煤岩变形力学特性及其对渗透性的控制

通过煤岩力学试验研究了煤岩物理力学性质和煤岩全应力-应变过程中的渗透规律。研究结果表明:煤的力学强度相对煤层顶底板岩石具有低强度、低弹性模量和高泊松比特性,易于产生塑性变形;在全应力-应变过程中具有明显应变软化现象的煤样,在微裂隙闭合和弹性变形阶段,煤岩体积被压缩,煤岩渗透率随应力的增大而略有降低或渗透率变化不大;在煤岩的弹性极限后,随着应力的增加,煤岩进入裂纹扩展阶段,煤岩体积应变由压缩转为膨胀,煤岩渗透率先是缓慢增加然后随着裂隙的扩展而急剧增大;在煤岩峰值强度后的应变软化阶段煤岩渗透率达到极大值,然后均急剧降低,峰后煤岩的渗透率普遍大于峰前。在全应力-应变过程中应变软化现象不明显或者具有应变硬化现象的煤样,煤岩全应力-应变过程中最大渗透率主要发生峰值前的塑性变形阶段,在煤岩峰值强度后的应变硬化阶段,随着煤岩应力的增大,煤岩渗透率减小,峰后煤岩的渗透率普遍小于峰前。

基于FLAC^(3D)模拟的矿山巷道掘进煤岩变形破裂力电耦合规律的研究

首先通过FLAC3D软件对矿山巷道掘进过程中煤岩内部应力场分布规律进行了数值模拟,并提取了各个单元的应力值;然后根据数值模拟应力值和煤岩受压变形破裂过程中产生的电磁辐射(EME)强度与煤岩内部应力之间的力电耦合关系式研究了巷道掘进过程中产生的电磁辐射信号变化规律。研究结果表明:模拟应力值的变化规律与理论分析和现场实际围岩应力显现规律是一致的,从而说明该方法能正确模拟现场煤岩受采动影响时内部应力场的变化规律;将较大范围煤岩体单元当作电磁辐射源时的计算结果只比将应力集中区看作电磁辐射源的计算值大3%～8%,说明在现场监测到的EME强度反映的是应力集中区煤岩变形破裂的程度;EME强度在迎头沿着走向符合先逐渐增大达到峰值后再逐渐降低的规律,呈现出与煤岩内部应力变化相同的规律;随着迭代时间的增加,EME强度在同一监测点的变化关系先是逐渐增加,增加到一定程度后趋于平缓,反映了煤岩体内部应力的变化规律;巷道开挖后内部应力变化的快慢表现在EME强度的变化上。现场钻孔内不同深度EME强度测定结果基本上也呈现出与模拟结果相同的变化趋势,同时证明了力电耦合方法的合理性。

单轴压缩煤岩变形破裂电磁辐射与应力耦合规律的研究

利用实验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法,研究了单轴压缩条件下煤岩变形破裂过程中产生的电磁辐射(EME)强度与煤岩内部应力之间的耦合规律。在煤岩材料损伤特性和强度统计理论的基础上,研究了受载煤岩变形破裂的三维力-电耦合本构关系,从理论上分析了煤岩变形破裂过程中电磁辐射强度和脉冲数与加载应力之间的关系,认为它们之间的关系可以用多项式来表征。煤岩变形破裂过程中的力-电耦合计算结果表明:EME先是逐渐增加,达到一个峰值后快速降低,这与实验测定结果的趋势是一致的;加载速度越大,EME 信号也越强;随着煤岩样品强度的增加,EME 也是逐渐增大的,其中强度最高的砂岩产生的 EME 强度也最大,以下依次是泥岩、硬煤和中硬煤。这些都说明采用的模型和计算方法是合理的,可以有效地模拟煤岩单轴压缩过程电磁辐射信号的变化规律。

