煤和瓦斯突出过程中地应力作用机理

基于岩石破裂损伤理论和气固耦合方法,利用RFPA2D-GasFlow数值模拟系统,结合煤体中应力分布情况和瓦斯突出破坏过程及结果,分析了煤与瓦斯突出三要素(地应力、瓦斯和煤体物理力学性质)中的地应力在瓦斯突出过程中的作用.研究结果表明,在地应力小于1 MPa时,地应力对瓦斯突出具有阻碍作用;当地应力大于1 MPa时,地应力对瓦斯突出具有双重作用:一方面其产生的水平压应力增强了煤体抵抗破坏的能力;另一方面其产生的剪切应力促进煤体发生破坏.同时应用研究结果对浅埋煤层瓦斯突出问题进行了分析,认为浅埋煤层承受的地应力较小,煤层中存在着水平拉应力和垂直拉应力且是大范围存在的,故导致浅埋煤层发生瓦斯突出且...     

煤岩与瓦斯微元体破坏突出机理

煤岩与瓦斯突出是地应力、瓦斯压力、煤体结构破坏、孔洞内煤屑与瓦斯压力及时间效应等共同作用的结果。文中从煤与瓦斯突出发生的整个过程出发,结合现有的煤岩与瓦斯突出机理的研究成果,通过建立煤岩微元体破坏模型,计算煤岩微元体区域破坏概率、煤与瓦斯突出所必须的能量条件,分析煤与瓦斯突出区域的形成与发生,最后,提出了煤岩与瓦斯的突出是从煤岩体微元的破坏开始的,其发展、发育过程是众多煤岩体微元连续破坏的结果,得到了突出区域煤岩体破坏概率的平均强度以及发生突出的必须能量条件关系式,为煤与瓦斯突出的研究提出了一个新的模式与思路,对于防治煤岩与瓦斯突出事故、灾害的发生具有一定的实践与理论指导意义。     

煤与瓦斯突出的初次破坏特征分析

针对煤矿煤与瓦斯突出动力现象的复杂过程,对突出启动前煤体的初次破坏特征进行了分析。特别是对影响突出发生的煤体初次破坏的几何特征以及层裂拱壳形成的力学原理,通过简化的力学模型做了分析,同时讨论了影响初次破坏特性的主要因素,包括与不同煤体结构相适应的煤体材料不同破坏准则的影响。为进一步认识煤与瓦斯突出的机理,突出的启动、发展演化提供一种思路,进而为突出的预测和防治提供基础。     

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·     

基于颗粒流理论的煤与瓦斯突出数值模拟研究

针对煤与瓦斯突出机理的复杂性,基于颗粒流离散元理论,利用PFC3D(particle flow code)软件对煤体进行340组单轴压缩及巴西劈裂试验,建立了煤体宏观参数与颗粒流数值模拟所需细观参数之间的关系。基于寺河矿煤样单轴压缩和抗拉物理实验的实测宏观参数,推算出模拟煤与瓦斯突出所需的细观参数。在PFC3D流固耦合理论的基础上,利用PFC模拟软件进行了煤与瓦斯突出的数值模拟,再现了煤体的堆积过程。研究表明:在突出准备阶段,煤壁深部瓦斯压力较高,突出孔洞附近瓦斯压力梯度较高;发动及发展阶段,平衡状态被破坏,形成口小腔大的突出孔洞,破坏范围由巷道高度的中间位置向顶底板处扩展;在突出过程中,工作面前方煤体靠近煤壁的暴露面处的最大主应力向量逐渐偏离垂直方向,且应力向量连线形成一个凸向煤壁深部的圆弧。     

Python语言和ABAQUS前处理二次开发

采用Python脚本语言二次开发ABAQUS的前处理模块，讨论了ABAQUS的脚本接口和对象模型在二次开发中的作用和调用流程．通过开发Python脚本程序控制ABAQUS的建模和划分网格的过程，有效地解决了包含大量重复单元的模型手工建模时的重复繁琐等问题，提高了前处理的效率．     

