煤岩灾变过程应力场-损伤场-渗流场耦合效应数值模拟

为了揭示采动下煤岩灾变过程损伤-渗流诱发煤与瓦斯突出的灾变机制,基于含瓦斯煤岩破裂过程气固耦合理论,运用真实破裂过程分析RFPA2D系统中的GasFlow模块,模拟了采动过程中煤岩突出多场耦合效应与瓦斯卸压抽放渗流规律,研究了煤岩层中应力状态的变化及裂隙演化过程对透气性的影响.模拟结果表明:随着开采的进行,在扰动应力场和瓦斯压力的共同作用下,工作面与邻近高压瓦斯区之间的煤岩出现了裂纹萌生、扩展与最终贯通的演化过程;并且裂纹导通后,工作面与邻近高压瓦斯区之间煤岩的透气系数显著增大,其大小可能是贯通前的数倍.上述结果验证了采动下煤岩突出灾变过程的应力场-损伤场-瓦斯渗流场耦合效应,为采取合理的卸压消突或瓦斯抽放措施提供了一定的理论依据.     

考虑损伤的含瓦斯煤有效应力方程

 煤层开采和瓦斯抽放引起的煤体损伤演化不仅使煤体力学性质发生改变,而且还影响煤与瓦斯的相互作用。本文基于损伤力学与多孔介质理论,并考虑煤体吸附瓦斯膨胀变形效应,建立了压缩条件下含瓦斯煤体的有效应力方程,得到了与含瓦斯煤体损伤演化相关的孔隙压有效应力系数和吸附有效应力。利用含瓦斯煤体有效应力方程和线弹性本构模型,计算分析了不同应力条件下含瓦斯煤体的变形与有效应力系数演化特征。结果表明,计算值与试验结果一致性较好,可以有效描述含瓦斯煤体的损伤力学行为。     

基于温度作用下含瓦斯煤渗透率动态演化模型的修正及试验研究

对含瓦斯煤渗透率影响因素进行分析,得到了基于温度、瓦斯压力、瓦斯吸附膨胀的有效应力计算公式.从渗透率影响因素之间的相互作用出发,通过克拉伯龙方程给出了温度增量引起瓦斯压力变化,瓦斯压力导致煤基质压缩及吸附膨胀应力改变,由此改进了有效应力计算公式.以Kozeny-Carman方程为桥梁,修正了煤体峰值前,压缩条件下考虑温度、瓦斯压力及吸附膨胀相互作用影响的渗透率动态演化模型.利用自制实验系统对温度作用下含瓦斯煤渗透性进行测试,得到含瓦斯煤渗透率与温度变化符合负指数函数分布,对比修正后的模型计算数据发现其与试验数据有很好的一致性.研究成果为温度作用下含瓦斯煤渗流的多场耦合问题提供一定的理论基础.     

煤田火区发展演化的多场耦合作用过程

 针对煤田火区发展演化多场耦合作用过程,分析了热-流-固耦合机理及不同时期煤体燃烧状态及产物。揭示了煤田火区发展演化是由煤氧复合化学反应而放热升温,产生热应力及烧空区致使上覆岩层失稳塌陷,形成煤岩体裂隙网络产生裂隙场,从而为氧气及燃烧产物对流循环提供通道,进一步促使火区向深部扩展延伸的灾变机理。因此,煤田火区温度场、裂隙应力场、渗流场及化学场之间的耦合作用是加速煤体燃烧的非线性动力循环过程。     

单裂隙岩石损伤断裂过程的试验研究

为了掌握单轴压应力作用下含单一初始损伤试什的变形特征与损伤特性,采用室内岩石压力系统和声发射监测试验,研究了单裂隙岩石损伤断裂过程.通过采用应力--应变曲线和声发射数共同识别类岩石材料损伤断裂特性的方法,可容易地观察到裂隙岩石的初始损伤、损伤演化和宏观裂纹的发展过程,给出了损伤演化闽值和全应力--应变曲线的损伤解释,针对试验曲线所表现出的损伤特性进行了损伤描述,为建立相应的裂隙岩体损伤本构方程和演化方程打下试验基础.     

