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不同粗糙度煤岩界面超低摩擦效应与声发射特征试验研究

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力学学报 2024年第4期56卷 1047-1056页

作者：李利萍胡学锦潘一山孙媛涛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沈阳110036

为了揭示动载扰动作用下煤岩界面粗糙度对超低摩擦型冲击地压影响机制,采用自行研制的煤岩界面超低摩擦试验装置,以沈阳红阳三矿1082 m采深煤岩体为研究对象,通过改变煤块与砂岩块体表面粗糙度来模拟煤岩界面不同粗糙特性,以粗糙度系数... 详细信息

为了揭示动载扰动作用下煤岩界面粗糙度对超低摩擦型冲击地压影响机制,采用自行研制的煤岩界面超低摩擦试验装置,以沈阳红阳三矿1082 m采深煤岩体为研究对象,通过改变煤块与砂岩块体表面粗糙度来模拟煤岩界面不同粗糙特性,以粗糙度系数表征煤岩界面粗糙程度,工作块体水平位移表征冲击过程中超低摩擦效应强度,声发射能量为工作块体摩擦滑动过程中的信号参数,进行应力波扰动下不同粗糙度煤岩界面超低摩擦试验.研究结果表明:(1)超低摩擦滑动过程中,工作块体水平位移、声发射能量计数以及累计能量曲线呈现出孕育阶段、激发阶段、稳定阶段变化特征;(2)煤岩界面粗糙度越小,工作块体水平位移和声发射能量峰值越大,煤岩界面越易发生超低摩擦效应;(3)不同煤岩界面粗糙度下,相比于其他扰动频率, 2 Hz时更易发生超低摩擦效应;(4)给出了声发射能量峰值与煤岩界面粗糙度系数对应关系.声发射能量峰值可以有效表征超低摩擦效应强度,可以用声发射能量峰值预测超低摩擦效应强度.

关键词：煤岩界面粗糙度煤岩块体超低摩擦效应声发射信号

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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

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含软弱夹层煤岩界面超低摩擦效应试验研究

岩石力学与工程学报 2023年第7期42卷 1638-1649页

作者：李利萍余泓浩张海涛潘一山辽宁工程技术大学力学与工程学院辽宁阜新123000 辽宁大学物理学院辽宁沈阳110036

为揭示动载扰动作用下煤岩界面软弱夹层特性对超低摩擦型冲击地压影响机制,采用自制煤岩界面超低摩擦试验装置,以沈阳红阳三矿煤层和砂岩顶底板为研究对象,将煤粒、砂岩粒和煤砂粒铺置于煤岩界面,通过改变软弱夹层介质、厚度、粒径模拟... 详细信息

为揭示动载扰动作用下煤岩界面软弱夹层特性对超低摩擦型冲击地压影响机制,采用自制煤岩界面超低摩擦试验装置,以沈阳红阳三矿煤层和砂岩顶底板为研究对象,将煤粒、砂岩粒和煤砂粒铺置于煤岩界面,通过改变软弱夹层介质、厚度、粒径模拟不同软弱夹层特性,以煤块为工作块体,利用其水平位移表征超低摩擦效应强度,进行煤岩界面不同软弱夹层特性对煤岩块体超低摩擦效应影响试验。研究结果表明:(1)垂直扰动幅值与超低摩擦效应强度呈线性增加关系。垂直扰动频率与超低摩擦效应强度间关系存在显著影响区。煤岩界面无软弱夹层时,垂直扰动频率为1~4 Hz时存在显著影响区;煤岩界面含软弱夹层时,垂直扰动频率为1~6 Hz时存在显著影响区。显著影响区范围内煤岩界面更易发生超低摩擦效应。(2)垂直冲击扰动频率和幅值一定时,含软弱夹层煤岩界面发生超低摩擦效应强度分别为干摩擦和胶结煤岩界面的2.25和8.84倍。煤岩界面含煤粒、砂粒和煤砂粒软弱夹层时,随扰动幅值增加超低摩擦效应强度平均增幅分别为33.5%,57.1%,42.4%。(3)煤岩界面含软弱夹层、夹层厚度(5 mm)越大、夹层粒径(20~35目)越小时,煤岩界面更易发生超低摩擦效应。(4)结合红阳三矿超低摩擦型冲击地压事故实例分析,表明含软弱夹层煤岩界面更易发生煤体失稳,从而诱发超低摩擦型冲击地压。

