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。

不同初始瓦斯压力下煤体动力学特性及其劣化特征

为探究不同初始瓦斯压力下煤体动力学特性及其劣化规律,利用自主研发的含瓦斯煤岩动静组合加载试验系统对含瓦斯煤开展冲击压缩试验,结合CT扫描系统分析了含瓦斯煤内部裂隙的扩展演化规律,并基于不同初始瓦斯压力下冲击煤样内部裂隙率增量定量表征了其细观损伤程度,探讨了冲击荷载作用下含瓦斯煤宏观力学参量劣化规律。研究结果表明:(1)冲击荷载作用下含瓦斯煤动态应力-应变曲线无明显压密阶段,分为线弹性阶段、塑性硬化阶段和破坏阶段,并发现随初始瓦斯压力升高,冲击煤样峰值强度、峰值应变和弹性模量均出现弱化现象;(2)瓦斯加剧了煤体内部裂隙的扩展和贯通,并根据CT扫描结果发现,含瓦斯煤冲击破坏模式主要以劈裂和层裂破坏为主,随初始瓦斯压力升高,两种破坏模式越显著,煤体内部裂隙数量及其损伤程度逐渐增大,空间裂隙网络更为复杂;(3)基于细观层面定义了损伤变量,得其值随初始瓦斯压力升高呈现二次函数上升,对比冲击载荷作用下煤体动态强度与以裂隙率增量定义损伤程度所得理论强度,验证了细观层面煤体裂隙率增量定义损伤变量的合理性,建立了含瓦斯煤细观劣化与宏观参量损失的内在联系。研究成果丰富了含瓦斯煤动力学基础理论,为矿井煤岩瓦斯复合动力灾害的防治提供了理论参考。

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。

震动载荷下含瓦斯煤动力学特征

为了研究震动载荷下含瓦斯煤动力学特性,建立了含瓦斯煤霍普金森压杆试验系统,考虑轴向静载、围压、瓦斯压力和动载荷冲击速度4个因素,开展了含瓦斯煤动力学试验,通过采集入射波、反射波和透射波信号,分析了震动载荷下含瓦斯煤动态应力应变曲线变化规律,研究了含瓦斯煤峰值强度和峰值应变与有效轴向静载、有效围压和动载荷冲击速度的关系。研究结果表明:震动载荷下含瓦斯煤动态应力应变曲线无压密阶段,初始加载应力就随应变呈“线弹性”增加趋势;随着应变进一步增加,应力变化先趋于平缓又快速增加,该曲线表现出“跃进”特性,这与炭在晶体微破裂中的作用有关;峰后试样未产生宏观破坏,弹性能释放造成应力应变出现“回弹”现象。含瓦斯煤峰值强度随有效轴向静载呈指数增加、随有效围压呈线性增加、随动载荷冲击速度呈先增加后减小;含瓦斯煤峰值应变随有效轴向静载呈线性增加、随有效围压呈指数衰减、随动载荷冲击速度增大而增加。震动载荷下含瓦斯煤应变率效应明显,在应变率低水平阶段,含瓦斯煤峰值强度和峰值应变随应变率增加而增加,超过临界应变率,含瓦斯煤峰值强度和峰值应变将保持稳定。该研究有助于完善含瓦斯煤动力学,为矿井动载荷诱导的含瓦斯煤动力灾害防治提供借鉴。

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。

不同围压与饱和度下含瓦斯水合物煤体能量变化规律

突出煤层瓦斯水合固化是一项新型降低瓦斯压力增强煤体强度的防突技术,不同围压、饱和度下含瓦斯水合物煤体破坏特性及能量耗散规律尚不明确,无法为现场深部煤与瓦斯突出等动力灾害预防提供理论依据。基于三轴压缩试验获取的偏应力-应变曲线,计算并分析不同围压(12、16、20MPa)、饱和度(20%、50%、80%)下含瓦斯水合物煤体三轴压缩过程中能量变化规律。研究表明:(1)含瓦斯水合物煤体三轴压缩过程中总能量、弹性能及耗散能均随着轴向应变增加而增大,外界做功在弹性阶段和屈服阶段前期主要转化为弹性能,在屈服阶段后期和强化阶段主要转化为耗散能。(2)当围压从12 MPa增加到20 MPa、饱和度从20%增加到80%,其临界破坏点总能量不断增大,增幅分别为120.30%和81.60%,储能极限与临界破坏点耗散能也随围压增加而增大,增幅分别为174.89%和110.73%,含瓦斯水合物煤体在高围压和高饱和度下吸收能量的能力、抵抗变形破坏的能力及损伤所消耗的能量的量均高于低围压,越不容易破坏。(3)能耗比随着轴向应变增加匀速增大,饱和度50%和80%时,临界轴向应变随围压的增加而增大,但随着饱和度增大临界轴向应变对围压的敏感性降低。(4)围压16、20MPa下,储能极限随着储能系数的增加而增大,储能系数与储能极限同等具有表征含瓦斯水合物煤体储存弹性能的能力。(5)煤体中水合物生成能够有效降低瓦斯压力,提高煤体峰值强度、临界破坏点总能量、储能极限及临界破坏点耗散能,整体提升幅度21.11%~42.11%,有利于提升煤体抵抗外力破坏的能力。研究成果揭示了含瓦斯水合物煤体受载损伤能量变化规律,可为深部煤与瓦斯突出等动力灾害的防治提供一定的理论指导。

