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三向应力下花岗岩水力剪切和渗流试验研究

岩石力学与工程学报 2024年第4期43卷 797-808页

作者：唐巨鹏余泓浩魏志豪张枭辽宁工程技术大学土木工程学院辽宁阜新123000 辽宁工程技术大学力学与工程学院辽宁阜新123000 辽宁工程技术大学新能源研究中心辽宁阜新123000

为揭示三向应力作用下干热岩水力剪切对岩体渗透特性影响机制,采用自制耐高温真三轴水力剪切试验装置和渗透率测试系统,以松辽盆地大庆地区花岗岩为研究对象,将预制裂隙花岗岩进行高温处理,通过改变三向应力、注水压力、注水流量和时长... 详细信息

为揭示三向应力作用下干热岩水力剪切对岩体渗透特性影响机制,采用自制耐高温真三轴水力剪切试验装置和渗透率测试系统,以松辽盆地大庆地区花岗岩为研究对象,将预制裂隙花岗岩进行高温处理,通过改变三向应力、注水压力、注水流量和时长模拟不同热储地质特性,利用裂隙面粗糙度系数表征裂隙水力剪切前后变化特征,进行不同三向应力下注水参数对花岗岩水力剪切后裂隙渗透率影响试验。研究结果表明:(1)花岗岩质量损失率和孔隙率随温度增加而增加,抗拉–压强度随温度增加而降低;(2)不同孔隙压和温度作用下裂隙渗透率均随体积应力增大而减小,150℃~350℃时裂隙渗透率由10^(-17) m^(2)量级增长到10^(-16) m^(2)量级;(3)水力剪切最大注水压力与体积应力间服从二次多项式规律分布,体积应力18.5 MPa时最大注水压力为4.78 MPa;(4)水力剪切后花岗岩裂隙渗透率随注水流量增加而增加,随注水时长先增加后稳定或降低;(5)不同体积应力、注水流量和时长水力剪切后裂隙面粗糙度系数均降低,表明花岗岩裂隙面在水力剪切后更光滑渗流能力提高。

关键词：岩石力学水力剪切三向应力渗透率

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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煤与瓦斯突出物理模拟试验研究现状及展望

岩石力学与工程学报 2024年第3期43卷 521-541页

作者：唐巨鹏张昕潘一山辽宁工程技术大学土木工程学院辽宁阜新123000 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

煤与瓦斯突出是煤矿井下开采活动中较为常见的动力灾害,严重威胁着矿井安全绿色生产。鉴于现场煤与瓦斯突出的不确定性、突发性和危险性,物理模拟试验成为了研究煤与瓦斯突出机制的有效手段。通过查阅大量文献发现:(1)突出模拟试验装置... 详细信息

煤与瓦斯突出是煤矿井下开采活动中较为常见的动力灾害,严重威胁着矿井安全绿色生产。鉴于现场煤与瓦斯突出的不确定性、突发性和危险性,物理模拟试验成为了研究煤与瓦斯突出机制的有效手段。通过查阅大量文献发现:(1)突出模拟试验装置由单轴向双轴、常规三轴、真三轴迭代升级,试件尺寸由小到大,数据采集由单一到多元化,各种大型多功能真三轴可视化、模块化试验系统的成功研制,为煤与瓦斯突出发生机制的定量研究提供了有效平台;(2)开展大量围绕“三要素”的煤与瓦斯突出物理模拟试验研究,探索地应力、瓦斯压力、煤体物理力学性质对突出的影响程度,通过煤层温度和两相流冲击演化反演突出强度,基本掌握突出的发动条件及致灾机制,形成了具有我国特色的煤与瓦斯突出理论体系。然而,随着我国煤矿开采深度不断增加,深部煤与瓦斯突出机制变得更加复杂。针对新形势下煤与瓦斯突出研究存在的不足,对未来的研究方向提出建议和展望,旨在完善煤与瓦斯突出机制体系,突破定性假说研究阶段,对灾害孕育、发生、发展阶段的定量条件进行探索,为现场煤与瓦斯突出预测与防治提供可靠的理论基础。

