不同加载条件下含瓦斯煤岩强度极限邻域范围研究

煤与瓦斯突出灾害的发生机理尚不清楚,据流变假说,含瓦斯煤岩在长期载荷下可能进入“强度极限邻域”,此时受外部冲击扰动更易破坏。为研究不同加载条件下含瓦斯煤岩的“强度极限邻域”,以找到进入该状态的影响规律,并建立相应的微观判别标准,利用自主研发的岩石流变扰动效应三轴试验系统和煤岩流变扰动效应渗流实验装置,开展不同围压、不同瓦斯压力、轴压下的含瓦斯煤岩流变扰动实验,通过核磁共振手段对流变扰动前后煤岩进行分析对比,得到不同加载条件下的孔隙率、孔径分布、T_(2)谱曲线。试验结果表明:①不同加载条件下的煤岩流变过程中,存在一个应力阈值,可以使得煤岩在受到外部冲击扰动后阈值左右邻域有不同力学性质的表现;当施加力小于此阈值时,冲击扰动后,煤岩的孔隙度减小,煤样随之被压缩紧密,T_(2)谱曲线中代表大孔径的谱峰降低,谱峰曲线左移;当施加力大于此阈值时,冲击扰动后,煤岩大孔径孔隙增多,T_(2)谱曲线出现右移,所有谱峰高度增大,说明该应力阈值是用来判断煤岩是否进入“强度极限邻域”关键。②围压和瓦斯压力对煤岩的影响具有相反的力学作用性质,在抗压能力、损伤程度、长期强度、“强度极限邻域”中有所表现,其中,围压越大,煤岩越晚进入“强度极限邻域”,瓦斯压力越大,煤岩则越早进入该邻域。③煤岩的孔径分布、T_(2)谱曲线能直观反映了煤岩“强度极限邻域”内、外微观变化特征。④通过煤岩孔隙率所确定的进入“强度极限邻域”时的轴压与围压、瓦斯压力构建函数方程可判断不同加载条件煤岩进入“强度极限邻域”的时机,作为进入“强度极限邻域”范围时的判别标准,其中围压越大,此时进入“强度极限邻域”范围时的应力阈值越大;瓦斯压力越大,进入“强度极限邻域”时的应力阈值越小。

单面卸荷路径下含瓦斯煤岩力学特性与声发射试验研究

新掘未支护或回采工作面前方巷道受开采扰动具有沿垂向急剧升高而径向迅速降低的典型受载特点,而更易失稳、诱发冲击地压事故,深入研究采动卸荷下含瓦斯煤岩力学特性及伴随出现的声发射信号规律,是揭示深部高瓦斯煤层冲击地压发生机理并形成科学、有效的预警体系的基础。运用物理实验方法,基于自主研发的含瓦斯煤岩真三轴测试系统,开展垂向加荷–径向单面卸荷路径下含瓦斯煤岩受载实验,并监测全历程出现的声发射信号,分析卸荷速率、瓦斯压力对煤岩力学特性及声发射信号影响规律,引入统计分形理论开展煤岩碎块分布筛分统计,结果表明:单面卸荷路径下含瓦斯煤岩应力–应变关系具有弹性、非线性增长和软化的典型3阶段特征,高卸荷速率和瓦斯压力,降低了煤岩强度、峰值应变量,但使峰后阶段应力降模量增大,而随着初始围压升高使得该特征呈反向变化。试样破坏后表现为由卸荷面指向内部的典型多剪切带与层状块体交替出现的“洋葱皮”式破坏形式,且卸荷速率越高,形成的贯穿裂隙越多、剪切带内糜棱状粉末减少而碎块尺度增大,相应的统计分形维数越低,而较高的初始围压和瓦斯压力使煤岩塑性特征增加而分形维数升高。三向应力状态与瓦斯的存在使煤岩受载具有塑性特点而伴随出现的声发射信号更加密集、连续,单面卸荷形成的渐进性破坏过程导致声发射具有明显的信号激增现象和最高值脉冲信号出现,次高值信号产生于应力峰值,随卸荷速率、瓦斯压力升高,两高值信号幅值增加且最值信号出现提前,声发射能量累计量“阶梯”增长现象愈发明显但累计总量逐渐降低。高瓦斯压力、初始围压及卸荷速率使煤岩破坏后具有更多盈余能,在实际工程中,高瓦斯压力、地应力使新掘巷道或支护失效围岩径向应力迅速降低并发生渐进性破坏而形成断续结构,易受高静载或冲击扰动致整体结构失效,且该部分“富能”围岩会在盈余能推动下发生块体弹射、倾出而形成动力灾害。

