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怎样通过试验，了解煤岩力学特性

来源：煤炭学报

科学试验不仅可以证明或反驳假说，更主要的是可以提示新的理论。本专题包含了爆炸荷载下裂纹如何扩展、不同含水率泥岩力学性质、采动应力下煤体渗透率模型等30余项试验研究。

行业视野: 地质
类别; 168个
关键词; 173位
专家; 39篇
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3种砂岩变形与强度特征对比分析

作者(Author)：王云飞, 宿辉, 王立平, 焦华喆, 李震

摘要：为了明确3种砂岩力学行为的差异及产生差异的内在原因，利用RMT-150B岩石力学试验系统对3种砂岩进行了三轴试验，分析了3种砂岩的变形、强度和破坏特征。试验结果表明:白砂岩和红砂岩的屈服特征明显，塑性变形显著，随着围压的增大，屈服段逐渐增长，黄砂岩屈服特性不明显且受围压影响较小;砂岩的单轴抗压强度越高，围压对其强度的提高效应越显著，其中黄砂岩抗压强度受围压影响提高显著;砂岩弹性模量和变形模量受围压影响的提高程度与低围压时弹性模量和变形模量的大小成正比，且围压对黄砂岩弹性模量和变形模量的影响显著;3种砂岩的内摩擦角差值较大，而黏聚力相差较小，因而可见3种砂岩强度的差异主要是内摩擦角的不同导致的;砂岩的巴西劈裂强度为单轴抗压强度的3.5%~5.8%。3种砂岩的围压影响系数随围压增加整体按负指数关系减小，20 MPa是围压影响系数减小快慢的转折点;通过试验结果分析3种强度准则，指出幂函数Mohr强度准则能更好的反应不同围压岩石强度的非线性特征;白砂岩发生典型的缓倾角剪切破坏，破裂面为平面，红砂岩和黄砂岩在低围压下发生张剪复合破坏，在高围压时发生陡倾角剪切破坏，红砂岩的破裂面为锥面，黄砂岩的破裂面为高低不平的起伏面。

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煤炭学报

2020年第04期

1392

432
煤岩组合体的能量演化规律与破坏机制研究

作者(Author)：杨磊, 高富强, 王晓卿, 李建忠

摘要：为研究煤岩组合结构受压过程中的能量演化规律与破坏机制，对煤、岩石及3组煤岩组合体进行了单轴一次加载与循环加卸载试验，分析了煤岩组合体输入能密度、弹性能密度、耗散能密度以及弹性模量与单轴抗压强度等力学参数的演化规律，得到了不同试样的储能特性，基于煤岩组合体的力学响应、能量演化与变形破坏特征，建立并探讨了煤岩组合体破坏的能量驱动机制。结果表明:煤岩组合体峰前阶段的输入能密度、弹性能密度及耗散能密度随轴向应力的增加呈明显的非线性增长特征，峰前阶段的能量密度-应力曲线可分为压密段、弹性变形段和非稳定破裂发展阶段，整个过程储存在试样内部的弹性能较高，耗散能较少，试样达到屈服后，耗散能所占比例开始增加。煤岩组合体的单轴抗压强度与弹性模量介于纯煤和岩石试件中间，更接近于纯煤试件，随着岩石强度的增大，组合体力学性能稍有增强，但幅度有限，煤体是控制组合体强度等力学特性的主要因素。煤岩组合体破坏的能量驱动机制可概括为:煤岩组合体受压过程中，煤、岩开始不断储存弹性应变能，煤体储能速度快，内部弹性能达到其储能极限时，煤体率先发生破坏，破碎程度高，主要呈X状共轭斜面剪切破坏，破坏瞬间释放的能量传递至岩石，达到岩石的储能极限时，煤体中裂纹扩展贯通至岩石内部，在弹性能的驱动下岩石发生张拉破坏。

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煤炭学报

2019年第12期

1250

471
冻融-荷载作用下基于残余强度特征的岩石损伤模型

作者(Author)：张慧梅, 孟祥振, 彭川, 杨更社, 叶万军, 申艳军, 刘慧

摘要：岩石变形破坏特性是寒区岩土工程建设所直接面临的基础力学问题。为模拟冻融与荷载作用下岩石变形破坏的全过程，将冻融-荷载作用下的岩石微元在轴向抽象为未损伤、冻融损伤、受荷损伤、冻融与荷载共同损伤4部分，这4部分材料共同承受轴向应力，其中冻融损伤、受荷损伤、冻融与荷载共同损伤3部分可承受残余应力。采用Weibull分布描述岩石材料的非均匀性，基于D-P破坏准则，定量表述了冻融与荷载的耦合效应对总损伤的影响规律，建立了考虑残余强度特征的冻融受荷岩石损伤本构模型;基于岩石变形破坏特征，推导出模型参数的理论表达式;开展红砂岩冻融循环及三轴压缩试验，研究岩石的变形破坏过程及冻融循环和围压对其力学特性的影响，验证所建模型的合理性;分析冻融-荷载作用下岩石的损伤力学特性。研究表明:本文所建模型反映了冻融受荷岩石变形破坏的全过程，并能表征冻融循环和围压对岩石变形特性的影响;岩石的总损伤演化途径反映了细观力学响应与宏观变形破坏特征相一致，刻画出冻融与荷载2种作用因素对岩石总损伤扩展的非线性影响特性，探寻了细观损伤演化所诱发的宏观力学效应，为揭示岩石的冻融破坏机制提供理论依据。