关键词：岩石力学煤岩界面软弱夹层超低摩擦效应煤岩块体

应力波扰动对块系煤岩组合体超低摩擦效应影响的实验研究

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实验力学 2022年第4期37卷 585-596页

作者：李利萍张海涛潘一山鞠翔宇唐垒李明会辽宁工程技术大学力学与工程学院辽宁阜新123000 辽宁大学物理学院辽宁沈阳110036

随着煤矿开采深度增加,煤岩体破碎呈块系状,爆破、顶板断裂、集中开采等外力冲击作用下,煤岩巷道容易失稳发生超低摩擦效应,影响开采作业。基于顶板-煤层-底板实际工况建立块系煤岩组合体实验模型,顶底板岩块均为砂岩块体,利用自主研制... 详细信息

随着煤矿开采深度增加,煤岩体破碎呈块系状,爆破、顶板断裂、集中开采等外力冲击作用下,煤岩巷道容易失稳发生超低摩擦效应,影响开采作业。基于顶板-煤层-底板实际工况建立块系煤岩组合体实验模型,顶底板岩块均为砂岩块体,利用自主研制的块系岩体超低摩擦实验系统,研究应力波扰动作用下块系煤岩组合体的超低摩擦效应特征规律。以煤块水平位移和加速度作为反映超低摩擦效应强度的特征指标,探究煤岩组合体在轴压、水平冲击及垂直应力波扰动复合加载作用下,不同应力波扰动(频率1~10Hz、幅值0~1MPa)时块系煤岩组合体的动力响应情况。研究结果表明:应力波扰动频率在1~3Hz时,煤块、岩块的水平位移和加速度最大值均有显著增大,超低摩擦效应强度增大,且在相同条件下煤块水平位移和加速度幅值较岩块响应更为剧烈;煤块、岩块的水平位移和加速度最大值随应力波扰动强度增加呈线性增加的趋势,即应力波扰动强度越大,煤岩组合体超低摩擦效应强度越大,极易诱发动力灾害;应力波扰动使得块体间法向力在一定程度上的降低,是煤岩组合体滑动失稳的重要原因;煤岩组合体动能主频主要分布在20Hz以内时,较易发生超低摩擦效应。

关键词：冲击地压煤岩组合体应力波扰动超低摩擦效应水平位移

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应力波扰动下孔洞块体超低摩擦效应试验研究

地下空间与工程学报 2022年第5期18卷 1605-1614页

作者：李利萍唐垒潘一山鞠翔宇孙媛涛辽宁工程技术大学力学与工程学院辽宁阜新123000 中安国泰(北京)科技发展有限公司北京100012 辽宁大学物理学院沈阳110036

矿山开采过程中,采掘、放炮、地震等扰动极易诱发冲击地压灾害。用含孔洞砂岩块体模拟巷道,采取自主研制的含孔洞块体超低摩擦加载试验装置,进行应力波扰动对含孔洞砂岩块体超低摩擦效应影响的试验研究,并分析不同工况下工作块体相应能... 详细信息

矿山开采过程中,采掘、放炮、地震等扰动极易诱发冲击地压灾害。用含孔洞砂岩块体模拟巷道,采取自主研制的含孔洞块体超低摩擦加载试验装置,进行应力波扰动对含孔洞砂岩块体超低摩擦效应影响的试验研究,并分析不同工况下工作块体相应能量变化特征。研究结果表明:应力波扰动通过顶板向下传播会使巷道块体在长时间拉压作用下形成疲劳损伤,巷道稳定性大幅降低,此时巷道极易在水平冲击作用下产生超低摩擦效应,尤其是垂直方向应力波扰动频率趋于2 Hz时超低摩擦效应强度最大;含孔洞砂岩块体超低摩擦效应强度与应力波扰动强度成正比;同一水平冲击及应力波扰动作用下,含孔洞砂岩块体单位质量动能幅值及功率谱密度幅值均大于完整砂岩块体,含孔洞砂岩块体稳定性远低于完整砂岩块体稳定性。

关键词：冲击地压超低摩擦效应含孔洞砂岩块体矿山开采应力波扰动

动载扰动下倾斜煤岩组合块体超低摩擦效应研究

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自然灾害学报 2023年第5期32卷 208-217页

作者：李利萍李明会潘一山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110036

随着我国煤矿相继进入深部开采,三高一扰动复杂应力环境使深部煤岩体结构趋于破碎为块体,煤岩块体界面多为含倾角结构面。冲击扰动作用下,煤岩块体易沿煤岩界面产生失稳滑移,诱发超低摩擦型冲击地压。利用有限差分软件,建立砂岩-煤-砂... 详细信息

