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。     

煤体有效应力与膨胀应力之间关系的分析

有效应力公式是研究岩体和流体相互作用的基础公式之一,为了更加真实的描述煤体的受力状态,采用理论分析和试验分析的方法,分析了这种由于煤吸附瓦斯发生膨胀在约束条件下所产生的膨胀应力与有效应力的关系,并得出了膨胀应力与有效应力之间的关系式。分析可知,煤吸附瓦斯将发生膨胀变形,吸附量越大,膨胀变形越大,当这种变形受阻时将会产生膨胀应力膨胀应力的存在,将使煤体应力增加,煤体强度降低,煤体更易破碎,将增加煤与瓦斯突出的危险性。     

瓦斯煤层冲击地压发生机理

为有效预测与防治瓦斯煤层冲击地压,揭示瓦斯煤层冲击地压发生机理,建立了发生判据,并对瓦斯煤层冲击地压与煤和瓦斯突出的区别进行了阐述。瓦斯煤层冲击地压是在地应力和瓦斯孔隙压力综合作用下发生的,是固流耦合作用下发生的煤层冲击地压。瓦斯煤层变形破坏受有效应力的支配,孔隙压力抵消了部分地应力作用。由于瓦斯对煤物理力学性质影响,既有减缓冲击地压强度的趋势,又有增加冲击地压频度的趋势。瓦斯煤层冲击地压与煤和瓦斯突出的孕育过程是相似的,但发生过程和能量来源有很大区别。     

加卸载下原煤力学特性及渗透演化规律

基于自主研发的煤岩热流固耦合试验系统,在考虑实际开采方式的条件下,进行轴压升高和围压降低的加卸载试验,分析研究不同加卸载速率下原煤的力学特性和渗透演化规律.结果表明:加卸载过程中,轴向应力的加载速率越大,峰值应力附近的曲线平台越长,峰值应力、轴向应变和环向应变也越大,体应变则越小.不同加卸载速率比下含瓦斯煤变形模量均先迅速减小后缓慢减小,到破坏时再迅速降低,而后逐渐保持稳定趋势;在相同轴向应变时,加卸载速率比越小,煤样的变形模量越大.加卸载过程中,煤样的偏应力、渗透率与应变的关系可分为三个阶段:初始压密与弹性阶段、屈服破坏阶段和破坏后阶段.加卸载速率比越小,煤样达到峰值应力时,含瓦斯煤的渗透率和体积变形越大.     

温度对采动作用下含瓦斯原煤力学和变形的影响

以原煤为研究对象,利用"含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置",开展温度对采动作用下含瓦斯煤力学特性的影响研究.研究表明:1)在相同初始围压、气压和温度下,与恒定围压相比,卸围压煤样屈服段缩短,峰值应力和对应的轴向应变降低,横向应变速率增大,侧向膨胀系数和变形模量的演化进程加速;2)在相同初始围压和气压下,随温度升高,卸围压煤样强度降低,峰值应力处各应变均减小,侧向膨胀系数和变形模量均增大;3)高温环境下,煤岩发生失稳破坏和瓦斯突出的危险性变大,对采煤工作面巷道支护和瓦斯突出防治提出了更高的要求.     

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。     

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.     

含瓦斯煤体内多场耦合及损伤断裂机理

为了揭示含瓦斯煤体内应力场-瓦斯场-裂隙场三场之间的耦合关系及其损伤断裂机理.运用弹性力学、损伤力学及瓦斯渗流理论,通过建立损伤变量,描述煤体在有效应力作用下裂隙场的变化,同时给出损伤变量对煤体内孔隙率的影响以及煤体受损伤后有效应力的变化方程;根据所建耦合方程,考虑煤体在应力场-瓦斯场-裂隙场耦合作用下煤体内的微小变形对煤体宏观性能的影响,给出了不同损伤情况下煤体内瓦斯压力的分布规律.揭示了多场耦合作用下煤体内大量微损伤积累通过跨尺度的非线性串级发展而诱发煤体的宏观灾变,并从能量角度给出了含瓦斯煤体的损伤断裂准则.     

