煤岩强度、变形及微震特征的基础试验研究

论文摘要

采用MTS815.03电液伺服岩石试验系统进行了大量煤样单轴压缩、三轴压缩、循环荷载及全应力应变过程的渗透性试验，同时进行了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了较系统的分析研究。 通过扫描电镜测试和力学性质试验分析，发现煤在力学性质上表现为明显的不连续性、各向异性和非均质性特征，煤岩原生损伤变量对强度和变形影响很大。大量煤样超声波速度和相应的力学参数测试表明，煤样强度与其纵波速度间呈现置信度很高的指数函数相关关系，为进行强度等对比性试验前合理选择煤样以避免盲目试验提供了依据。 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，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得出了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，煤样沿随机裂隙剪切破坏偏离θ0=45°+φ／2的可能性很大。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。煤岩渗透率—应变与其相应的应力-应变曲线总体趋势基本一致，但表现相对“滞后”，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。根据试验结果拟合得出了煤岩渗透率—应变关系分段曲线方程。 通过声发射参数时间序列的最大Lyapunov指数计算，证实采用声发射参数描述的煤、岩压缩破裂演化系统的未来变化趋势不是完全呈现依赖于初值的混沌状态，是可以预报的。通过小波系数分解，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。通过对采场覆岩破坏微震事件的定位分析，证实微地震发展演化与采场覆岩运动密切相关。根据岩体失稳前微震事件频数、能量、距离的一到四阶差分的变化规律，能够较准确地预报岩体破裂，这对于采用微地震监测技术解决矿山岩体破坏失稳预报具有重要指导意义。

论文目录

• 声明
• AFFIRMATION
• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题提出及研究意义
• 1.2 课题研究现状及评述
• 1.3 研究内容及方法
• 2 煤岩强度特征的微细观力学机理研究
• 2.1 MTS815.03电液伺服岩石试验系统及煤样制备
• 2.2 煤岩体的微细观结构特征
• 2.3 煤岩体的原生损伤变量及对强度的影响
• 2.4 煤岩体各向异性特征及对强度的影响
• 2.5 煤岩体非均质性及对强度的影响
• 2.6 本章小结
• 3 煤样力学参数离散性的超声波测试方法
• 3.1 岩石声波速度与其力学参数关系的理论分析
• 3.2 煤样超声波速度测试方法及结果分析
• 3.3 煤样力学参数实测结果分析
• 3.4 煤样超声波速度与其力学参数间的关系分析
• 3.5 本章小结
• 4 常规三轴压缩条件下煤岩强度及变形特征试验研究
• 4.1 单轴压缩条件下煤岩强度及变形特征
• 4.2 常规三轴压缩条件下煤岩的变形特征
• 4.3 常规三轴压缩条件下煤岩的强度特征及强度准则
• 4.4 常规三轴压缩条件下煤岩本构关系方程的拟合分析
• 4.5 三轴压缩条件下煤岩破坏形式
• 4.6 本章小结
• 5 循环荷载作用下煤岩强度及变形特征试验研究
• 5.1 试验方法及煤样条件
• 5.2 循环荷载作用下煤岩强度特征
• 5.3 循环荷载作用下煤岩变形特征
• 5.4 循环荷载作用下煤岩疲劳损伤演化过程分析
• 5.5 本章小结
• 6 煤岩固液耦合渗透性试验研究
• 6.1 概述
• 6.2 煤岩压缩变形过程的损伤分析
• 6.3 煤岩体固液耦合条件下的渗流场
• 6.4 煤岩全应力—应变过程的渗透性试验及分析
• 6.5 本章小结
• 7 煤、岩压缩破坏的声发射试验及分析
• 7.1 单轴压缩条件下煤、岩破坏过程的声发射试验
• 7.2 煤、岩压缩破裂过程的混沌性判别
• 7.3 声发射信息对煤、岩压缩破裂过程的预报分析
• 7.4 本章小结
• 8 煤矿采场覆岩破坏失稳的微地震监测
• 8.1 微地震在矿山现场监测方面的应用
• 8.2 微地震在岩体不同尺度上的变化
• 8.3 微震事件定位及与采场覆岩破坏失稳间的关系
• 8.4 采场覆岩破坏失稳的微地震预报分析
• 8.5 本章小结
• 9 主要研究结论
• 致谢
• 博士在读期间主要科研及成果
• 参考文献
• 中文详细摘要