含瓦斯煤岩破裂过程流固耦合数值模拟

根据煤岩体介质变形与瓦斯渗流的基本理论,考虑到煤岩介质材料力学性质的非均匀性特点以及煤岩介质变形破裂过程中透气性的非线性变化特性以及煤岩体变形破裂过程中瓦斯渗流与煤岩体变形间的耦合作用,在岩石破裂过程分析系统(RFPA2D)的基础上,建立了含瓦斯煤岩破裂过程流固耦合作用的RFPA2D–Flow耦合模型,并给出了RFPA2D–Flow耦合模型的数值求解方法。并应用该模型对石门掘进诱发煤与瓦斯的延期突出进行了数值模拟,模拟结果再现了含瓦斯煤岩在瓦斯压力、地应力及煤岩力学性质共同作用下渐进损伤破裂诱致突出的全过程,模拟结果进一步表明延期突出与瞬时突出都是地应力、瓦斯压力和煤体物理力学性质3个因素综合作用的结果,都具备突出的4个阶段,即应力集中阶段、应力诱发煤岩破裂阶段、瓦斯动力驱动裂纹扩展阶段和突出阶段,为进一步深入理解煤与瓦斯突出机理及瓦斯抽放防治突出等提供理论基础和科学依据。

含瓦斯煤岩细观剪切试验装置的研制及应用

介绍自主研发的含瓦斯煤岩细观剪切试验装置,该装置主要由主体结构、加载系统、瓦斯充气系统、裂纹观测系统和声发射系统5个部分组成。该装置具有如下特点:(1)可进行流固耦合作用下煤岩剪切力学特性试验,为从细观角度研究煤与瓦斯突出机制提供可靠的试验手段;(2)具有良好的气密性,能保证煤样达到充分吸附瓦斯状态;(3)设计侧向加载系统,能实现限制性及非限制性剪切试验功能;(4)试验数据测试手段多样化,实现剪切力–剪切位移、裂纹细观图像及声发射信号的同步采集;(5)整体设计上具有结构简单,加工成本低,可靠性好,操作方便等特点。采用该装置进行瓦斯压力分别为0.5,1.0,2.0 MPa下型煤试样的非限制性直剪试验,获得剪切力–剪切位移曲线及剪切面裂纹的细观演化过程,并依此分析直剪过程中煤样微裂纹的形成、扩展、贯通进而诱导失稳破坏的力学过程。试验结果表明,该装置具有较好的实用性和可靠性,为进一步研究煤岩剪切细观力学特性提供新的测试手段。

含瓦斯煤岩三维蠕变特性及蠕变模型研究

研究含瓦斯煤岩的三维蠕变特性是理解煤与瓦斯突出孕育过程中瓦斯和煤岩相互作用关系的重要方面,而目前含瓦斯煤岩三维蠕变特性的研究很少,因此需要进一步深入研究含瓦斯煤岩的三维蠕变特性。基于这一认识,采用自行研制的含瓦斯煤岩蠕变实验装置,对取自重庆松藻煤矿的煤样进行含瓦斯煤岩三轴蠕变试验。研究结果表明,含瓦斯煤岩的三轴蠕变特性具有明显的蠕变规律。在含瓦斯煤岩三维蠕变特性的基础上,通过改进西原模型的参数,建立改进的西原模型,由此推导出含瓦斯煤岩三维应力状态下的蠕变方程,并通过拟合得到蠕变方程中的各个参数。利用含瓦斯煤岩的蠕变试验结果,对三维蠕变方程进行验证,发现理论结果与试验数据有着很好的一致性。研究结果表明,由改进的西原模型推导出的含瓦斯煤岩三维蠕变方程能真实反映含瓦斯煤岩的蠕变特性。

含瓦斯煤岩固气耦合动态模型与数值模拟研究

首先在多孔介质的有效应力原理中引入瓦斯吸附的膨胀应力,推导出了适用于含瓦斯煤岩的有效应力计算公式。通过分析含瓦斯煤岩的孔隙度和渗透率在不同变形阶段的变化特点,在前人的研究成果基础上,建立了含瓦斯煤岩的孔隙度和渗透率的动态模型。假设含瓦斯煤岩是一种各向同性的弹塑性材料,同时考虑瓦斯吸附的影响,得出了含瓦斯煤岩的应力场方程和渗流场方程,建立了能描述固气耦合情况下煤岩骨架可变形性和瓦斯气体可压缩性的含瓦斯煤岩的固气耦合模型。最后通过给定模型的定解条件和相关参数,利用有限元方法建立了相关的数值计算模型,并得出了含瓦斯煤岩固气耦合模型的数值解。研究成果对进一步充实和完善含瓦斯煤岩固气耦合理论有一定意义。