构造煤超微结构研究新进展

构造煤超微结构在不同温压和定向应力等因素影响下会表现出超微尺度上的特征与规律。大分子结构的变形可以引起纳米级孔隙结构的变化,而纳米级孔隙结构是煤层气（瓦斯）的主要吸附和扩散空间。因而在不同的变质阶段,不同机制的变形对不同类型构造煤超微结构的影响以及对其变质变形环境的研究具有重要的科学意义,而且对于煤层气的储集和赋存状态、煤与瓦斯突出的机理以及煤层气资源和煤与瓦斯突出危险性预测等也具有十分重要的实际意义。文中通过Ro,max,XRD,NMR（CP／MAS＋TOSS）和液氮吸附等测试和实验方法并结合国内外关于构造煤的结构模型、煤岩超微结构与应力的关系以及构造煤结构与应变环境等三方面研究成果进行了构造煤超微结构研究的综合分析,探讨了构造应力对构造煤超微结构和物性的重要影响,据此指出了构造煤超微结构研究存在的问题及今后的发展趋势。     

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...     

含瓦斯煤的有效体积应力与渗透率关系

在现有有效应力计算公式基础上,考虑多孔介质在三轴压缩状态下产生损伤的影响,修正了有效应力计算公式,并通过试验验证了该公式可以较好的描述含瓦斯煤在三轴压缩下的全应力-应变过程。三轴压缩下渗流试验表明:含瓦斯煤样在峰值点前的有效体积应力和渗透率为负指数关系;在峰值点后,有效体积应力和渗透率仍然存在指数关系,但系数发生了变化,和峰值点前不同。含瓦斯煤样的渗透率同有效体积应力呈反方向变化,即在有效体积应力增大时,渗透率减小,反之亦然。     

采动应力作用煤巷泥质复合顶板稳定性分析

 为研究采动应力作用软岩煤巷泥质复合顶板稳定态势,以高家梁矿20307工作面皮带煤巷为例,通过岩体微观结构特性分析和钻孔窥视仪对煤巷松动圈探测,确定泥质顶板煤巷为应力扩容膨胀型复合地质软岩,变形破坏力学机制为复合型Ⅰ_ABⅡ_BDⅢ_DA机制,提出锚网索带注的耦合支护对策机制,利用FLAC^3D对采用耦合支护对策后泥质复合顶板稳定性进行数值分析,采用现场监测煤巷变形的方法并将两者结果作对比分析。结果表明,软岩煤巷泥质复合顶板稳定性得到有效控制,验证了应力扩容膨胀复合型破坏机理的正确性和耦合支护对策的有效性,为相似地质条件软岩煤巷支护提供参考。     

贵州发耳煤矿尖山营滑坡特征及成因机制

高陡边坡地形条件进行煤层开采,极易引发地质灾害问题,给地质环境造成很大的破坏。以贵州发耳煤矿三采区的尖山营边坡为研究对象,查明了采空区分布情况及斜坡裂缝体系发育规律,结合该矿区地形地貌特征,分析该滑坡特征及影响因素,总结开采沉陷诱发山体滑坡的成因机制。结果表明:煤层开采后,上覆岩层发生应力重分布,采空区边界形成拉应力集中区;上覆岩层产生以沉降为主的弯曲变形,而在坡肩和坡脚部位产生较明显水平向外位移;变形过程中先在采空区后边界部位产生裂缝,回采煤柱后,裂缝贯通,形成潜在滑面,该滑坡变形机制为塌落沉陷-拉裂-蠕滑。     

Self-adjusted elastic action and its CBM pool-forming effect of the high rank coal reservoir