非等温情况下煤层瓦斯流动规律的研究

论文较详细地论述了煤层瓦斯吸附解吸机理和在不同孔隙裂隙下,煤层瓦斯储运形态。通过实验得出了温度变化情况下煤层瓦斯吸附解吸规律。根据渗流力学、岩石力学、传热学等,建立起煤层温度场、瓦斯渗流场及煤岩变形场三场耦合的数学模型,并给出其数值解法。从而建立起较为完善的煤和瓦斯固流耦合理论,使瓦斯流动理论的研究更接进实际。分析了煤矿开采过程中煤层温度变化原因,并根据所建立的数学模型及其数值解法,对考虑温度情况下,煤体应力状态进行数值模拟,并与等温情况下的计算结果进行了比较,为利用温度梯度变化预测煤和瓦斯突出…     

渗流损伤耦合模型在三峡工程中的初步应用

利用流体扩散能量叠加原理,建立了裂隙岩体介质的渗透张量数学表达式综合运用断裂力学和损伤理论,探讨了复杂应力状态下多裂隙岩体的本构关系以及压剪裂纹的启裂准则,建立了裂隙岩体在压剪、拉剪应力状态下损伤演化方程,给出了裂隙岩体损伤场与渗流场耦合方程在此基础上,编制了平面有限元计算程序以对三峡永久船闸高边坡稳定性进行分析     

混凝土破裂过程渗流-应力-损伤耦合模型

从基础理论方面研究混凝土材料渗流和应力的耦合作用机理,首先叙述了混凝土材料细观和宏观的联系,分析了混凝土的渗透特性以及耦合的基本概念.在经典Biot渗流力学基本方程的基础上,增加一个反映渗流系数和孔隙变化关系的耦合方程,并结合混凝土的弹性损伤本构方程,引入渗流突跳系数ξ这一概念,提出了复杂应力作用下混凝土损伤演化过程渗流-应力耦合方程.本模型通过渗流、应力和损伤的相互作用反映出材料的宏观复杂破坏现象和非线性行为.     

多场耦合作用下煤层气的渗流特性与数值模拟

根据实验研究煤样在轴向应力、围压、气压、温度单一因素作用下的渗流规律.利用Ansys12.0数值模拟了单场与多场耦合作用下煤层气的渗流规律,煤体的变形、孔隙压力、渗流场的分布规律.数值模拟得出:单场作用下煤层气在煤体中的渗流规律实验与数值模拟结果基本相同;多场耦合作用下煤的渗透率与平均有效应力曲线呈负指数关系;对试件变形的影响应力场大于渗流场,轴向应力对试件的变形大于围压;围压对渗流场的影响大于轴向应力,轴向应力对孔隙压力的影响大于围压,多场作用下孔隙压力大于单场作用.多场作用下数值模拟的结果与实验研究是一致的,因此研究煤层气的渗流规律必须考虑气-固-热的同时作用.     

水库蓄水裂隙岸坡断裂损伤分析

基于能量原理,用初始损伤张量和裂纹扩展附加损伤张量描述裂隙岸坡水-岩作用下的损伤演化过程,得到裂隙岩体在考虑渗透压作用下的本构关系与损伤演化方程,探讨渗透压作用下裂隙损伤效应对渗透张量的影响,建立裂隙岩体渗流场与损伤场耦合的分析模型.在此基础上,以水库蓄水期库区裂隙岸坡为例,进行渗流—损伤—断裂耦合分析.研究结果表明:随着蓄水深度的提高,断层及岸坡损伤范围扩大,相对损伤增加,x方向的渗透系数k随着水深增大而不断增大,所得结果可为岸坡的治理提供依据.     

裂隙岩体渗流场与损伤场耦合模型研究

基于能量互易定理并考虑裂隙扩展过程中的能量转换和裂隙扩展过程中的相互作用，探讨了裂隙岩体在复杂应力状态下本构关系与损伤演化方程，给出了渗透张量随裂隙损伤发展的关系，从而建立了多裂隙岩体渗流场与损伤场耦合分析模型，在此基础上，对三峡永久船闸高边坡稳定性进行分析，结果表明，左边坡相对于右边坡有更大的损伤演化区，应适当考虑左边坡的锚固和防渗措施。     

溶剂抽提损伤致裂煤体实验研究

致密煤层中瓦斯的运移和抽排与煤体的致裂损伤有着密切的联系,溶剂抽提致裂煤体、产生裂隙会有助于低渗透性煤层瓦斯的运移.本文对块体煤进行了不同种类溶剂的抽提损伤实验,测定了抽提损伤后煤体的孔隙率变化.溶剂种类对煤体的致裂损伤作用效果显著不同,N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)抽提后的煤体形成了许多裂隙;二硫化碳和NMP混合溶剂体系对煤体的抽提存在协同作用,其对煤体的抽提损伤效应大于单种溶剂;NMP和NMP与二硫化碳混合溶剂抽提后煤体的孔隙率约是原煤体孔隙率的4倍和5倍,煤体的孔隙率增大十分明显;抽提物及抽提残煤体的红外光谱和热重分析表征结果表明,与原煤相比,抽提残煤中的脂肪烃类物质明显减少.     