瓦斯煤岩变形破裂过程声发射预警信号变化规律研究

为提高矿井瓦斯突出灾害预测准确率,基于力学、声学理论,采用实验室试验方法,以标准煤试样为研究对象,对含瓦斯煤岩变形破裂过程声发射(AE)预警声信号变化规律进行研究。试验结果表明:围岩应力增大,煤岩破裂由低围岩应力的脆性破坏逐渐过渡到高围岩应力状态的塑性破坏,可根据声发射高幅信号提前预测煤岩破裂时刻。瓦斯的力学和非力学作用对煤岩体力学性质和变形特性的影响均随瓦斯压力的增加而变大。瓦斯压力越大,则煤岩破裂进程加快,积累的声发射能量迅速释放,高值振铃计数声发射信号覆盖时间区段变长,声发射信号能及时反映含瓦斯煤岩的不稳定性。

含瓦斯煤岩体采动致裂特性及其对卸压变形的影响

为了研究瓦斯压力对采动煤岩体卸压变形的影响,在FLAC平台上采用应变软化本构关系和"先加载后卸压"的方式,研究了不同瓦斯压力及围压条件下采动煤岩体的卸压致裂特性及其对卸压变形的影响。模拟结果表明:煤岩损伤破坏应力的峰值及所对应的轴向应变、应力峰后下降幅度随瓦斯压力的增加而减小,其力学特征由脆性逐渐向塑性过渡;瓦斯压力的增加使煤岩承载能力下降,并由于在有效应力空间中应力水平的提高而使拉伸破坏提前发生;随着瓦斯压力的升高,上覆煤岩采动煤岩卸压变形量、致裂破坏区不断增大,致裂特征更加明显,采动卸压范围、应力集中峰值及其距煤柱边界的距离也增大。因此,当煤层瓦斯压力较高时,瓦斯压力对采动煤岩体卸压变形的影响不能忽略。

含瓦斯煤岩真三轴多参量试验系统研制及应用

以深部日趋严重的煤岩体冲击-突出复合灾害为研究背景,紧密围绕多场条件下的煤岩流(瓦斯)-固耦合力学行为演化机制这一关键科学问题,充分考虑深部煤岩真三向应力环境与受载特点,自主研发了含瓦斯煤岩真三轴多参量试验系统,以期厘清煤岩受载、破坏过程力学行为、声发射与电荷感应信号时空演化规律,掌握冲击-突出复合灾害孕育力学机制,建立科学的灾害防控手段。该试验系统主要由加/卸荷系统、载荷-位移监测系统、气体环境施加与监测系统、电控系统、声发射监测系统、电荷感应信号监测系统6个子系统组成,具有高应力、真三向、多尺寸、高精度、稳定性强、多参量、多加/卸荷路径等特点。利用该系统初步开展了瓦斯压力、侧压比与卸荷路径影响的煤岩三轴受载试验,并对全应力-应变曲线及声发射、电荷感应信号变化规律分析。结果表明,瓦斯气体影响了煤岩强度、峰后残余强度及延性特征,随侧压比值降低煤岩各向异性特征逐渐弱化,在应力较小方向具有较大的应变量,侧压比与加/卸荷路径是影响煤岩力学行为的重要应力环境因素。该系统为后续开展含瓦斯煤岩力学行为时空演化规律研究提供了试验基础。

三轴压缩下含瓦斯煤岩弹塑性损伤耦合本构模型

通过引入与塑性屈服准则相关联的各向异性损伤因子和损伤准则来描述含瓦斯煤岩的塑性变形及损伤演化过程。在多孔介质有效应力原理中引入瓦斯吸附的膨胀应力,得出了适用于含瓦斯煤岩的有效应力计算公式。利用不可逆热力学原理,对含瓦斯煤岩的损伤演化规律及塑性变形与损伤之间的耦合效应进行了有效描述。根据实验结果,采用非关联塑性流动法则,建立了能反映含瓦斯煤岩在各种应力条件下力学行为的弹塑性损伤耦合本构模型,并给出了本构模型的参数确定方法。通过理论与实验的比较可知:所提出的弹塑性损伤耦合本构模型能真实有效地描述含瓦斯煤岩在不同应力条件下的力学特性。