煤与瓦斯突出过程的能量分析

基于煤与瓦斯突出综合作用假说,通过理论分析与实验研究了煤与瓦斯突出过程中煤体弹性能和瓦斯膨胀能做功。利用MTS815岩石力学试验系统,实验研究了不同围压下煤样的三轴压缩试验,得出煤体的单位体积弹性能与体应力之间呈幂函数关系;用自制的瓦斯膨胀能装置,测试了不同含水量、气体压力、密实度条件下煤体中的气体膨胀能,得出气体膨胀能与气体压力呈线性关系,且气体在膨胀过程中对外做功时,系统温度变化在1℃左右,研究表明,煤与瓦斯突出过程可以近似看作等温过程。研究结果深化了对煤与瓦斯突出机理的认识,为能量判据奠定了基础。     

二维复合材料微结构的力学响应计算

复合材料的力学响应数值计算对于多元多向异质体材料微结构的"性能导向型"设计、材料微结构失效的评估与预测具有重要的意义.利用自主开发的材料微观组织结构仿真软件ProDesign构造出二维复合材料微结构的代表性体积单元,通过C语言、Python脚本混合编程的方式,实现对商业有限元软件ABAQUS前处理的二次开发,使之用于复合材料微结构几何模型的建立、材料属性与晶粒取向的赋值、边界条件的定义以及有限元网格的划分,从而有效地实现二维复合材料微结构的细观应力响应计算.     

多孔介质局部化与煤与瓦斯突出射流理论

针对目前国内外对煤与瓦斯突出三个无法解释的现象,本文提出采用孔隙瓦斯压力局部化及射流理论来讨论煤与瓦斯突出问题,通过现场观测和数值模拟验证了煤体变形局部化,并把煤作为多孔介质射流模型给出了瓦斯射流的相关计算式和 初步估算了发生突出时的煤与瓦斯抛出量和射流流速,对研究煤与瓦斯突出提出了一种新的探讨。     

三维复合材料微结构的力学响应分析

复合材料的力学响应数值计算对于多元多向异质体材料微结构的"性能导向型"设计、材料微结构失效的评估与预测具有重要的意义.利用自主开发的材料微观组织结构仿真软件ProDesign构造出三维复合材料微结构的代表性体积单元,通过C语言、Python脚本混合编程的方式,实现对商业有限元软件ABAQUS前处理的二次开发,使之用于复合材料微结构几何模型的建立、材料属性与晶粒取向的赋值、边界条件的定义以及有限元网格的划分,从而有效地实现三维复合材料微结构的细观应力响应计算.     

考虑动静载加载的含瓦斯煤突出试验系统与应用

为研究深部开采条件下的复杂应力环境中煤层受动态载荷扰动发生煤岩动力灾害的过程和机理,在同类模拟突出设备基础上研制了动静载条件下的煤与瓦斯突出模拟实验设备。该实验装置包括煤样室、突出口装置、加载系统和计量系统。该实验设备能较好地模拟静态载荷和动态载荷共同作用下的突出现象,还可进行瓦斯吸附条件下的动静载突出实验,深入研究瓦斯吸附量对突出的影响。研究结果表明,在相同的动态载荷作用下,无瓦斯解吸过程比有瓦斯解吸过程更容易发生突出;无煤柱影响比有煤柱影响更容易发生突出,并且无煤柱影响的突出强度比有煤柱影响的要大。     

不同瓦斯压力条件下的煤与瓦斯突出模拟实验

为探讨瓦斯压力在煤与瓦斯突出过程中的作用机制,利用自主研制的煤与瓦斯突出模拟试验台和同一种煤样,在煤样成型压力、煤样含水率、受力状况等参数均恒定的情况下,分别进行了5种不同瓦斯压力水平下的煤与瓦斯突出模拟实验。结果表明,煤与瓦斯突出可形成口小腹大的呈梨形或椭圆形的突出孔洞,且突出孔洞容积仅为突出煤体积的1/2～2/3;在瓦斯压力方面存在一个使煤与瓦斯突出发生与否的阀值,高于此阀值时,瓦斯压力愈大则突出强度亦愈大,且瓦斯压力作为突出发生的动力同时也对突出煤粉有一定的粉碎和抛出作用;煤样温度呈先升高后降低并连续变化的趋势,利用温度变化梯度可进行煤与瓦斯突出预测预报。     

三维多晶体材料微结构的力学响应计算

材料微结构细观力学响应的数值计算对于识别"材料结构弱点",评估微裂纹的启裂、扩展,预测微结构材料损伤后的材料性能,推演"微结构虚拟失效"行为具有重要的意义.利用自主开发的材料微观组织结构仿真软件ProDesign构造出三维多晶体材料微结构的代表性体积单元,通过C语言程序设计、Python脚本语言混合编程的方式,实现对商业有限元软件ABAQUS前处理的二次开发,从而有效地实现三维多晶体材料微结构的细观应力响应计算.     

