冲击载荷下含瓦斯煤动力学破坏特征与瓦斯渗流规律分析

为探究不同冲击载荷和瓦斯压力作用下的含瓦斯煤动力学特征、裂隙扩展及瓦斯渗流变化规律,采用含瓦斯煤岩冲击损伤-渗流试验系统开展含瓦斯煤冲击试验以及原位渗流测试,并结合工业CT扫描系统进行试样裂隙结构的三维重构,分析含瓦斯煤内部裂隙扩展特征及其对瓦斯渗流的影响规律。研究结果表明,冲击载荷和瓦斯压力对含瓦斯煤的动力学性质、变形过程、裂隙扩展和渗流规律均具有重要影响,具体表现在:①受围压和轴压的影响,冲击载荷耦合瓦斯压力条件下的含瓦斯煤应力-应变曲线无明显压密阶段;含瓦斯煤的变形过程主要经历了弹性变形阶段、应变强化阶段及破坏阶段。②冲击载荷的增加对含瓦斯煤动力学参数具有强化作用,气体压力的升高则劣化了含瓦斯煤动力学参数;冲击载荷越大,瓦斯压力越高,含瓦斯煤的裂隙扩展愈充分,所形成的裂隙结构愈复杂。③含瓦斯煤的渗流规律受控于裂隙扩展,冲击载荷耦合瓦斯压力作用下,含瓦斯煤中存在孔隙流动、孔隙流动-裂隙流动并存及裂隙流动等3种气体流动形式;含瓦斯煤冲击破坏后,随着气体压力增加以及气楔作用的增强,瓦斯流动形式可由孔隙流动依次转变为孔隙流动-裂隙流动并存和裂隙流动;裂隙扩展和流动形式共同影响含瓦斯煤渗流规律,含瓦斯煤渗透率随瓦斯压力的增大总体上符合先增大后减小的变化趋势。

循环荷载下含瓦斯煤力学特性及应变场演化规律研究

为研究循环荷载下含瓦斯煤力学特性及应变场演化规律,利用MTS816岩石力学试验系统和自主研制的含瓦斯煤气固耦合装置开展循环加卸载条件下含瓦斯煤力学特性试验,分析循环加卸载下煤样强度和变形特性,并结合数字图像相关(DIC)技术探究含瓦斯煤应变场演化规律。结果表明:①循环加卸载作用下,加卸载曲线之间不重合,形成滞回环,且随着循环次数的增加,滞回环面积逐渐增大,并向着应变增大的方向逐渐移动;不同瓦斯压力的煤样在循环荷载作用下均呈明显的脆性破坏。②循环加卸载作用下,随瓦斯压力升高,煤样峰值强度降低,加载变形模量和卸载变形模量均增大,且卸载变形模量始终大于加载变形模量;随着循环次数的增加,变形模量差值逐渐减小并最终在0~0.1 GPa。③循环加卸载条件下煤样不可逆应变与循环次数之间呈“初始、稳定、加速扩展”的3阶段变化特征,曲线整体从L型向U型趋势发展,累计不可逆应变与循环次数之间呈快速增加、缓慢增加、快速增加的趋势,不可逆应变与累积不可逆应变均随瓦斯压力增大而增加。④在低瓦斯压力下,煤样应变集中区主要为单一竖向应变集中带,随瓦斯压力增大,局部应变集中带逐渐由竖向单一向无序复杂转变;瓦斯压力越大,应变场波动程度越剧烈且剧烈程度主要集中在中部区域;高瓦斯压力下,随瓦斯压力升高,峰值点的个数越多,应变越大。

基于改进樽海鞘群算法的含瓦斯煤破裂过程信号特征识别

针对标准樽海鞘群算法存在的计算精度不足、易陷入局部停滞等缺陷,提出一种多策略融合的樽海鞘群算法。在初始化阶段,引入线性同余法随机发生器;利用野马算法优化樽海鞘领导者位置;采用金豺算法改进樽海鞘种群追随机制。通过测试函数寻优对比实验,证明多策略融合的樽海鞘群算法相比于其他智能算法在鲁棒性与稳定性方面均有显著提升。将多策略融合的樽海鞘群算法应用到含瓦斯煤破裂过程信号特征识别,实验结果表明:提出的含瓦斯煤破裂过程信号特征识别模型具有更好的表现,准确率可达93.33%,相比其他识别模型,识别率更高。