含瓦斯煤岩三轴蠕变特性及本构关系

通过不同载荷水平的含瓦斯煤岩常规三轴蠕变试验,得到含瓦斯成型煤样常规三轴蠕变特性,并对实验曲线进行了数学拟合研究;在对广义西元模型进行了改进的基础上,建立含瓦斯煤岩三轴蠕变本构模型。结果显示,含瓦斯煤岩的蠕变特性与所选载荷水平密切相关且围压、瓦斯压力明显延缓煤样的蠕变变形;三阶曲线——ε(t)可以较好地表征含瓦斯煤岩常规三轴蠕变的3个阶段;建立的改进广义西元模型可以较好表征含瓦斯煤岩三轴蠕变本构关系。

基于内时理论的含瓦斯煤岩损伤本构模型研究

从内时理论出发,通过内蕴时间的重新构造,在Helmholtz自由能中引入损伤变量,利用连续介质不可逆热力学的基本原理推导出了含瓦斯煤岩的内时损伤本构方程,并给出了确定本构模型中各参数的方法。同时,对在三轴应力条件下所建立的本构方程进行了求解分析与试验验证。结果表明,该本构方程能很好地描述含瓦斯煤岩在损伤发生前后的变形特点,并能有效地反映含瓦斯煤岩的非线性和剪胀扩容等物理力学现象。

含瓦斯煤岩三维蠕变模型与稳定性分析

研究含瓦斯煤岩的蠕变特性是认识煤矿井下煤与瓦斯延迟突出机理的重要手段。为确定含瓦斯煤岩的蠕变规律,采用自行研制的含瓦斯煤岩蠕变试验装置,对含瓦斯煤样进行了系统的三轴蠕变试验。利用西原模型与能描述非牛顿流体的粘弹塑性体相结合,建立了改进的含瓦斯煤岩三维蠕变模型,并根据实验结果拟合出了模型的参数。根据含瓦斯煤岩在不同的载荷条件下的三维蠕变试验结果对蠕变模型进行了验证。结果表明,所提出的含瓦斯煤岩三维蠕变模型能很好地描述含瓦斯煤岩各蠕变阶段的变形特性,尤其是加速蠕变阶段。此外还根据微分方程解的稳定性理论,讨论了含瓦斯煤岩蠕变模型的失稳条件。

含瓦斯煤岩卸围压力学特性及能量耗散分析

利用自主研制的含瓦斯煤岩热流固耦合三轴伺服渗流装置对含瓦斯煤岩进行了三轴卸围压试验,基于实验结果,研究了含瓦斯煤岩卸围压失稳破坏过程中的力学特性及其能量耗散规律。结果表明:在初始瓦斯压力和围压相同的情况下,卸围压速率增大加快了含瓦斯煤岩失稳破坏的进程,定义的卸围压效应系数反映了三轴卸围压实验中卸围压速率对含瓦斯煤岩失稳破坏难易程度,且卸围压效应系数与卸围压速率之间存在幂函数的关系;在瓦斯压力和应力差相同的情况下,不同卸围压速率下含瓦斯煤岩的轴向应变、侧向应变和体积应变的变化规律具有较好的一致性,卸围压速率越大,含瓦斯煤岩的轴向应变、侧向应变和体积应变越小;卸围压过程中能量耗散与卸围压速率有关,且含瓦斯煤岩的能量耗散随着卸围压速率的增大而减小。

含瓦斯煤岩耦合弹塑性损伤本构模型研究

三维压缩条件下,随着载荷的逐渐增加,岩石类材料内部微裂纹的传播与错动不断加剧,最终导致非线性应力-应变关系、弹性模量的减小、变形的各向异性、体积膨胀以及不可逆塑性变形等结果。这些现象可以利用连续损伤力学及塑性理论来描述。首先为考虑瓦斯吸附对煤岩的影响,在多孔介质有效应力原理中引入瓦斯吸附的膨胀应力,得出适用于含瓦斯煤岩的有效应力计算公式。通过引入与塑性屈服准则相关联的各向异性损伤因子和损伤准则来描述含瓦斯煤岩的塑性变形及损伤演化过程。利用不可逆热力学原理,对含瓦斯煤岩的损伤演化规律及塑性变形与损伤之间的耦合效应进行有效描述。根据实验结果,采用非关联塑性流动法则,建立能反映各种应力条件下力学行为的含瓦斯煤岩耦合弹塑性损伤本构模型。通过理论与实验结果的比较发现,所提出的耦合弹塑性损伤本构模型能真实有效地描述含瓦斯煤岩在不同应力条件下的力学特性;同时,该模型还适用于其他岩石类材料的本构描述。

