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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

煤的冲击倾向性研究进展及冲击地压“人-煤-环”三要素机理

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煤炭学报 2022年第5期47卷 1974-2010页

作者：宫凤强赵英杰王云亮彭康东南大学土木工程学院江苏南京211189 东南大学苏州联合研究生院江苏苏州215123 中南大学资源与安全工程学院湖南长沙410083

煤的冲击倾向性是冲击地压机理的基础研究问题之一,也是目前评估和预测煤矿冲击地压危险程度的主要依据之一。系统梳理了煤的冲击倾向性专业术语和冲击倾向性指数的研究历史,提出了煤的冲击倾向性直接指数和间接指数的概念和定义。对现... 详细信息

煤的冲击倾向性是冲击地压机理的基础研究问题之一,也是目前评估和预测煤矿冲击地压危险程度的主要依据之一。系统梳理了煤的冲击倾向性专业术语和冲击倾向性指数的研究历史,提出了煤的冲击倾向性直接指数和间接指数的概念和定义。对现有的16种冲击倾向性指数的出处、定义、表征符号、计算公式、试验过程、分类标准等进行了详细介绍。对来自5个煤矿的30个煤样进行了单轴压缩试验,利用试验结果对16种冲击倾向性指数进行了计算,获得了具体的冲击倾向性类别。为了对煤的16种冲击倾向性指数的判别结果进行统一验证,根据煤样破坏过程和破坏状态,提出了基于试验现象的煤样冲击倾向性定性判据及分类标准。通过统一对比,结果表明剩余弹性能指数判别结果和定性判据判别结果完全一致。剩余弹性能指数以煤线性储能规律为基础,从煤样受力全过程中能量输入、储存、消耗、剩余的角度出发,以煤样破坏时剩余的绝对能量值作为判别指标,符合冲击地压发生时释放弹性应变能的本质。剩余弹性能指数属于煤的冲击倾向性直接指数,所得结果实现了和定性判别结果的相互验证和统一,具有科学性与适用性。根据冲击地压属于深部工程地质灾害的特点,借鉴系统工程学思想提出了冲击地压“人-煤-环”三要素机理,进一步明确了煤的冲击倾向性研究所起的作用和地位。从力学性质和材料性质2个方面分析了煤和岩石的本质属性差异,认为冲击地压属于固体可燃有机岩动力破坏,而岩爆属于固体不可燃无机岩动力破坏。最后,提出了煤的冲击倾向性指数研究中存在的6个关键科学问题。

关键词：冲击地压煤冲击冲击倾向性指数线性储能规律剩余弹性能指数远场弹射质量比 “人-煤-环”三要素机理深部工程地质灾害

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白砂岩相似材料配比试验及特性分析

地下空间与工程学报 2022年第2期18卷 503-512页

作者：贾宝新苑文雅马超义刘丰溥张建俊辽宁工程技术大学土木工程学院辽宁阜新123000 辽宁省矿山沉陷灾害防治重点实验室辽宁阜新123000

岩爆已成为隧道工程中的常见灾害,物理模型试验是模拟和解决岩爆问题的一种有效科学手段。制作物理模型,材料选取和配比是关键。选取成昆铁路峨米段月直山隧道白砂岩为模拟对象配制白砂岩相似材料,引入弹性能指数、脆性指数和剩余弹性... 详细信息

岩爆已成为隧道工程中的常见灾害,物理模型试验是模拟和解决岩爆问题的一种有效科学手段。制作物理模型,材料选取和配比是关键。选取成昆铁路峨米段月直山隧道白砂岩为模拟对象配制白砂岩相似材料,引入弹性能指数、脆性指数和剩余弹性能指数,采用正交设计法配比相似材料,结合影响因素敏感性分析法对试验结果进行分析研究。以石英砂、铁粉、石膏、水泥、缓凝剂和减水剂为主要材料,选取石英砂含量、铁粉含量、石膏水泥比和砂子粒径4个影响因素,每个因素设定4个设计水平,一共16组配比方案。测定每组试验方案材料的单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量、弹性能指数、脆性指数和剩余弹性能指数,对比分析这些指数随着4个影响因素的变化规律。最终挑选出合理的材料配比方案,得到满足要求的白砂岩相似材料。试验结果表明:基于弹性能指数、脆性指数和剩余弹性能指数,配制出的材料能够满足白砂岩相似材料模型试验的要求;以水泥作为胶结材料可以使相似材料峰后曲线变缓,有效增加材料储能能力;预配制出中等强度岩爆倾向性白砂岩相似材料的关键是要合理地控制好石英砂的含量和石膏水泥比两个因素,再根据实际情况调节铁粉含量和石英砂粒径大小。