不同含水率条件下含瓦斯煤改进邓肯-张模型

为建立能够合理反映含瓦斯煤在不同含水率和围压工况下的力学特性模型,首先基于已有的含瓦斯煤常规三轴试验,分析其在不同围压和含水率条件下应力-应变特性;其次结合邓肯-张模型与Janbu公式得到相关的邓肯-张模型参数;然后建立初始弹性模量、破坏应力与各影响因素的拟合公式,构建能表征不同应力水平下含瓦斯煤变形规律的改进邓肯-张模型;最后对修正后的模型进行验证,对模型精度进行评价。结果表明:含水率的增加是引起含瓦斯煤模型参数动态变化的重要原因;提出的改进模型预测曲线与实际的试验曲线具有良好的吻合度,该修正模型可以准确反应不同围压和含水率下含瓦斯煤的应力应变特性。

含瓦斯煤经典扩散模型数学关系研究

含瓦斯煤扩散模型形式多样,而模型之间的数学关系有待明确。研究了20种经典的含瓦斯煤扩散模型,根据模型特点将其分为常规扩散模型、动态扩散模型和经验扩散模型3类,通过等价、近似数学转换发现同类扩散模型存在数学关系。为了探究3类扩散模型之间的关系,以常规扩散模型为基础,基于煤体分形孔隙结构特性建立了动态扩散系数模型,通过观察扩散系数与时间的关系进而推导出了动态扩散系数模型,建立了动态扩散模型与常规扩散模型的数学关系;以煤基质立方体几何模型为假设条件,结合Fick定律与动态扩散模型,推导出了经验扩散模型,建立了经验扩散模型与动态扩散模型的关系。

不同含水率及围压条件下含瓦斯煤能量变化规律

为探究含瓦斯煤变形破坏过程中的能量耗散规律,利用自主研制的煤岩力学性质测试装置,开展含瓦斯煤在不同含水率及围压下的常规三轴试验,基于热力学第一定律,分析含瓦斯煤偏应力-应变曲线不同阶段和特征点处的能量变化规律。结果表明:不同含水率时,围压从12 MPa增大到20 MPa时,对应的弹性能占比增幅分别为60.33%、20.11%和3.86%,弹性能占比、破坏强度和弹性模量均增大,说明围压对含瓦斯煤体的变形破坏具有一定的抑制作用;不同围压时,含水率从1%增加到5%,对应的总能量分别下降25.38%、8.78%和6.23%,总能量、弹性能和破坏强度总体上均减小,导致含瓦斯煤更易破坏。含水率的增大使含瓦斯煤颗粒间摩擦力降低,促进煤颗粒间的相对移动。

冲击荷载下含瓦斯煤能量耗散及损伤破坏规律

为探究冲击荷载下含瓦斯煤体动态响应差异,利用可视化含瓦斯煤分离式霍普金森压杆试验系统,对不同初始瓦斯压力下的煤体进行动态冲击试验,分析了不同瓦斯赋存状态下煤体能量耗散规律,并借助超高速摄像机和数字图像相关(digital image correlation,简称DIC)技术阐述冲击过程含瓦斯煤表面裂纹演化特征,结合分形理论获得了瓦斯压力对破碎煤体分形特征的影响,揭示了瓦斯赋存状态与破碎煤体特征尺寸的内在联系。结果表明:冲击荷载下,含瓦斯煤体应力-应变曲线基于能量耗散规律大致可分为4个阶段,瓦斯对煤体劣化作用显著,破碎耗能与破碎耗能密度随初始瓦斯压力增加均呈指数函数减小;受瓦斯气楔效应影响,冲击荷载下含瓦斯煤体应变场演化更为复杂,煤体破坏逐步从横向层裂破坏演变为横向层裂-纵向劈裂的复合型破坏;瓦斯压力作用下,煤体内部损伤加剧,破坏失稳后,破碎煤体平均粒径及破碎块度尺寸随初始瓦斯压力增加而逐渐减小,但分形维数呈指数函数增加,煤体破碎程度更加剧烈;构建了基于煤体破碎过程中能量消耗守恒的多维动态含瓦斯煤破碎模型,结合试验数据验证了模型的合理性,可较好地描述受瓦斯影响下的破碎煤样特征尺寸。研究成果对矿井煤岩瓦斯动力灾害防治具有重要的理论意义和一定的应用前景。