随着我国煤矿相继进入深部开采,三高一扰动复杂应力环境使深部煤岩体结构趋于破碎为块体,煤岩块体界面多为含倾角结构面。冲击扰动作用下,煤岩块体易沿煤岩界面产生失稳滑移,诱发超低摩擦型冲击地压。利用有限差分软件,建立砂岩-煤-砂岩组合块体,以工作块体水平位移、加速度幅值作为块体超低摩擦效应表征参数,模拟不同倾角的煤岩组合块体受扰动冲击作用时,工作块体超低摩擦效应特征参数的变化情况。考虑倾角大小、加载方式、冲击幅值和水平冲击延迟时间等因素影响,得到含倾角煤岩组合块体超低摩擦效应影响规律。研究结果表明:动载扰动下含倾角煤岩组合块体,煤岩块体倾角越大,加速度峰值越大,位移错动越明显,超低摩擦效应越显著。随垂直扰动幅值的增加,工作块体加速度振荡越剧烈,趋于平衡收敛时间延长,垂直扰动始终是诱发超低摩擦效应的主要因素。垂直扰动与水平冲击共同作用下,模型底部、中部、顶部监测点超低摩擦效应强度依次增加,随着倾角的增加,位移差值不断扩大。工作块体位移振荡剧烈程度随水平冲击延迟周期增加而增大,在同一位移振荡周期内,波峰点水平冲击比均值点与波谷点水平冲击更易发生超低摩擦效应。

关键词：超低摩擦效应煤岩组合含倾角块体动载扰动水平位移加速度幅值

煤表面粗糙度对煤岩超低摩擦效应影响试验研究

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地下空间与工程学报 2023年第6期19卷 1887-1895页

作者：李利萍孙媛涛吴金鹏潘一山辽宁工程技术大学力学与工程学院辽宁阜新123000 辽宁大学环境学院沈阳110036

超低摩擦型冲击地压本质是煤岩界面发生超低摩擦效应诱发的一种新型煤矿动力灾害,以沈阳红阳三矿顶板-煤层-底板为研究对象,利用自主研发的试验装置进行了轴压、垂直扰动和水平冲击共同作用下砂岩-煤-砂岩叠加块体超低摩擦效应模拟试验... 详细信息

超低摩擦型冲击地压本质是煤岩界面发生超低摩擦效应诱发的一种新型煤矿动力灾害,以沈阳红阳三矿顶板-煤层-底板为研究对象,利用自主研发的试验装置进行了轴压、垂直扰动和水平冲击共同作用下砂岩-煤-砂岩叠加块体超低摩擦效应模拟试验,以煤块为工作块体,分析了煤表面粗糙度对工作块体水平位移幅值、水平位移突变时间、水平加速度幅值、水平加速度突变时间的影响,得到了煤表面粗糙度对超低摩擦效应影响规律。结果表明:(1)砂岩表面粗糙度系数一定时,随煤表面粗糙度系数增大,工作块体水平位移和水平加速度时间历程曲线存在三阶段特征,即孕育阶段、激发阶段、稳定阶段;(2)煤表面粗糙度系数存在拐点为3.98,当煤表面粗糙度小于拐点3.98时,随煤表面粗糙度增大,激发阶段水平位移大于稳定阶段水平位移,位移差线性减小,超低摩擦效应减弱;(3)当煤表面粗糙度大于拐点3.98时,随煤表面粗糙度增加,激发阶段水平位移小于稳定阶段水平位移,此时工作块体水平位移出现二次增加,随位移差绝对值不断增大,超低摩擦效应越显著;(4)水平位移幅值和水平加速度幅值随煤表面粗糙度增大,呈先线性递减后线性递增规律;(5)水平位移突变时间和水平加速度突变时间随煤表面粗糙度增加,呈先线性增加后线性递减规律。

关键词：超低摩擦效应表面粗糙度块系岩体冲击地压水平位移水平加速度

煤（岩）表面粗糙度对超低摩擦效应影响规律研究

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煤（岩）表面粗糙度对超低摩擦效应影响规律研究

作者：孙媛涛辽宁工程技术大学

学位级别：硕士

随开采深度增加,煤矿冲击地压呈现出新特征,深部岩体更趋于破碎成块系岩体,高地应力和动力扰动条件下,煤层和岩层相互挤压和摩擦,使煤岩表面产生明显划痕,煤岩体易发生超低摩擦效应,进而诱发冲击地压灾害。针对超低摩擦型冲击地压现场... 详细信息