基于FLAC^(2D)模拟的矿山巷道掘进煤岩变形破裂力电耦合规律研究

通过FLAC2D模拟了矿山巷道掘进过程中煤岩内部应力场的分布规律;根据提取的模拟计算应力值和煤岩受压变形破裂过程中产生的电磁辐射强度与煤岩内部应力之间的力电耦合关系式,对巷道掘进过程中产生的电磁辐射信号变化规律进行了研究。研究结果表明:电磁辐射模拟计算值在巷道中间高度的电磁辐射信号是最强的;在不同的加载应力下,监测点接收的电磁辐射模拟计算值也有较大的差别,加载应力越大,产生的电磁辐射信号越强;监测点接收的电磁辐射模拟计算值随着频率的增加而呈幂率关系下降;将应力集中区域看作电磁辐射源区是可行的。研究成果为煤岩灾害动力现象电磁辐射监测技术的研究提供了一种新的研究思路和方法。

煤岩变形及破裂电磁辐射信号的R/S统计规律

对煤岩变形及破裂电磁辐射（ＥＭＥ）信号进行了赫斯特（Ｒ／Ｓ）统计分析．研究结果表明，电磁辐射信号符合赫斯特统计规律，说明在受载煤岩的变形及破裂过程中，电磁辐射信号基本呈现逐渐增强的趋势，这对于预测预报煤岩灾害动力现象具有重要意义．

煤层气产出过程中气-水两相流与煤岩变形耦合数学模型研究

气 -水二相流和煤岩变形耦合作用是煤层气产出过程中一种复杂的物理现象 ,为准确描述这一现象 ,本文建立了气 -水二相流和煤岩变形的微分方程 ,并用有限元分别将它们进行离散化 ,然后讨论了煤岩变形模型和气

鄂尔多斯盆地煤岩变形与煤储层特性关系的实验研究

本文开展了在25～150℃和25～100MPa同时升温和升压条件下,鄂尔多斯盆地中煤阶煤岩变形实验研究。结果表明,25℃/25MPa条件下煤岩强度显著低于其他温度和压力条件下煤岩的强度。在实验变形条件下,煤岩主体的变形表现以破裂与微破裂作用为主。不同温度和压力条件下的煤岩变形特点表现出一定的差异。随着温度和压力的降低,煤岩样品破裂的延伸逐渐减小,破裂发育的透入性逐渐升高。变形煤岩样品中破裂的发育往往定向性较强,发育相对较为均匀。随着应变的增加,破裂多扩展为较大的规模。伴随天然煤降温、降压过程,导致煤岩从韧性向脆性的转变,在转变的早期和中期,大量煤层气将解吸储集于尚未贯通的密集微裂隙内,随着温压的缓慢降低,煤岩储集性和渗透性在变好,较为适宜煤层气的运移与保存。而在转变的后期,煤岩形成贯穿性破裂系,造成煤层气的散失,可能成为演化程度和孔隙度低的煤岩吸附煤层气能力弱的主要原因。

FLAC在煤岩变形破裂力电耦合规律研究中的应用

运用FLAC软件对加载煤岩进行了三维FLAC分析与应力场数值模拟计算,结合基于脆性材料损伤特性和强度统计理论以及实验室测定结果得到的煤岩变形破裂过程电磁辐射与应力之间的耦合关系式,对单轴压缩与矿山巷道掘进煤岩变形破裂过程中应力与产生的电磁辐射信号进行了耦合研究,耦合计算结果与实验测定结果吻合,表明选取的应力场数值模拟软件FLAC可以很好地模拟煤岩受载时内部应力变化规律.

贵州水城地区山区煤矿煤岩变形破裂动态预测模型研究

从贵州省水城地区某山区煤矿某工作面采集时间长度为110s的煤岩变形破裂电磁辐射强度时间序列,选取1s-90s实测数据,运用双向差分原理反演动力模型,应用动力系统自忆性原理建立回溯阶为3的自忆性预测模型,并预测91s-110s的电磁辐射强度值,经过误差分析得出预测值与实测值的相对误差最小值为0.1040%,相对误差最大值为1.2488%,平均相对误差为0.4306%,分析结果显示了自忆性预测模型有较好的预测效果,能够为煤与瓦斯突出、冲击矿压等煤岩动力灾害的预防提供技术参考。