不同应力路径下含瓦斯煤的声发射特性与能量演化规律

为了研究含瓦斯煤在不同扰动作用下的声发射特性和能量演化规律,利用多场煤与瓦斯突出过程宏细观试验系统,开展6种应力路径下的含瓦斯煤轴向加卸载试验,分析应力路径对含瓦斯煤声发射特性和变形特性的影响,并得到含瓦斯煤在循环加卸载过程中的能量演化特征及储能规律。研究结果表明:含瓦斯煤在吸附过程中的振铃计数随吸附时间增长而减少,根据出气口压力变化趋势将吸附过程分为3个阶段,分别为外扩散阶段、内扩散阶段和吸附饱和阶段;含瓦斯煤在加卸载过程中的振铃计数主要分布在应力上升区段,出现了明显的Kaiser效应,累计振铃计数在循环加卸载路径下呈“阶梯”形增长,且随着循环次数增加和应力路径延长而增大;含瓦斯煤在不同循环加卸载路径下的能量演化规律具有一致性,各能量密度均随着轴向应力增加而呈现二次函数型增长,并经历了减速增长、线性增长和加速增长的3个阶段;同时,弹性能密度和总输入能密度之间存在线性关系,储能系数为定值且均在50%以上。

基于灰度共生矩阵和工业CT扫描的受载含瓦斯煤裂隙动态演化特征

为研究受载含瓦斯煤在三轴压缩作用下的裂隙演化规律,利用受载含瓦斯煤显微工业CT扫描系统,开展了三轴加载条件下受载含瓦斯煤的工业CT扫描测试,获取了受载含瓦斯煤的应力-应变曲线和各变形阶段的CT扫描图形.运用图像分析软件对CT扫描数据进行了三维数字重建,实现了煤样内部裂隙的三维可视化和定量表征,并基于灰度共生矩阵(GLCM)理论分析了受载含瓦斯煤的裂隙动态扩展特征及规律.研究结果表明:瓦斯压力的存在一定程度上弱化了受载含瓦斯煤的力学性质,同时也加速了裂隙的扩展;受载含瓦斯煤二维裂隙先闭合后扩展,峰后快速扩展并形成连通二维裂隙网络;三维裂隙体积和裂隙密度呈现出先减小后增大的变化趋势,总体上可划分为裂隙压密闭合、新裂隙萌生扩展和主裂隙加速扩展贯通3个变化阶段;灰度共生矩阵分析中,对比度先减小后增大,能量和同质性先增大后减小,相关性呈现出单调递减趋势,准确描述了受载含瓦斯煤内部裂隙随应力增加不断变化的总体发展规律.

低围压下含瓦斯煤三轴压缩变形时的能量变化规律

为探究煤体在受压过程中的能量特征及临界破坏点能量变化规律,基于常规三轴压缩下含瓦斯煤的应力-应变曲线,分析含瓦斯煤破坏过程中弹性应变能和耗散能随应变变化的规律,据此给出含瓦斯煤在不同围压、含水率下变形破坏时的能量解释。研究结果表明:有效能比在同一围压下随着含水率的增大先增加后减小,表明含水率的增大会降低煤样强度。建立围压和含水率对含瓦斯煤三轴压缩变形过程中临界破坏点总能量耦合关系的多元线性回归方程,取得了较好的拟合度。

含瓦斯煤低温吸附过程能量变化规律研究

为了得出煤吸附甲烷过程中能量变化规律,通过高低温智能吸附实验箱分别进行温度为30、15、0、-15、-30、-45℃,初始吸附压力为1、1.5、2、2.5、3 MPa的煤吸附甲烷实验。结果表明:加大注气压力和降低吸附温度是影响煤在吸附甲烷过程温度变化量增大的2个重要因素;一定质量煤样吸附甲烷前后表面自由能会降低,热量会升高,且其差值因甲烷压力的升高而逐步增大;升压或降温在煤吸附甲烷过程中都使得煤温度变化量增大,实质上是煤表面自由能甲烷分子势能转化为热量值来维持整体能量平衡的现象。