关键词：白砂岩相似材料正交设计弹性能指数脆性指数剩余弹性能指数

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尺寸效应对煤体冲击倾向性的影响研究

煤炭科学技术 2022年第S2期50卷 170-179页

作者：孙如达张传玖李红平贾兵兵中煤科工开采研究院有限公司北京100013 国能神东煤炭布尔台煤矿内蒙古鄂尔多斯017209 国家能源集团新疆能源有限责任公司新疆乌鲁木齐830000

不同尺度煤体冲击倾向性研究对于厘清煤炭地下开采过程中冲击地压尺寸效应形成机制起着关键作用。为探明煤体冲击倾向性尺寸效应,对不同尺寸煤试件进行单轴压缩及变上限循环加卸载试验。试验结果表明:与标准(ϕ50 mm×100 mm)煤试件相比... 详细信息

不同尺度煤体冲击倾向性研究对于厘清煤炭地下开采过程中冲击地压尺寸效应形成机制起着关键作用。为探明煤体冲击倾向性尺寸效应,对不同尺寸煤试件进行单轴压缩及变上限循环加卸载试验。试验结果表明:与标准(ϕ50 mm×100 mm)煤试件相比,小尺寸(ϕ25 mm×50 mm)煤试件的平均单轴抗压强度增加了8.02%,弹性模量增加了23.16%;大尺寸(ϕ75 mm×150 mm)煤试件的平均单轴抗压强度降低了11.03%,弹性模量降低了7.37%。随着煤试件尺寸的增加,声发射累积事件总数不断降低,临近破坏时煤试件表面位移场趋于无序变化。经CT扫描煤体试件内部微裂隙分形维数随其尺寸扩大不断增加,表明较大尺寸煤试件内部裂纹数量增多且空间分布更加复杂,这直接导致煤体呈现出尺寸效应特征。煤体试件尺寸从ϕ25 mm×50 mm增加至ϕ75 mm×150 mm,其剩余弹性能指数C^(EF)由26.53 kJ/m^(3)降低为21.36 kJ/m^(3),这表明尺寸效应将直接影响煤体的冲击倾向性,同种煤体的尺寸越大,其冲击倾向性越小。

关键词：冲击倾向性尺寸效应煤体裂纹剩余弹性能指数

不同压力CO_(2)作用对煤体冲击倾向性的影响研究

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矿业研究与开发 2023年第9期43卷 134-140页

作者：于秋南李彦斌太原理工大学矿业工程学院山西太原030024 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北京100083

煤体冲击倾向性研究对于探明地下深部煤炭开采过程中冲击地压的形成机理具有重要意义。为了探究不同压力CO_(2)作用对煤体冲击倾向性的影响,对不同压力CO_(2)浸泡作用后的煤试件进行单轴压缩及变上限循环加卸载试验。试验结果表明:经过2... 详细信息

煤体冲击倾向性研究对于探明地下深部煤炭开采过程中冲击地压的形成机理具有重要意义。为了探究不同压力CO_(2)作用对煤体冲击倾向性的影响,对不同压力CO_(2)浸泡作用后的煤试件进行单轴压缩及变上限循环加卸载试验。试验结果表明:经过2, 4, 6, 8 MPa与10 MPa压力的CO_(2)作用后,煤试件单轴抗压强度分别下降了9.97%、16.14%、25.02%、45.97%与52.77%,弹性模量分别降低了11.01%、18.35%、27.52%、44.95%。随着CO_(2)浸泡压力的增加,煤样力学特性劣化程度逐渐加剧,声发射累积事件总数降低。从微观层面解释了CO_(2)作用对煤体的损伤机理。不同压力CO_(2)浸泡后煤试件变上限循环加卸载过程中的输入能U_(in)^(n)与弹性能U_(e)^(n)均符合线性关系。经过2, 4, 6, 8 MPa与10 MPa压力的CO_(2)作用后,较原始煤试件剩余弹性能指数C_(EF)分别降低了9.35%、17.16%、25.54%、47.18%与55.48%,表明CO_(2)对煤体冲击倾向性具有弱化作用,且CO_(2)达到其超临界态时对煤体冲击倾向性的弱化效果更明显。

