煤岩强度、变形及微震特征的基础试验研究
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摘要
煤是远古地表腐植物沉积演化的一种岩类矿物。煤岩力学性质试验研究成果较为匮乏,特别是考虑强度离散性基础上的系统、全面地反映煤岩的力学性质,在不同应力状态下强度及变形特征的试验研究成果则更为少见。在进行相关煤岩力学行为方面的数值计算及理论研究时,大都采用非煤岩石的试验资料及本构模型,因而缺乏煤岩试验资料的验证和支持,并制约井下煤体破坏和矿山压力研究的科学性和合理性。煤在微细观结构和组分方面和其他岩石有较大差异,采用可靠的试验手段进行不同应力状态下煤岩强度、变形及压缩破坏的微地震特征试验研究,对于合理分析煤岩体破坏失稳、预防矿山灾害发生具有重要的理论及实际意义。采用MTS815.03电液伺服岩石试验系统进行大量煤样单轴压缩、三轴压缩、循环荷载及全应力-应变过程的渗透性试验,同时进行煤样压缩破坏过程的声发射试验及煤矿井下采场覆岩破裂失稳的微地震监测,对煤岩强度、变形及微震特征进行较系统地分析研究。取得了以下主要成果:(1)通过扫描电镜测试和力学性质试验分析,发现煤岩在力学性质上表现出明显的不连续性、各向异性和非均质性特征。煤岩原生孔隙裂隙面积率可用原生损伤变量加以描述,原生损伤变量对煤岩强度和变形有显著影响。(2)大量煤样超声波速度和相应的力学参数测试结果表明,煤样强度与其纵波由速度间呈现出置信度很高的指数函数关系,为进行强度等对比性试验前合理选择煤样提供了依据。(3)煤岩的声发射特征能较好地描述其变形和损伤演化特性。由于原生损伤发育,在围压作用下,煤岩孔隙裂隙被压密闭合,故刚度增加,弹性模量与围压之间符合二次多项式关系。根据试验结果及模型简化拟合出常规三轴压缩条件下煤岩的分段本构方程。煤岩三轴压缩破坏符合Coulomb强度准则,但由于其内部存在大量微裂隙,煤岩沿随机裂隙剪切破坏偏离θ0=45°+?/2的可能性很大。(4)同坚硬致密的岩石相比,循环荷载作用下煤岩更容易发生疲劳破坏。煤岩疲劳破坏"门槛值"与其结构和组分等有关,其变形破坏过程与其损伤累计发展过程一致。(5)煤岩渗透率-应变曲线与其相应的应力-应变曲线总体变化趋势基本一致,但表现出相对"滞后"的特点,表明渗透率的变化与其损伤演化过程密切相关;同时煤体通过其内部裂隙的渗透需要一定的时间过程。根据试验结果拟合出具体煤岩的渗透率-应变关系分段曲线方程。(6)通过声发射参数时间序列的最大Lyapunov指数计算,证明采用声发射参数描述的煤岩压缩破裂演化系统的变化趋势不是完全依赖于初值的混沌状态,而是可以预报的。通过离散小波系数分解,发现采用不同尺度上声发射参数最先出现的Lipschitz指数α负值所对应的时间作为煤岩压缩破裂预报时间,与实际情况吻合较好。(7)通过对采场覆岩破坏微震的定位分析,证实微震发展演化与采场覆岩运动过程密切相关。根据岩体失稳破坏前微震事件频数、能量和距离的1～4阶差分的变化规律,能够较准确地预报岩体破裂,这对于采用微震监测技术解决矿山岩体破坏失稳预报、预防灾害发生具有重要的指导意义。
引文
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