表明:水分对煤岩试件的声发射特性有显著影响,振铃计数—时间—应力特征图和能量—时间—应力特征图都分为三个阶段,每阶段的振铃计数峰值、时域、能量峰值随着含水率的增大而减小。(4)为降低1303(上)工作面的冲击倾向性,采用COMSOL Multiphysics数值模拟软件,模拟注水时的有效湿润半径,优化注水参数,使此工作面在经济和安全开采的同时,能够达到降低其冲击倾向性的含水率,结果表明:由新的冲击倾向性分类标准可知此工作面为强冲击倾向性,最优注水参数为钻孔半径0.08 m、注水压力8 MPa、注水时间2.0 h,此时工作面含水率达到65%,由强冲击倾向性转化为弱冲击倾向性。

关键词：含水率冲击倾向性单轴抗压强度声发射

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煤岩细观结构特征与冲击倾向性关系研究

煤岩细观结构特征与冲击倾向性关系研究

作者：孙中学辽宁工程技术大学

学位级别：硕士

冲击倾向性作为煤岩介质本身所具有的一种特有属性,受煤岩介质成分、煤岩结构等内在因素影响。为明确不同冲击倾向性煤岩体的细观结构特征及其与冲击倾向性的关系,选取典型矿井煤层的煤岩样,采用现行的单轴抗压强度、动态破坏时间、弹... 详细信息

冲击倾向性作为煤岩介质本身所具有的一种特有属性,受煤岩介质成分、煤岩结构等内在因素影响。为明确不同冲击倾向性煤岩体的细观结构特征及其与冲击倾向性的关系,选取典型矿井煤层的煤岩样,采用现行的单轴抗压强度、动态破坏时间、弹性能量指数和冲击能量指数四个指标对煤岩进行冲击倾向性鉴定,并对其物理力学性质和破裂失稳过程进行简要分析。然后利用Computerized Tomography(CT)扫描的方法,对具有强、弱、无三种冲击倾向性的典型煤岩进行扫描,获得煤岩介质层析图像,分析其细观结构分布特点,试验结果表明,煤岩细观结构形态分布差异明显,强冲击倾向性煤岩裂隙结构不发育,呈现“短直”的特点,无冲击倾向性煤岩裂隙结构发育,呈“网”状分布。为进一步量化煤岩细观结构特征,通过图像增强技术和二值化等手段,对CT扫描图像进行数字图像处理,获得煤岩细观结构参数数据。通过直方图统计和基于体式学参数统计的方法,对获得的煤岩细观结构参数数据与冲击倾向性的关系进行研究,提出基于细观结构的煤岩冲击倾向性新指标—单位面积裂隙的周长PA、面积分数AAC、圆形度R,建立一种基于煤岩宏观和细观指标的煤层冲击倾向性判别方法,并给出判别方法的实验步骤。提出利用自行设计改装的体式光学显微镜代替CT扫描设备,提高实验安全性的同时大大降低了实验成本,有利于煤岩细观结构相关实验结果的推广使用。本文通过三维重建技术尝试还原不同冲击倾向性煤岩细观结构空间分布,研究分析煤岩细观结构空间分布特点。利用CT无损检测的试件进行单轴压缩实验,通过声发射空间定位反演分析裂纹扩展规律与细观结构之间的关系,通过能量理论阐述基于细观结构特征的煤岩破裂失稳过程。

关键词：冲击倾向性 Computerized Tomography(CT) 数字图像处理细观结构体视学

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大同矿区巷道冲击地压特征及冲击倾向性研究

大同矿区巷道冲击地压特征及冲击倾向性研究

作者：张绪言太原理工大学

学位级别：硕士

冲击地压是指在集中应力作用下，煤体或岩体内积聚的弹性应变能在一定条件下突然释放，使煤或岩体发生急剧脆性破坏并向采掘空间抛出的一种动力现象。冲击地压不仅损坏生产设备、破坏生产、损失储量，而且给煤矿职工造成人身伤亡和损失... 详细信息

冲击地压是指在集中应力作用下，煤体或岩体内积聚的弹性应变能在一定条件下突然释放，使煤或岩体发生急剧脆性破坏并向采掘空间抛出的一种动力现象。冲击地压不仅损坏生产设备、破坏生产、损失储量，而且给煤矿职工造成人身伤亡和损失。因而有必要对冲击地压进行系统、深入的研究。本文结合大同矿区冲击地压显现特点及地应力测试结果，通过理论分析、数值模拟以及实验室测试对构造应力对巷道冲击的影响以及冲击倾向性指标进行研究。分析了大同矿区冲击地压的特点及其影响因素，然后通过数值模拟的方法对构造应力作用条件下巷道围岩的应力状态进行了分析得出：构造应力作用下，法线方向与构造应力同向的煤壁更容易发生冲击地压的结论，分析了强度破坏与煤岩冲击的关系，及现行冲击倾向性指标的不足，提出了新的能够反映冲击过程中能量及时间因素的判别指数即剩余能量释放速度指数，进行了相应的试验论证，提出了初步的判别标准。