含瓦斯煤体受载破坏的电位信号灰色突变特征研究

基于含瓦斯煤受载破坏表面电位试验系统,测试研究了不同瓦斯压力下煤样受载破坏产生的电位信号变化规律及其灰色突变特征。结果表明:含瓦斯煤的破坏是载荷与瓦斯气体共同作用的结果,高压瓦斯的蚀损作用促进了煤体的破坏,引起较高的电位信号。由于当煤样受载破坏时,高压瓦斯会楔入新生裂纹,加速煤体破坏,从而产生较高的电位强度,且煤体产生的电位强度与充入的瓦斯压力成正比。笔者建立了含瓦斯煤破坏电位信号和载荷灰色-突变模型,分析了含瓦斯煤破坏的电位、载荷突变规律,发现在含瓦斯煤破坏过程中电位和载荷的灰色突变判别式可反映煤样的损伤积累、破坏临界、失稳破坏3种状态。电位信号的灰色突变特征对含瓦斯煤破坏具有明显前兆特征。

含瓦斯煤动态破坏模拟实验设备的研制与应用

为更深入地研究煤与瓦斯突出等动力灾害的机理,分析在瓦斯压力、应力及煤体强度3因素不同组合情况下含瓦斯煤的动态破坏规律,研制了含瓦斯煤动态破坏模拟实验设备。设备主要由高压密封缸体、充气机构、快速卸压机构、数据采集系统、加载控制系统等组成。由于采用了高强度缸体和先进的密封装置,能够给煤体施加较高的应力(40 MPa)和气体压力(4 MPa),可以模拟深部高瓦斯煤层的动态破坏。运用该设备进行了不同强度含瓦斯煤体的动态破坏模拟实验,得到了不同强度煤体在应力-瓦斯压力作用下的破坏条件和规律:软煤具有典型的突出特征,突出强度大,抛出距离远,型煤破坏成粉状,具有明显的分选现象;中硬煤(f>0.5)中也能够发生类似突出的动力现象,但需要较高的瓦斯压力和地应力,突出发生后煤体破坏成碎块状,抛出距离较近,分选现象不明显。所得结果与现场真实动力现象基本一致,模拟实验结果可重复性好,对研究煤岩瓦斯动力灾害的发生机理和规律具有重要的作用。

含瓦斯煤锤击破坏HJC本构模型及数值模拟

确定含瓦斯煤动态本构关系是认识煤岩动力灾害机理的基础。结合煤吸附瓦斯的"变形效应"特征和Mohr-Coulomb强度理论,理论分析并量化了吸附态和游离态瓦斯对煤体强度的弱化作用,提出的"静态损伤变量法"确定了含瓦斯煤HJC本构模型的主要参数并开展含瓦斯煤落锤冲击破环的数值模拟研究。研究表明:(1)相同的冲击速度下,含瓦斯煤样与普通煤样的破坏形式明显不同,前者破坏程度更严重。(2)相同瓦斯压力下,冲击速度越大,含瓦斯煤样整体破坏越严重,随着冲击速度的增加,破坏由拉压破坏向以压缩应力主导的破坏过渡,并呈现出中心膨胀性破坏的特征。(3)含瓦斯煤在冲击速度相同时,含的瓦斯压力越大,破坏程度亦越大。获得的含瓦斯煤的HJC主要参数能够较好模拟含瓦斯煤冲击破坏的动态过程。

