剪切荷载条件下含瓦斯煤细观破坏实验研究

论文摘要

随着矿井开采深度的不断增加,地应力和瓦斯压力也在不断地增大,同时伴随着各种各样的问题,而煤与瓦斯突出就是其中比较严重的矿井灾害。煤与瓦斯突出愈发严重,给煤矿职工和煤矿企业带来的危害就越大。从综合作用假说观点来看,煤与瓦斯突出实质上是内外营力综合作用下煤岩体产生剪切破坏所形成的一种矿井动力灾害。研究开采过程中含瓦斯煤的动态变化过程,可以为深入研究煤与瓦斯突出发生机理提供依据,本文利用自主研发的含瓦斯煤岩剪切细观实验装置进行了不同瓦斯压力、不同剪切速率和不同法向应力条件下的含瓦斯煤岩细观剪切实验,为研究和防治煤与瓦斯突出奠定理论基础,通过本文研究,取得了以下研究成果:1)自主研发了含瓦斯煤岩剪切细观实验装置,该装置可以进行不同瓦斯压力、不同剪切速率和不同法向应力条件下煤岩的细观剪切实验;裂纹细观监测系统可以对煤样表面的裂纹实时观测记录;本实验装置具有可靠性高、操作灵活等特点,可以在固-气耦合条件下进行含瓦斯煤岩的剪切实验,揭示含瓦斯煤岩剪切状态下的损伤细观规律,具有很大的使用价值。2)含瓦斯煤的抗剪强度随着瓦斯压力和法向应力的增大而增大,随剪切速率的增大而减小。从细观角度分析,微裂纹最早在煤样上部萌生,并随着荷载的不断增加,裂纹曲折向下延伸;当荷载增加到一定阶段,煤样下端有微裂纹产生,且裂纹向上发展。3)含瓦斯煤微裂纹在煤样上端和下端萌生,随着荷载的不断增加,裂纹向前延伸;型煤裂纹的萌生、延伸和贯通在峰值前完成,原煤微裂纹在峰值前产生,但微裂纹的快速发展和主裂纹贯通是在峰值后;型煤在峰值后几乎失去承载能力,而原煤在峰值后仍然有承载能力。4)垂直层理方向含瓦斯原煤表面存在层理面,层理面和不断增加的荷载造成在剪切方向和层理面的交叉点处有裂纹萌生,同时层理面的存在会造成裂纹发生一定的偏转;而平行层理方向含瓦斯原煤表面层理面不明显。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 煤的力学特性
• 1.2.2 剪切试验研究
• 1.2.3 细观实验研究
• 1.3 研究内容与技术路线
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 技术路线
• 2 含瓦斯煤岩剪切细观实验装置研制及实验方法
• 2.1 含瓦斯煤岩剪切细观实验装置
• 2.1.1 实验装置研制的目的
• 2.1.2 实验装置的系统组成
• 2.1.3 实验装置的主要技术参数和技术特点
• 2.2 含瓦斯煤岩细观剪切实验步骤
• 2.3 煤样制备与方法
• 2.3.1 型煤样成型装置
• 2.3.2 型煤样制备
• 2.3.3 原煤样制备
• 2.4 小结
• 3 瓦斯压力对含瓦斯煤细观剪切规律的影响
• 3.1 含瓦斯型煤细观剪切实验
• 3.1.1 含瓦斯型煤荷载-位移曲线
• 3.1.2 含瓦斯型煤的裂纹动态发展演化过程
• 3.1.3 含瓦斯型煤细观裂纹形态特征
• 3.2 平行层理方向含瓦斯原煤细观剪切实验
• 3.2.1 含瓦斯原煤荷载-位移曲线
• 3.2.2 含瓦斯原煤的裂纹动态发展演化过程
• 3.2.3 含瓦斯原煤细观裂纹形态特征
• 3.3 垂直层理方向含瓦斯原煤细观剪切实验
• 3.3.1 含瓦斯原煤荷载-位移曲线
• 3.3.2 含瓦斯原煤的裂纹动态发展演化过程
• 3.3.3 含瓦斯原煤细观裂纹形态特征
• 3.4 含瓦斯煤细观剪切实验结果对比
• 3.4.1 含瓦斯煤荷载-位移曲线对比
• 3.4.2 含瓦斯煤的裂纹动态发展演化过程对比
• 3.4.3 含瓦斯煤细观裂纹形态特征对比
• 3.5 小结
• 4 剪切速率对含瓦斯煤细观剪切规律的影响
• 4.1 含瓦斯型煤细观剪切实验
• 4.1.1 含瓦斯型煤荷载-位移曲线
• 4.1.2 含瓦斯型煤的裂纹动态发展演化过程
• 4.1.3 含瓦斯型煤细观裂纹形态特征
• 4.2 平行层理方向含瓦斯原煤细观剪切实验
• 4.2.1 含瓦斯原煤荷载-位移曲线
• 4.2.2 含瓦斯原煤的裂纹动态发展演化过程
• 4.2.3 含瓦斯原煤细观裂纹形态特征
• 4.3 垂直层理方向含瓦斯原煤细观剪切实验
• 4.3.1 含瓦斯原煤荷载-位移曲线
• 4.3.2 含瓦斯原煤的裂纹动态发展演化过程
• 4.3.3 含瓦斯原煤细观裂纹形态特征
• 4.4 含瓦斯煤细观剪切实验结果对比
• 4.4.1 含瓦斯煤荷载-位移曲线对比
• 4.4.2 含瓦斯煤的裂纹动态发展演化过程对比
• 4.4.3 含瓦斯煤细观裂纹形态特征对比
• 4.5 小结
• 5 法向应力对含瓦斯煤细观剪切规律的影响
• 5.1 平行层理方向含瓦斯煤细观剪切实验
• 5.1.1 含瓦斯原煤荷载-位移曲线
• 5.1.2 含瓦斯原煤的裂纹动态发展演化过程
• 5.1.3 含瓦斯原煤细观裂纹形态特征
• 5.2 垂直层理方向含瓦斯煤细观剪切实验
• 5.2.1 含瓦斯原煤荷载-位移曲线
• 5.2.2 含瓦斯原煤的裂纹动态发展演化过程
• 5.2.3 含瓦斯原煤细观裂纹形态特征
• 5.3 含瓦斯煤细观剪切实验结果对比
• 5.3.1 含瓦斯煤荷载-位移曲线对比
• 5.3.2 含瓦斯煤的裂纹动态发展演化过程对比
• 5.3.3 含瓦斯煤细观裂纹形态特征对比
• 5.4 小结
• 6 总结和展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 后续研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A 作者在学习期间发表的论文
• B 作者在学习期间参加的科研项目