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煤炭学报

2019年第11期

903

470
考虑含水率影响的煤岩变形及渗透率模型

作者(Author)：李波波, 李建华, 杨康, 任崇鸿, 许江, 张敏

摘要：煤矿开采深度不断增加，煤层瓦斯含量升高导致动力灾害逐渐增多，给煤矿安全开采带来严峻考验。对于瓦斯在煤层中流动的研究一直以来都备受关注，其中渗透率正是影响煤层中瓦斯流动的关键参数之一。因此，为准确模拟开采环境变化导致的煤岩变形及渗透特性变化，利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置，开展不同含水条件下孔隙压力升高过程中煤岩渗透特性的试验研究，建立考虑含水率的吸附方程和吸附-渗透率模型，探讨含水率和孔隙压力共同作用对煤岩变形及渗透特性的影响。研究结果表明:① 孔隙压力升高过程中，径向应变及轴向应变随孔隙压力的升高均呈降低趋势，瓦斯流量的变化呈上升趋势，煤基质由于吸附瓦斯产生膨胀变形，体积应变逐渐减小。② 当含水率恒定时，随着孔隙压力的升高，瓦斯吸附量随孔隙压力增大先增大而后趋于平缓，产生的吸附变形的变化趋势与其相同;当孔隙压力恒定时，煤岩的吸附量和吸附变形均随着含水率的增大而减小。③ 在恒定含水率条件下，煤岩渗透率曲线随孔隙压力的升高先减小后趋于平缓;而在相同的孔隙压力条件下，随含水率的增加，煤岩渗透率整体逐渐减小，而且含水率越大孔隙压力对渗透率的影响越弱，水分子对渗透率的影响越强。④ 构建了考虑含水率的吸附量计算方程，并在此基础上进一步构建考虑含水率煤岩吸附-渗透率模型，其中所计算的渗透率值与试验所测结果基本一致，反映了煤岩渗透率变化规律。

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煤炭学报

2019年第04期

1198

314
爆炸荷载下含预裂缝的裂纹扩展实验研究

作者(Author)：杨仁树, 苏洪

摘要：预裂爆破技术目前广泛应用于爆破工程中，为了探究预裂爆破形成的预裂缝对爆生裂纹和原生裂纹动态断裂特性的影响，基于数字激光动态焦散线实验开展了一系列研究，获得了裂纹扩展的时实动力学参数。研究结果表明:预裂爆破形成的预裂缝可以阻挡爆生裂纹向保留岩体内扩展，加大被爆岩体的损伤;其两端产生的翼裂纹向保留岩体扩展，且扩展长度随着预裂缝长度的增加而增大;长度较短的预裂缝(L=20~80 mm)，对保留岩体内原生裂纹扩展有促进作用，只有当预裂缝长度增加到一定程度(L=100 mm)，才会对保留岩体内原生裂纹扩展有抑制作用，预裂缝A长度L=100 mm时，其B裂纹扩展长度为无预裂缝A模型时的21%，Bz和By扩展速度均值为无预裂缝A时的0和64.8%;当有预裂缝存在时，原生裂纹两端翼裂纹的起裂时间随着预裂缝长度增加而增加，当预裂缝长度增加到一定程度(L=100 mm)，迎爆侧翼裂纹没有起裂，By起裂时间推迟到和无预裂缝时一样的150μs;原生裂纹迎爆侧翼裂纹断裂韧度小于背爆侧断裂韧度;当有预裂缝存在时，原生裂纹两端起裂韧度均小于无预裂缝时的起裂韧度，且随着预裂缝长度增加迎爆侧翼裂纹起裂韧度降低;原生裂纹两端应力强度因子峰值随着预裂缝长度增加而减小。