含瓦斯煤的破坏和流动法则

讨论了含瓦斯煤破坏形式及相应的破坏条件,以应变分量表示应力分量建立了关联于Drucker-Prager准则和Lagrange准则的正则流动法则,考虑了剪切屈服和拉伸破坏两种状态之间的转换。剪切屈服后的流动是双向的,而拉伸破坏后流动是单向的;对于剪切屈服和拉伸破坏后的流动,应变变化路径不同,应变增量与应力增量之间的关系也不同;应力增量与应变增量的关系,不能由几个方程简捷地表示,需要用流程才能表达。

含瓦斯煤循环加载破坏表面电位实验研究

为了研究循环加载条件下瓦斯对煤体破坏表面电位的影响,搭建了含瓦斯煤受载破坏表面电位实验系统,测试并分析了不同瓦斯压力条件下,煤体循环加载破坏产生表面电位信号的特征规律,探讨了有瓦斯参与情况下煤体受载破坏的机理。实验结果表明,煤体在有瓦斯的条件下受载破坏能够产生表面电位信号,且电位信号与应力和瓦斯的变化趋势具有一定的关联性;对于同一类型煤样,随着充入瓦斯压力的增加,电位信号最大时的应力水平逐渐减小;在循环加载过程中,当应力超过前一次加载应力最大值时,电位信号明显增大。

含瓦斯煤循环冲击动力学特性与裂隙扩展特征

为探究不同初始瓦斯压力下煤体循环冲击动力学特性及裂隙扩展规律,利用含瓦斯煤岩动静组合加载试验系统,对煤体开展不同初始瓦斯压力下循环冲击试验,获取含瓦斯煤在循环冲击载荷下的动态应力–应变曲线,分析循环冲击作用下煤体动力学参数与初始瓦斯压力的关系,并结合CT扫描技术对含瓦斯煤循环冲击前后裂隙扩展过程实现三维可视化与精细化定量表征。研究结果表明:(1)循环冲击载荷下含瓦斯煤动态应力–应变曲线基本相似,分为线弹性阶段、塑性阶段和卸载阶段3个阶段,冲击荷载下的煤体动力学参数随初始瓦斯压力增加均呈下降趋势,且初始瓦斯压力越大,瓦斯弱化侵蚀作用越强;(2)基于CT扫描提取的煤样破坏切片与重构的三维裂隙结果表明,冲击煤体中存在贯穿截面的环形平行裂纹和轴向劈裂贯通裂纹;通过含瓦斯煤二维、三维裂隙特征参数可以有效定量表征裂隙扩展过程,其表征参数均与初始瓦斯压力成正比;高瓦斯压力环境下煤体内部裂隙网络更加复杂,连通度更高,更易发生失稳破坏;(3)基于理论分析从瓦斯侵蚀作用和煤体内应力波传播角度揭示了煤体强度损伤劣化的原因,并结合瓦斯和动荷载对煤体产生的损伤效应,探讨了瓦斯作用下循环冲击煤体发生层裂破坏的原因。研究成果有助于丰富含瓦斯煤动力学理论,对矿井煤与瓦斯突出灾害的防治和预警具有一定的理论参考意义。

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。

卸荷条件下含瓦斯煤声发射临界慢化特征

为得到煤样在卸荷条件下失稳破坏的有效前兆信息,设计不同瓦斯压力下的固定轴压卸围压试验,得到煤样破裂过程的声发射(AE)结果,并计算得到不同瓦斯压力条件下AE时间序列的临界慢化特征,预警煤岩瓦斯动力灾害的发生。研究结果表明:卸荷条件下含瓦斯煤AE时间序列具有临界慢化特征,方差与自相关系数在煤样破坏前的突然增大可以作为表征试样破裂失稳的前兆信息;窗口长度与滞后步长会对临界慢化特征产生影响,相比之下,方差受窗口长度和滞后步长影响均较小,且前兆信息出现前曲线变化波动平稳。

分段变速加载对含瓦斯突出煤力学特性影响试验研究

为探究采动应力变化对含瓦斯突出煤力学特性的影响,利用RLW-500G煤岩三轴蠕变-渗流试验系统,对新景矿含瓦斯突出煤进行了不同围压和瓦斯压力下的常规三轴和分段变速加载力学试验。结果表明:煤样在2种应力路径下的全应力应变曲线均可分为压密、线弹性、塑性变形、应力跌落和残余应力5个阶段;随着围压的升高或者瓦斯压力的降低,煤体在2种应力路径下的强度和弹性模量均增大;相较于常规三轴,煤体在分段变速加载路径下的强度普遍增大,峰值轴向应变、峰值环向应变绝对值和峰值体积应变绝对值也普遍增大,失稳破坏瞬间应力跌落和能量释放更加剧烈。Mohr-Coulomb强度准则仍然适用于分段变速加载条件下的含瓦斯突出煤,该研究对于认识煤与瓦斯突出的发生机制具有一定的指导意义。