随开采深度增加,煤矿冲击地压呈现出新特征,深部岩体更趋于破碎成块系岩体,高地应力和动力扰动条件下,煤层和岩层相互挤压和摩擦,使煤岩表面产生明显划痕,煤岩体易发生超低摩擦效应,进而诱发冲击地压灾害。针对超低摩擦型冲击地压现场观察到顶底板与煤层间存在明显擦痕的滑动摩擦特征,认为煤岩表面粗糙度必然对超低摩擦效应发生发展过程具有重要影响,因此以煤岩表面粗糙度为研究对象,基于细砂岩为顶底板,细砂岩为顶板、粗砂岩为底板,以粗砂岩为顶底板等3种工况,中间块体采用不同表面粗糙度的煤块,使用声发射监测超低摩擦效应试验中声信号,利用自主研发的试验装置分析垂直扰动、轴压和水平冲击力等外部载荷下煤岩表面粗糙度对体超低摩擦效应影响规律,建立了超低摩擦效应危险性指标,对于预防和预测超低摩擦型冲击地压,为深部煤岩表面粗糙度对超低摩擦效应提供科学参考。试验结果表明:(1)3种工况在静载、水平冲击力、扰动振幅、扰动频率下水平位移曲线均呈现出一致性存在孕育阶段、激发阶段、稳定阶段三阶段特征,煤表面粗糙度越小,水平位移值越大,超低摩擦效应越剧烈;扰动频率2Hz-2.5Hz内煤岩体超低摩擦效应最显著,为有效预防煤岩体发生超低摩擦效应提供依据。3种工况下扰动振幅越大,水平位移和水平加速度越大,水平位移突变时间越小,超低摩擦效应增强;3种工况下水平冲击力越大,水平位移和水平加速度越大,水平位移突变时间越小,超低摩擦效应增强;随煤块表面粗糙度增加,水平位移和水平加速度呈现出先减小后增大的变化规律,存在拐点JRC3.76。(2)工况1砂岩表面粗糙度小,水平加速度最大,煤岩体越易失稳破坏,超低摩擦效应最显著;煤和砂岩表面粗糙度越大,水平位移突变时间越小,煤岩体越易失稳发生超低摩擦型冲击地压;扰动频率对超低摩擦有激发作用,实际开采中应注意顶底板岩层种类。(3)砂岩表面粗糙度越小,声发射突增能量巨大,水平位移值越大,超低摩擦效应最显著,砂岩表面粗糙度越大,整个超低摩擦效应试验中声发射能量波动幅度大,煤体越趋破碎,进而引发其他严重动力灾害;实际开采中,砂岩表面粗糙度小,监测煤层下表面的声发射变化,砂岩表面粗糙度大,监测煤块上表面的声信号变化。(4)危险性指标相对粗糙度R分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级代表超低摩擦效应强度,Ⅰ级下煤层整体滑移,无破碎煤块,而Ⅳ级下煤层滑移并伴随着大量的破碎煤块,为预测超低摩擦型冲击地压提供依据。该论文有图64幅,表11个,参考文献82篇。

关键词：超低摩擦效应表面粗糙度冲击地压块系岩体声发射

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块系岩体鞭梢结构超低摩擦效应研究

块系岩体鞭梢结构超低摩擦效应研究

作者：唐垒辽宁工程技术大学

学位级别：硕士

随着矿山开采深度持续增加,由超低摩擦效应引起的岩爆及冲击地压更加频繁、严重,岩体所处应力环境越趋复杂,其力学行为呈现出新形式、新特征。冲击地压现场观测表明,现有研究未充分考虑深部岩体结构的破碎特征,存在诸多不适用的情形,致... 详细信息