关键词：冲击倾向性二氧化碳煤体损伤剩余弹性能指数

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冲击倾向性对煤体动态断裂行为的影响研究

煤矿安全 2023年第12期54卷 88-96页

作者：李果张传玖杨永亮国能神东煤炭集团有限责任公司陕西神木719315 国能神东煤炭集团有限责任公司布尔台煤矿内蒙古鄂尔多斯017209

为了探明冲击倾向性对煤体动态断裂特性的影响,对3类煤体进行了变上限循环加卸载试验及动静态I型动态断裂试验。结果表明:3类煤体变应力上限循环加卸载过程中的应变能U^(n)_(e)与输入能U^(n)_(in)之间存在近似线性函数关系,其统一表达... 详细信息

为了探明冲击倾向性对煤体动态断裂特性的影响,对3类煤体进行了变上限循环加卸载试验及动静态I型动态断裂试验。结果表明:3类煤体变应力上限循环加卸载过程中的应变能U^(n)_(e)与输入能U^(n)_(in)之间存在近似线性函数关系,其统一表达公式为U^(n)_(e)=1.032U^(n)_(in)−5.536;同时测定以上3类煤体剩余弹性能指数C_(EF)分别为25.35、30.34、33.26 kJ/m^(3);通过单边缺口梁三点弯曲试验测得的以上3类煤体静态I型断裂韧度值K_(IC)值分别为0.249、0.291、0.347 MPa·m^(1/2),同时测得的冲击载荷作用下动态K_(IC)分别为0.344、0.416、0.527 MPa·m^(1/2),随着C_(EF)的增加,煤体动态K_(IC)增长倍数逐渐增大,表明煤体冲击倾向性将直接影响其动态断裂力学响应,煤体冲击倾向性越大,其动态断裂参数提高越多;此外,随着煤体冲击倾向程度的增加,动载荷作用后煤体破碎分形维数随之增大,表明煤体受冲击后断裂崩解的更加复杂破碎,动态断裂响应变得更加显著。

关键词：冲击倾向性煤体剩余弹性能指数冲击载荷断裂韧度

多级围压变应力下限循环加卸载煤体冲击倾向性特征研究

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煤矿安全 2023年第10期54卷 107-116页

作者：张传玖杜涛涛任建慧李宣良国能神东煤炭集团有限责任公司布尔台煤矿内蒙古鄂尔多斯017209 中煤科工开采研究院有限公司北京100013

围压作用下煤体冲击倾向性研究对于探明地下深部矿井中煤体冲击地压形成机理起着关键作用。为了探究不同围压作用对煤体冲击倾向性的影响,对煤体进行了多级围压下不同应力下限循环加卸载。结果表明:在3、6、9 MPa围压环境下变应力下限... 详细信息

围压作用下煤体冲击倾向性研究对于探明地下深部矿井中煤体冲击地压形成机理起着关键作用。为了探究不同围压作用对煤体冲击倾向性的影响,对煤体进行了多级围压下不同应力下限循环加卸载。结果表明:在3、6、9 MPa围压环境下变应力下限循环加卸载作用后煤试件抗压强度分别增加了3.1%、4.7%、6.2%,最后一级循环加卸载过程中轴向应变分别增加了0.61%、0.42%、0.28%,体积应变分别增长了0.32%、0.24%、0.17%,表明煤体受到的围压越大对煤体变形约束越强;随着围压的提高,声发射事件累积数量逐渐降低,峰后声发射累积数量不断降低,累积能量同样逐步降低,表明随着围压的升高,煤试件变得更加致密,破坏形式逐渐由脆性破坏过渡到韧性破坏;经过3、6、9 MPa围压作用,输入能Uinn与弹性应变能Uen不断升高,较之常压条件下煤试件剩余弹性能指数CEF分别提高了21.76%、42.92%、71.69%,说明围压对煤体冲击倾向性具有增强作用,且剩余弹性能指数CEF与围压σ3具有线性函数关系。