含瓦斯煤渐进破坏极限失稳研究

为了研究含瓦斯煤渐进破坏极限失稳问题,基于含瓦斯煤强度折减法,并借助有限元数值模拟软件,对强度折减极限安全系数以及含瓦斯煤渐进破坏极限失稳过程进行分析。研究结果表明:含瓦斯煤强度折减参数修正可以表征瓦斯对于煤体的弱化作用,适用于数值模拟软件中分析煤体渐进破坏极限失稳过程;强度折减极限安全系数受围岩、瓦斯压力、外部载荷、煤泊松比等因素影响,极限安全系数值越小,代表煤体更容易达到失稳破坏状态;在强度折减过程中,含瓦斯煤状态演化分为初始损伤、渐进破坏、极限失稳3个阶段。

余吾矿构造煤吸附动力学特性

针对构造煤瓦斯吸附动力学特性,以山西潞安余吾煤矿为工程背景,选取了4种不同破坏类型的构造煤样,进行了压汞测试和瓦斯等温吸附实验,获得了煤体孔隙分布特征和瓦斯吸附动力学曲线,并分析了吸附压力、吸附量及吸附速率随时间的变化规律。研究结果表明:吸附压力随吸附时长的增加而不断降低,在吸附开始的前20 min内压力急剧降低,降幅高达60%以上;随吸附时长的增加,各煤样瓦斯吸附量经历了先急剧增大再缓慢增加最后达到平衡的非线性变化过程;吸附速率曲线表明,随煤体破坏程度的增加,瓦斯吸附速率逐渐增大,吸附性增强。不同破坏类型构造煤孔隙分布差异显著,进而影响瓦斯吸附动力学特性,在煤矿瓦斯治理和煤层气开发中应予以考虑。

毕-都K141含煤地层高路堑边坡破坏特征及治理研究

为了治理毕节-都格高速公路K141左侧含煤地层高路堑失稳边坡,以工程地质条件为背景,根据野外勘察分析及位移监测孔曲线,概括边坡失稳破坏三大特征;结合边坡剩余下滑力稳定性验算分析,对边坡进行坡面排水及支挡设计。经过监测,该路堑边坡未见进一步滑动的趋势。

不同孔隙率对含瓦斯煤体的破坏机制及数值分析

为研究不同孔隙率对含瓦斯煤的破坏影响,采用软件RFPA瓦斯版对不同孔隙率下含瓦斯煤体的变形破坏进行数值模拟计算,模拟并展示出各个模型之间的破坏机制、应力变化以及变形特征。模拟计算结果表明:含瓦斯煤体随着孔隙率的增大,变形更明显,含瓦斯煤体中破坏裂纹更多,且达到损伤时需要的时间越快。含瓦斯煤体的破坏极限应力变小,煤体强度变小,损伤更严重,也更容易破裂。同时含瓦斯煤体中的孔隙的增大,其体积应变也发生变化。研究成果为含瓦斯煤体的破坏变形特征研究提出了新的思路,也为矿井灾害防治提供了指导和借鉴意义。

含瓦斯煤破裂过程中声发射行为特性的研究

为探求含瓦斯煤失稳破坏过程中的声发射行为演化规律,笔者以含瓦斯原煤为研究对象,利用配备有声发射同步监测功能的含瓦斯煤三轴力学伺服实验装置,完成了不同瓦斯压力条件下含瓦斯煤破裂过程中全应力应变和声发射行为同步监测实验,进而探求含瓦斯煤破裂过程中的声发射行为演化特性,以及声发射行为对瓦斯压力变化的响应特性。研究发现:含瓦斯煤弹性模量、峰值强度及峰值应变均随吸附瓦斯压力增加而线性降低,且在瓦斯压力的影响下应力应变曲线总体上向"低应力诱发大应变"方向迁移;受载煤体在破裂过程中随时间变化,声发射行为演化过程可以划分为4个时期,分别为Ⅰ平静期、Ⅱ提速期、Ⅲ加速期以及Ⅳ稳定期,其中提速期和加速期累计计数较平静期分别最高提高了6.39和37.5倍,能量参数分别最高提高了8.39和43.7倍;受载不含瓦斯煤样声发射演化过程中提速期和加速期的声发射参数累积量均明显高于同样加载条件下的含瓦斯样品,且在提速期和加速期,瓦斯压力与声发射参数累积量呈指数函数衰减关系。