单轴压缩煤岩变形破裂电磁辐射围压效应研究

首先利用损伤力学和统计强度理论研究了煤岩变形破裂过程中三维力学本构关系,得到了一个考虑围压影响的三维本构方程;然后分析了煤岩样品在不同围压条件下变形破裂过程应力随应变而变化的规律,以及由此产生的相应的电磁辐射脉冲数随着应变的变化关系.研究结果表明:围压是通过对煤岩应力场的影响来影响因应力变化而产生的电磁辐射信号的;围压的存在提高了煤岩微元体的破裂强度;对于有围压作用时煤岩体变形破裂过程中产生的电磁辐射脉冲数,其在应变相同时较无围压时要少,并且围压越高影响越大.

气体压力降低对煤岩变形和渗流的影响机制

为探究瓦斯抽采过程中压力降低引起的煤岩变形和气体渗流行为,基于气体压力降低的渗流试验及三轴压缩试验,得出煤岩变形和渗流变化特性;考虑吸附损伤修正基质收缩变形,构建煤岩渗透率模型,并用试验结果验证模型的合理性。研究结果表明:随气体压力降低,煤岩渗透率呈现出“V”型变化趋势,轴向变形和径向变形线性升高,且通入CO_(2)的煤岩比通入CH_(4)的煤岩变形更大,径向变化量是轴向变形量1.89倍;通入CO_(2)煤岩的弹性模量、峰值主应力差比通入CH_(4)的有不同程度降低;为保证安全生产,使用CO_(2)驱替或CO_(2)致裂增透技术时,应重视CO_(2)注入煤层后所引起的煤岩强度降低问题。

煤岩变形力学特性及其对渗透性的控制

在煤炭开采的过程中,煤岩将出现变形破坏。而分析煤岩变形力学特性及渗透规律,则有助于进行煤层渗透性控制。基于这种认识,本文对煤岩变形的力学特性进行了分析,并且通过开展全应力-应变-渗透试验对其渗透规律展开了探讨。而研究发现,完整煤岩和含有裂隙的煤岩在变形时将产生不同的渗透规律。

煤岩变形破裂过程流固耦合效应分析方法与应用

矿山工程领域煤岩体开挖诱发的瓦斯突出、矿井突水等动力灾害都与煤岩变形破裂过程中的流固耦合效应密切相关.目前,开采扰动诱发的矿山岩体工程灾害的问题日益凸显.因此,对变形破裂过程流固耦合进行深入研究可以为防止煤与瓦斯突出及矿井突水等矿山动力灾害防治提供可靠依据.1项日简介本项目以矿山岩体工程频发动力灾害及其防控为研究背景.

近距离下煤层首采面开采对软弱煤岩破坏变形特征的影响

为研究近距离下煤层首采工作面开采对软弱煤岩破坏变形特征的影响,以熊家湾煤矿20903首采工作面为研究背景,基于数值模拟、理论分析和现场观测等手段分析近距离首采工作面开采对软弱煤岩(C8煤层)的裂隙发育、应力变化以及膨胀变形等特征的影响。研究表明:随首采工作面推进,煤体裂隙网格持续发育,表现为裂隙产生到裂隙稳定发育、裂隙稳定发育到弯曲下沉和弯曲下沉到裂隙压实阶段;C8煤层膨胀变形呈“压缩→膨胀→稳定”的变化规律,其煤层最大膨胀变形值为12.1 mm和11 mm,位于卸压膨胀稳定区内;根据现场观测可知,C8煤层软弱煤岩整体稳定,部分煤岩体存在破碎裂隙区,局部顶板岩石虽已发生松动,但对岩层稳定无太大影响。

保护层开采远距离煤岩破裂变形数值模拟

基于岩石破裂损伤理论和有限元计算方法,利用RFPA应用软件系统模拟保护层开采远距离动态发展过程;得出了覆岩破裂移动规律,及随保护层工作面推进,被保护层煤体应力和变形分布特征;进而分析了它对合理布置卸压抽放钻孔和消除被保护层突出危险性的作用.