含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置的研制及应用

介绍自主研发的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置,该装置主要由伺服加载系统、三轴压力室、水域恒温系统、孔压控制系统、数据测量系统以及辅助系统等6个部分组成,其最大轴压为100MPa、最大围压为10MPa、最高加热稳定温度为100℃,试件尺寸为φ50mm×100mm。该装置具有如下特点:(1)所进行的试验能反映地应力、瓦斯压力、温度等对含瓦斯煤渗透率的综合影响;(2)实现伺服液压控制加载功能,能进行多种形式的加载;(3)实现"面充气",更加逼真地反映实际煤层瓦斯源的情况;(4)设计有导向装置,实现加压活塞杆和支撑轴的对位,避免在加压过程中产生晃动,使得试件受压均匀而稳定;(5)数据采集使用更加灵敏、精确度更高的各类传感器;(6)设计有大型水域恒温系统,并安装有水域循环水泵,加热过程更加均匀;(7)具有研究含瓦斯煤渗透性、变形特性等多种功能。采用该装置进行含瓦斯煤在不同围压、不同温度条件下的渗透试验,结果表明含瓦斯煤变形存在4个阶段,其抗压强度随着围压的增加而增大;含瓦斯煤渗流流量在应力–应变过程中存在阶段性变化且随着温度的升高呈现总体减小的趋势。该装置可用于含瓦斯煤热流固耦合渗流领域的研究,为进一步深层次揭示煤层瓦斯运移规律和研究煤层瓦斯抽采技术提供理论基础。

含瓦斯煤相似材料研制及其突出试验应用

采用相似物理模拟试验研究煤与瓦斯突出机制和规律是目前有效的方法,含瓦斯煤体相似材料是突出定量模拟的关键因素。研制出一种新型的含瓦斯煤体相似材料,该相似材料以一定粒径分布的煤粉为骨料,以腐植酸钠水溶液为胶结剂,混合压制成型后干燥。大量正交配比试验表明：在成型压力15 MPa下,相似材料的重度、孔隙率趋于稳定并与原煤十分接近;相似材料抗压强度高,可调范围达0.5~2.8 MPa,与胶结剂浓度近似呈线性正比关系;吸附解吸试验表明,相似材料的吸附性良好,其与原煤的吸附等温线一致;并且具有材料价格低廉、无毒副作用、配比简单、性能稳定和各物理力学参数调节方便等特点,可用来模拟不同强度原煤。采用相似材料制作的型煤开展了煤与瓦斯突出试验,成功模拟了煤与瓦斯突出现象和过程,证明该相似材料能很好地模拟具有吸附解吸特性的含瓦斯煤体。

基于含瓦斯煤岩固气耦合模型的钻孔抽采瓦斯三维数值模拟

通过在多孔介质的有效应力原理中引入瓦斯吸附产生的膨胀应力,得出适用于含瓦斯煤岩的有效应力计算公式。同时利用含瓦斯煤岩的孔隙率和渗透率的动态模型,建立了能描述含瓦斯煤岩固气耦合情况下的骨架可变形性和气体可压缩性的固气耦合模型。以平顶山十矿的相关物性参数为基础进行了数值模拟,首先对建立的三维模型进行了开挖处理,得到了开挖后煤层的应力分布状态,而非简单的均布载荷,然后利用所建立的数学模型进行钻孔抽采瓦斯三维数值模拟。从数值模拟结果得到:①抽采负压对钻孔抽采瓦斯的影响不明显;②随着抽采时间的增长,煤层的孔隙率逐渐减小;③随着时间的推移,钻孔抽采瓦斯的有效抽采半径均逐渐增大,最后会迫近一个定值。

不同加卸载条件下含瓦斯煤力学特性试验研究

利用自行研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置,以平煤十矿原煤样为研究对象,进行不同加卸载条件下(即增加轴压的同时卸载围压)含瓦斯煤力学特性的试验研究。研究结果表明,不同加卸载条件下含瓦斯煤的力学特性表现各异,主要表现为:加卸载煤样的承载强度比常规加载煤样的峰值强度低;加卸载煤样的承载强度随初始轴力的升高呈指数关系降低、随轴力加载速度的增加呈幂函数关系降低、随初始围压的升高呈指数关系降低、随瓦斯压力的升高呈线性关系降低;随着轴向应变的增加,各条件下变形模量呈现先迅速减小然后缓慢减小直至破坏后保持基本稳定的趋势,泊松比表现出先逐渐减小后增加最后基本保持稳定的趋势。该研究对巷道支护和瓦斯抽采具有重要的指导意义。