煤与瓦斯延期突出模拟试验及机理

利用自行研发的"大型煤与瓦斯突出模拟试验台",进行了非均衡荷载的无扰动和钢球捶击扰动情况下的煤与瓦斯延期突出试验.结果表明:延期突出过程可划分为准备、发生、发展和结束4个阶段,突出煤粒表现出很好的分选性,突出后的煤岩体可分为突出孔洞、松动区和未动区3个部分;在外力诱导作用下,延期突出门槛值降低,发生突出的可能性增大;发生延期突出的临界瓦斯压力和水平应力呈线性关系,临界瓦斯压力和突出强度呈非线性关系.重新定义了煤与瓦斯延期突出概念:在主要破煤岩作业结束形成新的采掘空间一段时间后或人员在从事辅助作业时,发生的煤与瓦斯突出;并根据试验结果初步分析了延期突出机理.     

煤与瓦斯突出后对防突风门破坏的数值模拟

采用数值模拟的方法对煤与瓦斯突出后对防突风门的破坏特性进行研究,阐明突出时作用在门上的反射超压,给出其计算式;并以相似模拟实验所获得的风门压力数据为基础,运用ANSYS软件对防突风门的破坏特性进行了模拟,模拟结果表明:门垛最薄弱的地方就是风筒所在位置;同时表明,最先到达防突风门的冲击波压力并不呈现最大值,由于反射超压作用的,几百毫秒后防突风门所受压力会突然上升达到最大值,这与实验结果相近.     

煤与瓦斯突出过程的突变分析

为了揭示出煤与瓦斯突出的机理，运用非线性理论的重要分支一突变学理论对煤矿煤与瓦斯突出的机理和突出条件进行了定性分析。考察了有可能发生煤与瓦斯突出的煤岩系统的内在动力特征，通过建立煤与瓦斯突出的尖点突变模型，较为直观的对突出的孕育和突出过程做出了系统理论分析，得出了瓦斯突出起动的突变机制和条件，从而为煤与瓦斯突出灾害预测与防止提供了新的理论依据。     

煤与瓦斯突出多因素影响规律与能量判据实验研究

为分析煤与瓦斯突出多因素耦合影响规律,开展了多组不同条件下含瓦斯煤快速揭露致突模拟试验.将模拟试验结果与突出能量模型相结合,计算突出潜能与突出耗能的定量关系,分析得出突出临界瓦斯压力与煤体强度呈正相关,与轴向应力呈负相关,验证了能量判据对突出激发的必要性.选取煤体弹性能、瓦斯膨胀能、煤体强度及密度等参数建立了两个综合考虑多影响因素的无量纲参数,进而拟合得出发生剧烈突出的能量判据公式.结果表明:瓦斯压力及轴向应力越大,煤体强度越小,突出危险性越高;各因素对煤与瓦斯突出危险性的影响重要程度排序为:瓦斯压力＞煤体强度＞轴向应力.     

煤与瓦斯突出的时间效应与管理体系研究

随着煤矿开采深度和机械化程度的加大,煤与瓦斯突出的威胁日益突出,为了更加清楚的研究煤与瓦斯突出的机理和过程,对煤与瓦斯突出过程中的主要影响因素进行了分析,认为瓦斯内能是突出的主要能量来源,而瓦斯内能是由瓦斯含量决定的。通过对煤与瓦斯突出过程的孕育、突出发展、突出发生及再发展和突出衰退等阶段的分析,建立了煤与瓦斯突出发展时间矢、预测预警时间矢和应急响应时间矢,并进行了煤与瓦斯突出的时间效应的分析,建立了基于时间效应分析的煤与瓦斯突出管理体系,以提高矿井的抗灾减灾能力。