关键词：冲击地压构造应力冲击倾向性剩余能量释放速度指数

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煤体冲击倾向性的层理节理效应研究

煤体冲击倾向性的层理节理效应研究

作者：靳涛太原理工大学

学位级别：硕士

冲击地压是典型的煤矿动力灾害。现有冲击地压的研究中,更多的关注点多集中在应力集中问题,而缺少对煤体这一本源的进一步认识。煤岩体物理性质应作为能否发生冲击地压灾害的内因,煤的内在属性——冲击倾向性研究应始终作为防冲击的基... 详细信息

冲击地压是典型的煤矿动力灾害。现有冲击地压的研究中,更多的关注点多集中在应力集中问题,而缺少对煤体这一本源的进一步认识。煤岩体物理性质应作为能否发生冲击地压灾害的内因,煤的内在属性——冲击倾向性研究应始终作为防冲击的基础。煤属于一种层理和节理都较为发育的岩体,煤体还存在有一定的交叉裂隙,导致煤具有非均质性。对冲击地压的探讨需从外逐渐向内过渡。本文以煤体赋存的裂隙、层理与冲击倾向性的关系作为研究的出发点,通过数值模拟和实验研究的方法研究煤的层理、煤体裂隙存在形式与冲击倾向性及冲击破坏形式之间的关系。通过RFPA2D数值模拟,研究煤样在单裂隙,交叉裂隙两种不同裂隙形式下裂隙倾角对冲击倾向性及冲击破坏的影响。利用实验室的万能电子试验机测定冲击倾向性各指标大小,计算其有效冲击能量速率得出冲击倾向性与层理角度之间关系的规律,并与饱和含水率的情况进行对比,进一步分析煤的冲击倾向性。主要的研究结论如下:(1)节理(裂隙)的存在会弱化煤的抗压强度,但单条裂隙倾角变化带来的影响并不突出。当加载方向与单裂隙方向之间夹角为90°时,冲击倾向性减弱显著。交叉裂隙形式下,裂隙交叉形式与同形式下交叉夹角变化对应力-应变曲线影响突出,不同的裂隙交叉形式中,水平交叉裂隙形式对其抗压强度的降低最为明显,竖直次之,对称形式降低最少。同一交叉形式下,随夹角增大,其单轴抗压强度降低,90°时为同交叉形式下的最小值。其单轴抗压强度表现出明显的节理效应。(2)单裂隙形式下,30°、60°裂隙倾角下,沿原裂隙起裂,造成剪切破坏。裂隙与轴向加载方向夹角越小,煤体破裂程度越显著。90°裂隙倾角下,原裂隙垂直轴向载荷,裂纹发育依托原有裂隙,但原有水平裂隙几乎不影响煤体破裂模式。裂隙不同交叉形式下煤体变形破坏有差别,但具有共同点,存在与横截面水平的裂隙,几乎不影响煤体的破裂模式,存在竖直裂隙便会贯通破坏,呈现主破裂面。三种裂隙交叉形式下,裂隙夹角变大都会造成裂隙发育起裂变早,且裂隙发育程度变大。其裂隙发育与宏观破坏表现出明显的节理效应。(3)对声发射图研究表明:单裂隙形式下随着倾角增大,交叉裂隙形式下随着夹角增大,都会更早出现微小裂隙,且裂隙发育缓慢,持续时间更长,耗散能量增加,宏观破坏程度变弱,冲击倾向性变弱。当达到抗压极限,试件发生宏观破坏时,声发射少,应力释放减少,破坏程度变弱,且其结论与模拟宏观破坏情况基本吻合。声发射个数-加载步柱状图可间接显示裂隙发育程度和宏观破坏强度,对评判冲击倾向性大小有一定指导作用。(4)烟煤冲击倾向性层理效应明显。加载方向与层理方向呈90°倾角时,冲击倾向性最强,0°时较弱,45°时最弱。不同层理下,煤样应力应变曲线表现出显著差异,归根结底在于结构不同。建议层理结构明显的煤样在评估冲击倾向性时都考虑层理效应,煤矿开采实践中,考虑应力对巷道的稳定性影响,避免煤柱设计时煤层层理与主应力方向垂直。(5)饱和含水率状态下,煤样弹性模量减小,塑性增强、弹性降低,冲击倾向性减弱。且所选煤样冲击倾向性不再具有层理效应,各层理煤样冲击指数大致相同。