关键词：煤体围压冲击倾向性循环加卸载剩余弹性能指数

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循环应力损伤对煤体冲击倾向性影响研究

工矿自动化 2023年第10期49卷 142-150页

作者：杨永亮任建慧李宣良杜涛涛国能神东煤炭集团有限责任公司布尔台煤矿内蒙古鄂尔多斯017209 中煤科工开采研究院有限公司北京100013

目前对煤岩体动力学行为特征的研究仅考虑了温度、围压等原始地质作用影响,并未考虑煤炭开采过程中产生的循环应力作用对煤体动力学特性的影响;且对煤体动力学显现特征的判定是以煤体冲击倾向性指标为基本依据,而循环应力损伤作用对煤... 详细信息

目前对煤岩体动力学行为特征的研究仅考虑了温度、围压等原始地质作用影响,并未考虑煤炭开采过程中产生的循环应力作用对煤体动力学特性的影响;且对煤体动力学显现特征的判定是以煤体冲击倾向性指标为基本依据,而循环应力损伤作用对煤体冲击倾向性及其动力学特性的影响尚未进行深入研究。针对上述问题,对煤样开展了循环应力损伤试验,分析了恒上下限及变上限2种循环应力损伤条件下的煤体冲击倾向性变化特征。试验结果表明:①煤体经恒上下限循环应力作用及变上限循环应力作用后静态抗压强度分别降低了13.86%与16.00%,循环应力会对煤体力学强度产生劣化。②原始煤体剩余弹性能指数为27.34kJ·m^(-3),表示该煤体具有弱冲击倾向性,经过恒上下限循环应力损伤及变上限循环应力损伤后煤体剩余弹性能指数分别降低了约26.30%及36.14%,表明循环应力对煤体的冲击倾向性有显著的弱化作用。③随着煤体剩余弹性能指数的降低,煤体动态抗压强度与动态弹性模量均减小,而动态破坏变形不断增大,表明煤体冲击倾向性将直接影响其动力学特征,煤体冲击倾向性越大,其冲击动力学相关参数劣化程度越高。④随着煤体剩余弹性能指数不断降低,冲击后煤体破碎分形维数降低,表明循环应力使得煤体受冲击后崩解不充分,动力学响应减弱。

关键词：煤体煤体动力学冲击倾向性剩余弹性能指数冲击载荷循环应力损伤

基于数字钻技术的岩石材料岩爆倾向性预测研究

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中南大学学报（自然科学版） 2021年第8期52卷 2736-2747页

作者：何明明杨贝贝张志强刘新星李宁西安理工大学省部共建西北旱区生态国家重点实验室陕西西安710048 西安理工大学岩土工程研究所陕西西安710048

为了超前预测岩石材料岩爆倾向性,建立岩石内摩擦角与数字钻参数之间关系的解析模型,同时构建内摩擦因数与剩余弹性能指数的关系,通过室内三轴试验研究6种岩石力学参数与剩余弹性能指数之间的相关性,提出基于数字钻技术的岩石材料的岩... 详细信息

为了超前预测岩石材料岩爆倾向性,建立岩石内摩擦角与数字钻参数之间关系的解析模型,同时构建内摩擦因数与剩余弹性能指数的关系,通过室内三轴试验研究6种岩石力学参数与剩余弹性能指数之间的相关性,提出基于数字钻技术的岩石材料的岩爆倾向性的超前预测方法。研究结果表明:在不同围压状态下,各岩石下的剩余弹性能指数与弹性模量、抗压强度均呈线性正相关关系;泊松比与剩余弹性能指数呈线性负相关;预测的岩石岩爆倾向性与室内试验结果基本一致,从而验证了该方法的可靠性。

关键词：预测内摩擦角剩余弹性能指数岩爆倾向性