拉伸损伤细观机理的弹性力学分析

损伤力学有2个主要分支：连续损伤力学和细观损伤力学.在连续损伤力学理论中,许多学者采用引入损伤变量到材料的本构方程中的办法,来反映材料的不可逆变化过程,这种方法在工程应用中具有简单实用的优点,但损伤变量的物理意义不是特别清晰,而且难以找到拉伸损伤变量和剪切损伤变量之间的联系,往往是只能建立两者各自独立的损伤演化方程.在弹性力学理论中利用复变函数方法能求出材料在给定的受力状态下的位移场,在此基础上,可分析平面应力条件下含一条微裂纹的单元体边界处和裂纹面上的位移场,通过平均化的方法,得到单元体的平均线应变,进一步分析这种线应变与单元体中裂纹的几何尺寸之间的关系,再利用弹性拉伸本构关系,就可得到脆性和准脆性材料弹性拉伸损伤的细观描述.这种方法已经分析了弹性剪切损伤的细观机理,对进一步建立含有随机裂纹材料的宏细观相结合的损伤理论是很有意义的.     

热力耦合作用下煤样瓦斯渗透特性数值模拟

针对含瓦斯煤渗透率在热力耦合作用下的演变规律,利用多物理场耦合控制方程建立相应的数值模型,对实验工况进行数值求解.将实验及数值模拟结果进行对比分析得出如下结论:1综合不同瓦斯压力情况下的轴压、围压对渗透率影响,模拟结果中渗透率普遍高于实验数据;2模拟计算得到的围压与渗透率之间呈指数关系,与实验结果的吻合度较高;3利用COMSOL Multiphysics数值模拟研究热力耦合情况下含瓦斯煤渗透率的影响规律,轴压处于高应力场下的模拟吻合度高于低应力场,采用单孔瓦斯渗流模型对高应力场的计算吻合度更好。     

应力场、地温场、压力场对煤层气储层渗透率影响研究——以山西沁水盆地为例

为了确定煤层气储层渗透率的变化规律,从岩石力学性质分析入手,以山西沁水盆地上古生界煤层气储层的实际地质情况为例,探讨了构造应力场、地温场、压力场对煤储层渗透率分布的控制机理.研究表明,构造应力场的应力-应变控制着储层裂隙的发育规律,地温场通过控制煤岩的力学性质而改变应力场的作用效果,而随着压力场作用增强,渗透率降低.     

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·     

煤体恒定加载蠕变损伤实验的研究

为了得到恒定荷载作用下煤体蠕变损伤破坏规律,采用速率为0.2 kN/s的荷载控制加载方式,加载至15 kN后保持不变.监测和分析恒定荷载下煤体的轴向变形、径向变形和应变随时间的变化情况以及能量、幅值、撞击和声发射事件等声发射信息随时间的变化.结果表明：声发射信息随着煤体损伤状况的变化表现出不同的特征;声发射事件沿着轴力方向增加,主要集中在煤体内部中间部位;声发射事件产生的位置、速率,可以直观反映煤体表面裂隙在煤体内部发育状况和蠕变过程中裂隙扩展方向及速率,对分析煤体蠕变损伤状况和预测煤体蠕变破坏位置具有重要意义.     

裂隙岩体非稳态渗流场与损伤场耦合分析模型

从流体扩散能量叠加原理出发,建立了裂隙岩体介质的渗流张量解析表达式。综合应用断裂力学与损伤理论,探讨了复杂应力状态下裂隙岩体的本构关系以及压剪裂纹的起裂准则,建立了裂隙岩体在压剪、拉剪应力状态下损伤演化方程,提出了渗透张量随裂隙损伤发展的关系以及裂隙岩体非稳态渗流场与损伤场耦合模型。     

地质构造对煤与瓦斯突出的控制作用

本文研究了地质构造与煤与瓦斯突出的关系。地应力、瓦斯、煤体结构性能这三者与地质构造有直接的联系，断裂等地质构造的形成又和构造应力不可分割，活动断裂构造又制约着构造应力场的分布，因此，矿区应力的分布情况对瓦斯含量、瓦斯压力、煤体的破坏等都有一定控制作用。     

新景矿9#煤顺层钻孔瓦斯抽采固-气耦合模型数值模拟

为了探讨顺层瓦斯抽采时的瓦斯渗流运移规律,提高低渗透煤层的抽采效率,运用弹塑力学理论,基于煤体骨架有效应力的变形特性,利用Kozeny-Carman方程进行理论推导,建立了钻孔周围煤体弹性形变与塑性形变的渗透率与孔隙率动态变化模型.结合多孔介质渗流力学理论,建立了钻孔抽采瓦斯渗流固-气耦合模型.针对新景矿9#煤的地质条件,运用COMSOL计算软件,对其耦合模型进行数值计算,得出了布孔间距与单钻孔有效抽采半径之间的关系.模拟结果表明：随着钻孔不断抽采,钻孔瓦斯抽采量初期比较大并能维持一段时间,随后将逐渐减小,最后接近稳定值,同时钻孔有效抽采半径也逐渐变大,但变化的程度越来越小.通过现场实际运用,验证了该模型与关系式的有效性与正确性.