关键词：采矿工程煤与瓦斯突出试验装置物理模拟研究现状

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煤岩界面粗糙度对超低摩擦效应影响研究

岩石力学与工程学报 2024年第4期43卷 851-861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辽宁沈阳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,以煤块为工作块体,通过改变煤块表面粗糙度来模拟煤岩界面不同粗糙特性,利用... 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,以煤块为工作块体,通过改变煤块表面粗糙度来模拟煤岩界面不同粗糙特性,利用其水平位移表征冲击过程中超低摩擦效应强度,进行应力波扰动下煤岩界面不同粗糙度对煤岩块体超低摩擦效应影响试验。研究结果表明:(1)不同煤岩界面粗糙度下,超低摩擦效应存在频率敏感值,扰动频率为2 Hz时,煤岩界面易发生超低摩擦效应。(2)扰动幅值与超低摩擦效应强度线性正相关。煤岩界面粗糙度越小,工作块体水平位移、水平加速度越大,超低摩擦效应强度越大;煤岩界面粗糙度越大,工作块体水平位移、水平加速度增长幅度越大,扰动幅值对超低摩擦效应的影响越大。(3)粗糙度仅在一定范围内对超低摩擦效应产生影响,影响超低摩擦效应的粗糙度系数临界值为3.81。(4)水平冲击力越大,工作块体水平位移、水平加速度越大,超低摩擦效应强度越大。

关键词：采矿工程煤岩界面粗糙度应力波扰动煤岩块体超低摩擦效应

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

咸水层CO地质封存储层岩石化学损伤及力学性质劣化实验研究

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岩土工程学报 2024年

作者：梁冰李磊磊郝建峰孙维吉秦冰刘强郭春雨辽宁工程技术大学力学与工程学院辽宁工程技术大学矿业学院

为了探究超临界二氧化碳注入咸水层后储层岩石的化学损伤规律，利用自制的恒温恒压超临界CO2-水-岩石热流固化耦合实验系统，测试反应前后储层岩心矿物组分、微观结构、矿物元素及氧化物的变化，分析反应溶液pH值和钙、钾、镁离子浓度... 详细信息

为了探究超临界二氧化碳注入咸水层后储层岩石的化学损伤规律，利用自制的恒温恒压超临界CO2-水-岩石热流固化耦合实验系统，测试反应前后储层岩心矿物组分、微观结构、矿物元素及氧化物的变化，分析反应溶液pH值和钙、钾、镁离子浓度的变化规律，研究反应前后储层岩心试样质量、单轴抗压强度、弹性模量、泊松比等物理力学参数演化规律，揭示超临界二氧化碳注入咸水层后储层岩石的化学损伤特征和力学性质劣化规律。研究结果表明：随着反应时间延长，方解石和钾长石的质量分数逐渐减少，钙元素、钾元素及其氧化物的质量分数也随之减少，试样表面粗糙度增大，产生了溶蚀孔；反应溶液的pH值从7.19降至5.68，方解石溶解速率最快，其次是钾长石，最后是伊利石；反应时间内，试样的质量溶蚀率、泊松比逐渐增大，单轴抗压强度和弹性模量逐渐减小。此外，试样的单轴抗压强度与化学作用时间呈指数函数关系，弹性模量、泊松比与化学作用时间呈三次多项式函数关系，据此建立了化学损伤作用下储层岩石的强度预测模型。以弹性模量为损伤变量，得到了岩心的单轴抗压强度和损伤变量之间的关系，揭示了储层岩石的化学损伤机制。

关键词：超临界二氧化碳地质封存矿物组分化学损伤力学参数损伤变量

采动覆岩破断影响下裂隙诱发机制及三维空间特征

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煤炭科学技术 2024年

作者：梁冰邢景超孙维吉房胜杰辽宁工程技术大学力学与工程学院辽宁工程技术大学矿业学院

为掌握厚煤层开采覆岩破断及裂隙演化规律，以高河能源E2306工作面为背景，搭建了三维物理相似模拟实验平台，采用分布式光纤感测技术、钻孔窥视监测等相结合的方法，明晰了覆岩破断来压规律与裂隙分布特征。结合薄板弯曲理论，建立采... 详细信息