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煤炭学报

2019年第02期

1265

419
含水率对红砂岩瞬时和蠕变力学性质影响的试验研究

作者(Author)：于超云, 唐世斌, 唐春安

摘要：水是影响岩体工程稳定性的重要因素。为了全面分析水对岩石瞬时及蠕变力学特性的影响，设计了两类试验：单轴压缩强度试验和蠕变试验。通过吸水试验分析红砂岩的吸水特征，并以此为依据制备不同含水率的标准试件。首先对9组不同含水率的试件进行单轴压缩强度试验。利用体积应变法和LSR法(Lateral Strain Response)确定红砂岩在单轴压缩条件下的4个特征应力：闭合应力、启裂应力、损伤应力和破坏应力, 从而得到了含水率与红砂岩力学参数的定量关系。结果表明，应力应变曲线上各阶段特征应力随含水率增大而服从负指数规律衰减，并且当试件达到饱和后，各特征应力趋于稳定。由于高孔隙率的特性，导致红砂岩的特征应力在短时间内显著降低。启裂应力σi与闭合应力σc之差随着含水率的增加而减小。这说明水的增加导致红砂岩非线性特征增强。强度和弹性模量损失系数随含水率呈指数函数增长的趋势，饱和红砂岩的强度和弹模总损失系数分别是0484和0334。此外，将5组不同初始含水率的试件持续浸在充满水的环境试验箱中，开展荷载与水共同作用下的蠕变试验，从而得到长期水环境对红砂岩蠕变力学特征的影响。结果表明，试件的瞬时应变和稳态应变率随含水率增加呈指数形式增大，蠕变应变和破坏时间随含水率增加而减小。当含水率趋于稳定时，红砂岩的蠕变特性仍然有显著的变化，其原因在于环境中的水沿蠕变新生成的裂缝进一步运移到裂缝尖端，初始裂纹进一步扩展。实验结果不仅强调了短时间内水对高孔隙率岩石瞬时力学性质的急剧弱化作用，而且强调了环境中的水对饱和岩石蠕变力学性质的持续影响作用。此外，实验数据和拟合方程将为岩体工程长期稳定性的评估提供一定的参考价值。

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煤炭学报

2019年第02期

1214

341
真三轴应力条件下加卸荷速率对砂岩力学特性与能量特征的影响

作者(Author)：尹光志, 马波, 刘超, 李铭辉, 鲁俊, 尹思禹

摘要：为了更准确地认识真三轴应力条件下加卸荷速率对岩石力学特性与能量特征的影响规律，利用自主研发的“多功能真三轴流固耦合试验系统”开展了砂岩真三轴加卸荷力学特性试验，实现了最小主应力方向上的单面卸荷，模拟实际围岩应力演化过程。试验结果表明：随着卸荷速率的增大，砂岩破坏时的最大主应力、最大主应变、最小主应变和体积应变均减小、中间主应变增大，扩容起始点提前，岩样破坏模式逐渐由剪切破坏转为张拉破裂，且张性裂纹多集中于卸荷面附近。加载速率的增大，砂岩破坏时的最大主应力、最大主应变、最小主应变和体积应变增大，扩容起始点滞后，岩样破坏模式逐渐由张剪破坏转向剪切破坏，产生非贯通性裂纹。引入应变偏应力柔量分析不同加卸荷速率下砂岩变形规律，最小主应变和体积应变的偏应力敏感性与卸荷速率呈正相关，最大主应变的偏应力敏感性与加载速率呈正相关。此外，岩石在峰值应力前能量演化有明显的阶段性，峰前吸收的能量大多以可释放弹性应变能的形式存储，耗散能在峰后超过弹性应变能。耗散能比例Ud/U随着最大主应变的增加呈现出先增后降再增的趋势，峰值应力时Ud/U随着卸荷速率的增大而减小，随着加载速率的增大而增大。达到峰值应力时，岩石吸收的总能量U、弹性应变能Ue、耗散能Ud和相应的应变能增量与时间间隔的比值u均随着卸荷速率的增大而减小，随着加荷速率的增大而增大。

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煤炭学报

2019年第02期

1285

412
基于“两介质-三界面”模型的散煤注浆固结宏细观规律

作者(Author)：李桂臣, 孙长伦, 孙元田, 崔光俊, 钱德雨

摘要：为了预判水泥浆注浆加固淮北矿区松散煤层效果，提供合理注浆参数，确保松散破碎围岩体注浆加固后稳定，文章基于离散元思想，将散煤和水泥视为颗粒，结合散煤-水泥浆胶结体单轴压缩试验和颗粒流模拟软件，研究散煤注浆加固效果，从宏-细观角度揭示散煤水泥浆注浆加固规律。文章构建了散煤-水泥"两介质-三界面"模型；校核了散煤-水泥浆胶结体三界面细观力学参数，分析了颗粒配比和胶结体孔隙率对散煤注浆加固效果的影响规律。研究结果表明："两介质-三界面"模型包括散煤颗粒、水泥颗粒，散煤颗粒之间胶结界面、水泥颗粒之间的胶结界面和散煤与水泥颗粒之间的胶结界面，模型不仅能够模拟常规岩体力学实验，还能够进行胶结参数影响特性研究，适用于散体介质注浆加固效果预判；散煤-水泥浆胶结体单轴压缩强度σc和弹性模量E随着散煤与水泥颗粒配比γ增加先增大后减小，存在最佳配比，散煤含量增加的过程分为初期骨料强化和后期胶结弱化两个阶段；胶结体单轴压缩强度σc和弹性模量E随着孔隙率n增加而加速减小，粒径越小、充填程度越高的注浆材料，加固效果越好。在现场注浆设计施工过程中，根据现场围岩破碎程度，优选粒径小、可注性好的浆液，能够获得较好的注浆加固效果。

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煤炭学报

2019年第02期

1255

421