三轴条件下含瓦斯煤力电感应规律的试验研究

应用自主研制的电荷感应系统,在三轴压缩条件下研究不同围压和孔隙压力对含瓦斯煤在破坏过程中电荷感应信号的影响规律。试验结果表明:在围压一定情况下,随着孔隙压力的升高,电荷感应信号减弱,孔隙压力对煤样压缩破裂产生的电荷感应信号起到弱化作用;在孔隙压力一定的情况下,随着围压的升高,电荷感应信号增强,围压对煤样压缩破裂产生的电荷感应信号起到强化的作用。

温度对含瓦斯煤力学性质影响的试验研究

利用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置,以型煤试样为研究对象,在不同温度条件下对含瓦斯煤进行三轴压缩试验,研究温度对含瓦斯煤的变形及力学特性的影响规律。研究结果表明:在相同应力条件下,含瓦斯煤的变形量随着温度的升高逐渐增大,轴向、径向与体积应变在不同的温度区间内分别有不同的变化趋势,温度超过60℃后,径向应变的变化速度超过轴向应变的变化速度;破坏角随着温度的升高略有增加;三轴抗压强度、残余强度、弹性模量等随着温度的升高逐渐降低,但在不同的温度区间内,其变化趋势有所差异;而泊松比则随着温度的升高呈现先降低后升高的趋势。总体看来,温度对含瓦斯煤的变形特性及力学特性有着一定的影响,温度的升高总体上可降低煤体的强度,但在不同的温度范围内,含瓦斯煤的变形特性及力学特性的变化趋势有所不同。研究结果对深部煤炭开采及巷道支护等有一定的理论指导价值。

基质收缩效应对含瓦斯煤渗流影响的实验分析

以山西晋城煤业集团赵庄矿和寺河矿的3#煤层原煤为研究对象,利用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置,通过保持有效应力恒定以消除其引起的渗透率变化,并同时考虑到滑脱效应对渗透率的影响,进行了He和CH4在不同气体压力条件下煤渗透率的平行实验,定量考察了煤基质收缩效应对煤岩渗透率的影响。实验结果表明:1)在低瓦斯压力条件下,煤渗透率表现出较显著的滑脱效应,且随着瓦斯压力的增加,煤样的渗透率呈现出先减小后增大的趋势,赵庄矿和寺河矿煤样的滑脱效应拐点均为0.9MPa左右;2)当有效应力恒定时,随着瓦斯压力增加,由滑脱效应引起的煤渗透率变化量逐渐减小,而由基质收缩效应引起的渗透率变化量逐渐增大;3)基质收缩效应与煤力学性质密切相关,力学性能相对较弱的煤样,其基质收缩效应相对较明显。

基于混合物理论的含瓦斯煤本构方程

以混合物理论的Truesdell公设为基础,认为含瓦斯煤是由固相煤、游离相瓦斯和吸附相瓦斯组成的饱和混合物,采用理论推导的方法构建含瓦斯煤的本构方程.方程表明,含瓦斯煤的力学变形特性由各组分特性、瓦斯吸附解吸作用和煤体的孔隙分布共同决定.不同瓦斯压力条件下含瓦斯煤的应力-应变曲线表明:吸附瓦斯促使煤体产生膨胀变形,降低其弹性模量;围压也将对含瓦斯煤的弹性模量和变形产生重要影响.

含瓦斯煤岩破裂过程固气耦合数值模拟

根据瓦斯渗流与煤体变形的基本理论,并引入煤体变形过程中细观单元损伤与透气性演化的耦合作用方程,建立了含瓦斯煤岩破裂过程固气耦合作用模型·应用该模型模拟研究了煤矿开采诱发的煤与瓦斯突出过程、突出前后煤体中瓦斯压力的变化规律以及采动影响下瓦斯抽放过程中煤层透气性的演化和抽放孔周围瓦斯压力的变化规律,这对于进一步深入理解煤与瓦斯突出机理、瓦斯抽放作用机制等并采取相应的预防和控制措施等具有重要的理论和实践意义·