含瓦斯煤岩体固-气-热耦合数值分析

随着煤矿开采深度的增加,研究煤岩体中多因素相互耦合作用的特点和规律尤为重要。结合所建立的含瓦斯煤岩体的多物理场耦合数学模型,利用COMSOL软件进行数值求解,通过设定一定的物理参数和边界条件构建物理模型,进行多物理场耦合研究。结果表明:在煤壁刚暴露的瞬间,工作面空间瓦斯浓度急剧增大,但随着时间的推移又慢慢变小。瓦斯压力随着载荷的增大而增大,其原因是孔隙率和渗透率随载荷的增大而降低所导致。在瓦斯压力大、透气性低的煤岩体中,瓦斯压力梯度最容易在掘进面附近区域升高,从而造成煤与瓦斯突出的发生。

考虑初始孔隙性的含瓦斯煤岩力学本构关系与损伤演化研究

冲击地压及瓦斯次生灾害更易在深部复杂的地质构造区域发生,其实质是煤岩介质在变化多样的地应力、采动应力与瓦斯共同作用下的力学平衡系统失稳过程,准确描述含瓦斯煤岩受载过程的力学关系是明确煤岩动力灾害孕育与发生机制的根本。考虑原生裂隙对煤岩力学性质的劣化特性,将其定义为初始损伤,理论推导了以孔隙率表征的初始损伤公式,综合考虑初始孔隙率、吸附瓦斯煤岩基质膨胀、瓦斯运移的软化特性及真三向应力状态,构建了基于非均匀性统计理论的含瓦斯煤岩损伤演化方程及力学本构模型,并定性分析了各参量对煤岩力学性质的影响规律。结果表明:当煤岩初始孔隙率越高时,任意截面的裂纹长度、宽度和条数均增加,有效面积减小,局部更易产生应力集中,损伤曲线在峰值损伤量更高及峰后段增长率略降低,反之,当均质度越高时,其峰值点处的损伤值越低,损伤演化越滞后并集中于峰后阶段发展,相应的损伤演化曲线斜率越大;随瓦斯压力升高,煤岩吸附产生的膨胀应力明显增加,吸附参量a、b值同样对膨胀应力具有促进作用;弹性模量和均质度对煤岩强度及峰后应力降模量均呈现为正相关影响,使煤岩冲击危险性增强;初始损伤和较高的瓦斯压力均促进了煤岩中裂隙的发育,降低了煤岩性质的均一性,使强度和峰后应力降模量减小而塑性特征越发显著并促进煤岩软化,这也是高瓦斯煤层冲击地压低于常规指标发生的原因。

不同温度下含瓦斯煤岩体的多场耦合数值模拟

考虑地温变化对煤矿深部开采岩石变形破坏的影响,利用COMSOL软件建立含瓦斯煤岩体热-流-固耦合数值模型,并对掘进面进行数值模拟,研究不同温度条件下瓦斯压力、瓦斯渗流速度、煤岩体位移的变化情况。结果表明:温度变化不大的情况下,掘进工作面的瓦斯浓度随温度变化不明显;煤壁工作面附近的瓦斯压力梯度增大。其他条件不变的情况下,随着温度升高,渗流速度不会发生明显变化。该研究为含瓦斯煤岩体动力灾害预测提供了参考。

机械振动作用下含瓦斯煤岩渗透率演化规律研究

为研究机械振动对含瓦斯煤岩渗透率演化规律的影响,从应力平衡角度出发,考虑煤岩体受机械振动应力衰减的特殊性,建立振动作用下含瓦斯煤岩渗透率变化方程,求出不同振动时间、孔隙压力和振动频率下含瓦斯煤岩的渗透率。试验发现:机械振动产生的应力波能够加快煤岩体内部裂隙的发育;煤岩渗透率随孔隙压力的变化规律符合Klinkenberg效应。应用渗透率变化方程计算得出的理论值能够较好地反映试验所获得的渗透率演化规律。

含瓦斯煤岩流变规律及三维本构模型研究

为了深入研究含瓦斯煤岩的蠕变本构模型,利用自主研发的RRTS-Ⅳ型岩石流变扰动效应试验机和含瓦斯煤岩流变扰动效应渗流试验装置进行含瓦斯煤岩三轴流变试验,得出含瓦斯煤岩的蠕变规律。基于有效应力原理和流动法则建立了含瓦斯煤岩三维蠕变本构方程,利用MATLAB对得出的蠕变方程进行拟合,拟合曲线与试验曲线吻合程度较高,验证了所建方程的合理性。通过建立的含瓦斯煤岩三维蠕变本构方程推断出含瓦斯煤岩存在极限变形量,结合试验过程可知,当含瓦斯煤岩的变形量达到该值时,应变速率会在短时间内急剧增大,导致煤岩发生破坏。