远距离保护层开采煤岩移动变形特性的试验研究

基于相似材料模型试验, 首次应用非接触式数字近景摄影技术研究远距离保护层开采过程中覆岩微变形移动特性, 得出在远距离保护层开采时, 被保护层位于弯曲下沉带内, 它在一定范围内发生膨胀变形, 引起煤层透气性增大。与传统研究方法相比, 大大提高了测量精度, 研究结论与现场实测结果相吻合。

煤岩冲击变形破坏特性及其本构模型

采用分离式霍普金森压杆(SHPB)实验系统对不同冲击速度下煤岩试样应变率变化规律、动态力学特性及其变形破坏特征进行了测试,探讨了煤岩动态力学本构模型。实验结果表明,煤岩试样的加载应变率与冲击速度整体上呈正相关关系,且不同冲击速度下煤岩试样的力学响应特征均具有分段性,可根据响应特征的差异将煤(岩)试样在低-中-高冲击速度下的变形依次划分为压密变形、塑性变形、塑性软化(硬化)变形3种类型;煤岩试样的破坏特征均具有明显的应变率相关性,在低冲击速度下,试样均呈脆性破坏形式,随着冲击速度的增加,试样的延性破坏特征逐渐显现。在分析煤岩试样应力-应变本构关系及动态破坏特征的基础上建立了包含低-中-高应变率响应的粘弹性损伤本构模型,应用结果表明,与实测曲线相比模型拟合曲线拟合精度高,验证了所建模型的有效性与合理性。

煤岩截割破坏的变形局部化理论

应变强烈集中在剪切带内部的现象称之为应变局部化现象。应变局部化的位置就是破坏的位置,通过研究发现煤岩截割过程是典型的变形局部化过程。采用数值方法研究了煤岩局部化变形过程,采用白光数字散斑相关方法研究了煤岩截割过程,并采用MATLAB进行数据处理,得到每一加载步的最大剪应变图,发现了变形过程的局部化现象,进而提出了煤岩截割的变形局部化理论。

岩体结构对含煤岩系变形的控制作用

含煤岩系变形规律的研究,对煤炭资源评价和开采、煤矿瓦斯灾害预测、煤层气的可开发性评价具有指导意义。基于含煤岩系的岩体结构是控制其变形的基础因素这一前提,以岩体力学和分形几何学基本理论为指导,提出取决于岩石杨氏模量和泊松比的岩体强度因子和取决于岩层厚度的分形维数两个参数,以断层发育的安阳双全井田、褶皱发育的沁水盆地煤层气开发区及滑动构造发育的荥巩谷山井田为例,系统探讨了岩体结构对含煤岩系变形的控制作用。研究表明,低强度因子和厚层岩层较多的分形维数低值区,含煤岩系以韧性变形为主,多形成褶皱,煤体变形程度深,为瓦斯灾害严重区和煤层气难以开发区;高强度因子和厚层岩层较少的分形维数高值区,含煤岩系以脆性变形为主,多发育断层,构造煤难以区域展布,只分布在断层附近。可见含煤岩系变形不仅与岩体强度有关,而且受岩层厚度的控制。统计层段内刚性岩层的存在增加了岩体强度,岩层复杂程度的增加同样提高了岩体强度。岩体力学和分形几何学的引入,为煤岩体变形行为和程度的描述和预测提供了一种新途径。

煤岩动力灾害电磁辐射预测技术中力电耦合方法的研究及应用

对煤岩动力灾害电磁辐射预测技术的研究现状和发展趋势进行了论述与分析,基于煤岩变形破裂电磁辐射信号与受载时应力变化之间的关系,从FLAC应力场数值模拟与电磁辐射传播的角度对煤岩变形破裂电磁辐射力电耦合研究方法进行了研究。研究结果表明:基于FLAC模拟的力电耦合方法能合理地确定应力集中区域以及正确模拟电磁辐射在煤岩层内的分布规律,该方法为现场应用电磁辐射方法和技术准确预测预报煤岩灾害动力现象提供可靠的理论基础,对于完善煤岩变形破裂电磁辐射监测和检测理论以及促进相关学科的发展具有理论和现实意义。最后还对未来煤岩动力灾害电磁辐射预测技术研究的发展前景进行展望。