随着矿山开采深度持续增加,由超低摩擦效应引起的岩爆及冲击地压更加频繁、严重,岩体所处应力环境越趋复杂,其力学行为呈现出新形式、新特征。冲击地压现场观测表明,现有研究未充分考虑深部岩体结构的破碎特征,存在诸多不适用的情形,致使一些特殊的动力响应现象无法得到合理解释。为进一步促进我国矿山资源的高效开采、安全开采、环境友好型开采,亟需基于现有研究充分考虑结构破碎特征,建立新的研究模型。现引入矿山开采过程中岩体存在的特殊结构,这种特殊结构是由诸多破碎的块状岩体组合而成,与“鞭梢效应”结构特征尤为相似,故在下文统称这种特殊结构为“鞭梢结构”。针对煤炭开采过程中常遇的岩爆及冲击地压等工程问题,充分考虑煤岩体“越深部、越破碎”的现场特征,基于岩体鞭梢结构开展进一步研究工作,分别建立块系岩岩鞭梢结构超低摩擦效应研究模型、块系煤岩鞭梢结构超低摩擦效应研究模型,通过试验及数值模拟的方式进行研究。首先,利用自主研制超低摩擦效应试验装置研究应力波扰动、水平冲击、轴压等外部载荷组合作用下块系岩岩鞭梢结构超低摩擦效应动力响应机制,分析得到应力波扰动、冲击强度、尺寸、位置、高宽比等因素对其的影响规律;其次,在块系岩岩鞭梢结构超低摩擦效应试验研究的基础上,进行块系煤岩鞭梢结构超低摩擦效应试验研究,并通过两者之间的对比分别指出两类块系岩体鞭梢结构超低摩擦效应响应机制的异同,为指导现场提供参考;最后,基于前期试验结果,利用FLAC-3D探究不同工况下工作块体尺寸与位置对块系岩岩鞭梢结构超低摩擦效应强度及工作块体高宽比对块系煤岩鞭梢结构超低摩擦效应强度的影响规律。综上,所得重要结论如下:(1)结合岩体“越深部、越破碎”的性质及鞭梢效应结构特征,初步建立了存于岩体中的简化鞭梢结构研究模型,并提出岩体的鞭梢效应。分析了尺寸、位置、高宽比等主要影响因素对岩体鞭梢结构超低摩擦效应强度的影响机制,发现工作块体水平位移历时曲线主要存在稳定阶段、突增阶段及二次稳定阶段,以二次稳定阶段位移值表征工作块体超低摩擦效应强度。(2)不同应力波扰动强度在介质中的传播特性不完全一致,通过对比分析应力波扰动作用下块系岩岩鞭梢结构及块系煤岩鞭梢结构中工作块体水平位移在四种位置工况下的响应情况,均可发现工作块体水平位移随其位置的增大(2→5)均呈现出先减增的趋势,工况p-4时为一个临界位置且在该位置处结构稳定性较好,能有效降低岩体鞭梢结构超低摩擦效应的影响。(3)针对已研究工况,发现应力波扰动强度对不同尺寸(S=40-100mm)的工作块体没有显著影响,但工作块体为煤时,应力波扰动频率对其水平位移存在显著影响尺寸区域(S=40-70mm)。质量对块系岩体鞭梢结构超低摩擦效应的影响是非线性的,其动力响应随质量增加并非呈现单一变化,同时说明不同质量工作块体在不同扰动作用下所产生的动力响应程度不同,这种响应程度在很大程度上取决于应力波扰动频率及工作块体自身的固有频率,基于文章中给出的质量显著影响区(砂岩:0.2-0.4kg,煤:0.3-0.7 kg),为有效避免工程中机械扰动与破碎岩体之间的共振提供依据。(4)块系岩体鞭梢结构超低摩擦效应在不同应力波扰动作用下均呈现出波动及稳定的两种特性,由于不同岩体自身的物理力学性质不同,引起工作块体水平位移的响应不同。块系岩岩鞭梢结构在不同应力波扰动强度作用下有明显的波动区(H/S=0.4-1.2)及稳定区(H/S=1.2-2.0);而块系煤岩鞭梢结构在不同应力波扰动强度作用下相对稳定,但存在个别工况诱发的动力响应极为明显。(5)基于前期试验部分研究,通过数值模拟的方式对块系岩体鞭梢结构超低摩擦效应进行了不同工况的研究。基于岩岩鞭梢结构模拟研究发现,尺寸方面:S=40mm时动力响应最为剧烈;位置方面:P-4最危险;基于煤岩鞭梢结构模拟研究发现,高度占比方面:h-80mm便已产生剧烈动力响应;宽度占比方面:w-80mm相对危险。由于试验及模拟采用的外载荷及施加过程存在的差异,导致两者之间得出的规律不尽相同,可提供一定参考价值。该论文有图77幅,表15个,参考文献72篇。

关键词：块系岩体鞭梢结构超低摩擦效应应力波扰动高宽比