为掌握厚煤层开采覆岩破断及裂隙演化规律，以高河能源E2306工作面为背景，搭建了三维物理相似模拟实验平台，采用分布式光纤感测技术、钻孔窥视监测等相结合的方法，明晰了覆岩破断来压规律与裂隙分布特征。结合薄板弯曲理论，建立采场覆岩结构力学模型，揭示了采动覆岩破断影响下覆岩裂隙诱发机制，推演了采动裂隙区域发育形态。结果表明：工作面回采完毕，总计来压7次，垮落带、裂隙带发育高度分别为39m、71m。与该工作面现场结果一致，与理论计算数值吻合，符合该矿实际情况。处于垮落带高度内低位近场覆岩呈“对扇形”竖向破断，以“走向悬臂梁－倾向砌体梁”结构破断运动为主，纵向破断裂隙大量发育，横向水平剪切交错裂隙伴生。覆岩自下而上逐渐破断，处于裂隙带高度内高位远场覆岩呈横向破断，以“走向砌体梁－倾向砌体梁”结构破断运动为主，横向水平张拉离层大量发育。采空区边界区域内覆岩裂隙数量随工作面推进呈先增加后稳定的变化规律，走向裂隙数量变化呈抛物线型；采空区中部区域内覆岩裂隙数量随工作面推进呈先增加后减少的变化规律，走向裂隙数量变化呈马鞍型。覆岩破断来压后采空区中部持续承载受压，两侧岩层遭剪切破坏形成剪切下凹区与承载下凹区，区域范围随不同层位覆岩弯曲破断而扩大。采动裂隙区域发育形态由椭圆抛物带演变为两端下凹的椭圆抛物带形态，最终呈现为两端及顶部下凹的椭圆抛物带形态。

关键词：三维相似模拟实验采动三带裂隙演化失稳破断三维空间形态

巷道开挖应力旋转路径下弱胶结软岩剪应力–应变及非共轴特性研究

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岩石力学与工程学报 2024年第4期43卷 934-950页

作者：刘家顺朱开新左建平王来贵生彦涛孙铠洋辽宁工程技术大学土木工程学院辽宁阜新123000 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院北京100083 辽宁工程技术大学力学与工程学院辽宁阜新123000

为探究巷道开挖引起的主应力旋转路径演化规律及其诱发的岩体变形问题,以弱胶结软岩巷道为工程背景,建立弱胶结软岩巷道开挖扰动数值计算模型,研究巷道开挖诱发的围岩主应力大小和方向演化规律,确定开挖扰动旋转应力路径试验加载状态参... 详细信息

为探究巷道开挖引起的主应力旋转路径演化规律及其诱发的岩体变形问题,以弱胶结软岩巷道为工程背景,建立弱胶结软岩巷道开挖扰动数值计算模型,研究巷道开挖诱发的围岩主应力大小和方向演化规律,确定开挖扰动旋转应力路径试验加载状态参数。开展弱胶结软岩空心扭剪试验,研究9种开挖扰动应力旋转路径下弱胶结软岩剪应力–应变–掘进距离空间曲线特征及(σ_(z)-σ_(θ))-2τ_(zθ)应力平面内的非共轴角变化规律。结果表明:随着巷道开挖,监测面位置巷道围岩底板、顶板和两帮的主应力大小和方向均发生显著变化,特别是在巷道2D范围内,发生了强烈的主应力方向旋转和应力量值突变。开挖扰动应力路径下巷道围岩剪应力–应变曲线呈现“V”,“Z”,“N”型发展形式。开挖扰动引起的主应力旋转造成了弱胶结软岩应变增量方向和应力方向的非共轴性,巷道底板、顶板和两帮扰动应力路径作用下,弱胶结软岩非共轴角最大值分别为52.8°,-22.3°和30.6°。研究成果将有助于揭示巷道开挖卸荷引起的主应力旋转路径下岩体非共轴塑性变形演化机制,提高地下工程设计水平以及灾害防治能力。

关键词：采矿工程岩体力学开挖扰动主应力量值主应力方向非共轴角

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充水作用下露天煤矿内排土场边坡稳定性分析

辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2024年第3期43卷 257-264页

作者：王来贵纪宇轩赵娜辽宁工程技术大学力学与工程学院辽宁阜新123000

为分析废弃矿坑改造成蓄水湖时充水高度对内排土场边坡稳定性的影响,采用室内相似试验、数值模拟和理论分析的方法对不同水位高度下内排土场边坡稳定性进行研究。研究结果表明:随着充水高度的增加,浸润线运移速度、边坡最大位移、孔隙... 详细信息

为分析废弃矿坑改造成蓄水湖时充水高度对内排土场边坡稳定性的影响,采用室内相似试验、数值模拟和理论分析的方法对不同水位高度下内排土场边坡稳定性进行研究。研究结果表明:随着充水高度的增加,浸润线运移速度、边坡最大位移、孔隙水压力和边坡土体受到的压力整体呈增长趋势。充水高度越大,边坡倾角越大,边坡稳定系数越低。研究结论为露天煤矿改造成蓄水湖或蓄能水电站项目工程提供参考。

关键词：边坡稳定性条分法浸润线孔隙水压内排土场充水高度