关键词：煤体冲击倾向性层理节理效应 RFPA2D

冲击倾向性特厚煤层综放面回采巷道支护参数优化研究

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中国科技期刊数据库工业A 2023年第9期 56-60页

作者：刘军曾煜陕西旬邑青岗坪矿业有限公司陕西咸阳711309 中国矿业大学江苏徐州221116

随着煤炭开采深度的增加,开采活动受到地质条件、地应力及采动应力等因素的影响更为明显,采场及巷道顶板控制难度加大。陕西旬邑青岗坪煤矿4#煤层为冲击倾向性特厚煤层,综放工作面回采过程中巷道围岩变形量大、安全性低,严重影响工作面... 详细信息

随着煤炭开采深度的增加,开采活动受到地质条件、地应力及采动应力等因素的影响更为明显,采场及巷道顶板控制难度加大。陕西旬邑青岗坪煤矿4#煤层为冲击倾向性特厚煤层,综放工作面回采过程中巷道围岩变形量大、安全性低,严重影响工作面的顺利推进。针对此,本文采用理论分析与数值模拟方法对回采巷道原支护技术方案及工艺进行优化设计。通过数值模拟预测了巷道变形控制情况,并最终决定对42108工作面大断面回采巷道采用“锚网索+W钢带”联合支护,现场工程应用取得了良好的支护效果,使围岩变形得到了有效控制。研究成果对于类似地质条件的回采巷道支护设计具有一定的参考价值。

关键词：特厚煤层冲击倾向性巷道支护综放开采

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冲击倾向性煤体动态断裂过程的实验研究

冲击倾向性煤体动态断裂过程的实验研究

第九届全国岩石力学与工程学术大会

作者：赵毅鑫姜耀东祝捷李玉涛 “煤炭资源与安全开采”国家重点实验室中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院

矿井冲击地压灾害是井下具有明显突发性,破坏性较强的重大灾害之一,本文采用分布式多火花高速摄影系统对煤体三点弯曲试样的冲击断裂过程进行了观测,分析了裂纹扩展速度、动态裂纹扩展摸式及裂纹扩展的惯性效应和非稳定性。研究发现:冲... 详细信息

矿井冲击地压灾害是井下具有明显突发性,破坏性较强的重大灾害之一,本文采用分布式多火花高速摄影系统对煤体三点弯曲试样的冲击断裂过程进行了观测,分析了裂纹扩展速度、动态裂纹扩展摸式及裂纹扩展的惯性效应和非稳定性。研究发现:冲击倾向性煤体内裂纹扩展具有高度的非线性特征;煤体材料的非均质性和不连续性对煤体中动态裂纹扩展模式和裂纹扩展速度的影响较大。实验结果解释了由放炮等震动引起的冲击地压灾害的煤体破坏滞后机理。

关键词：冲击倾向性裂纹非稳定扩展

来源： cnki会议评论

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煤系岩石冲击倾向性试验研究

中国科技论文在线 2007年第7期2卷 511-516页

作者：孟召平潘结南中国矿业大学(北京)资源与地球科学系北京100083

煤系岩石冲击倾向性是煤、岩介质的固有属性。本文通过煤系岩石显微定量分析和冲击倾向性试验研究,建立了碎屑岩的岩石学特征与其宏观力学性质和冲击倾向性之间的相关关系。研究结果表明,碎屑岩的岩石学特征对其宏观力学性质和冲击倾向... 详细信息

煤系岩石冲击倾向性是煤、岩介质的固有属性。本文通过煤系岩石显微定量分析和冲击倾向性试验研究,建立了碎屑岩的岩石学特征与其宏观力学性质和冲击倾向性之间的相关关系。研究结果表明,碎屑岩的岩石学特征对其宏观力学性质和冲击倾向性具有重要影响作用,随着碎屑颗粒含量的增加,岩石的强度和刚性增强,岩石的脆性增大,弹性能指数和冲击能指数增加,岩石在轴向应力作用下达到峰值强度以后直到完全破坏的持续时间变短,冲击倾向性增强。随着碎屑颗粒粒径的增大,印由砂质泥岩、粉砂岩向砂岩过渡,粗粒的粒柱状矿物逐渐增加,而细粒的片状矿物逐渐减少,岩石的强度和刚性增强,在集中应力作用下,弹性能指数增大,发生脆性破坏的可能性增大及破坏持续的时间变短也更猛烈,岩石的冲击倾向性增强。

关键词：冲击倾向性试验研究煤系岩石弹性能指数击能指数动态破坏时间