The coal reservoir is a kind of geologic body with considerable elasticity, and its response to stress is more sensitive than the routine ones. In the pool-forming process of the coalbed methane, (CBM) the action of many external geodynamic factors in the coal reservoir is represented by the ability of CBM's diffusion and migration in the coal reservoir. Therefore, the occurrence of the natural fissures in the coal reservoir becomes a key that determines whether the CBM pool can be formed or not. Based on the principle, the authors have designed a comprehensive method of physical modeling to study the elasticity of the coal matrix block with different coal ranks in the light of the solid to fluid coupling, have established the model of the volume deformation (self-adjusted elastic effect) of the coal reservoir under the condition of the effective stress-adsorption/desorption, and have obtained a correct understanding of the law of the elastic deformation. Afterwards, a new viewpoint, named as the self-closing elastic effect for forming the CBM pool in the high rank reservoir, is put forward, providing an initial point and a scientific basis for a further investigation into its dynamic factors, possible mechanism and role in the CBM energy-balancing system.     

构造应力与采动损害关系的数值试验研究

采用岩石破裂与失稳分析系统（RFPA），对不同构造应力条件下煤矿区地表环境损害特征进行数值试验，结果表明：处于伸展构造背景下的煤矿区，煤层覆岩受到拉张构造应力作用，在煤层开采过程中，覆岩运动、变形和对地表地质环境的损害相对比较强烈；而处于挤压构造应力作用下的煤矿区，覆岩运动、变形及其对地表地质环境的损害相对较弱，或表现滞后。     

有效应力对不同阶煤渗透率影响的差异性分析

 通过不同阶煤储层渗透率应力敏感性实验,对比分析了有效应力对不同阶煤渗透率影响的差异。结果显示,在相同有效应力变化范围内,低阶煤渗透率下降幅度大于中、高阶煤;低、高阶煤渗透率变化较中阶煤更符合指数函数变化规律;低有效应力阶段,低阶煤渗透率损害系数、应力敏感系数大于中、高阶煤;相同有效应力下,低阶煤割理压缩系数大于中、高阶煤;不同煤阶割理压缩系数随有效应力增加呈现下降趋势,不应将其视为常数。应力敏感性评价参数拟合结果显示,中、低阶煤渗透率损害系数、割理压缩系数符合指数函数变化规律,高阶煤渗透损害系数、割理压缩系数符合线性函数变化规律;不同阶煤渗透率应力敏感系数均符合指数变化规律。     

深部高应力软岩巷道联合支护研究

本文针对深部高应力软岩巷道掘进和使用期间出现的巷道变形破坏严重的难题,结合现场施工经验,应用现场试验与数值模拟相结合的研究方法,分析深部高应力软岩巷道变形破坏原因、规律以及提出巷道矿压控制措施,在煤矿试验区选择锚网梁索喷支护方式进行研究,证实此种支护方式为深部高应力软岩巷道合理可行的支护手段,对深部高应力软岩巷道的矿压控制有一定的指导作用。     

单轴压缩条件下脆性岩石变形破坏的理论、试验与数值模拟

利用损伤力学对脆性岩石在单轴压缩条件下的变形破坏行为进行了理论分析,并利用数值模拟试验机(RFPA)、伺服控制试验系统(RMT 150B)分别对岩石进行了数值及实验室试验,将理论分析曲线、数值试验及实验室试验曲线进行了对比研究,分析了理论结果、数值试验及实验室试验结果之间的联系与差别(尤其是全程应力应变之间的差别)以及产生这些差别的原因,结果表明数值试验并不是理论解析方法的简单重复,而是反映和研究岩石变形破坏全过程的有力手段·     

水-气两相流在煤层中运移规律

在考虑煤层气溶于水的情况下，探讨了水—气两相流在煤层中的运移规律，建立了煤岩体为弹塑性小变形时煤岩变形场的数学模型，并应用多相渗流力学理论，建立了两相流渗流场模型：通过煤体骨架变形对流体渗流的影响和流体渗流对煤体变形的影响，将有效应力、孔隙流体压力分别引入到渗流物性参数中，实现了流固耦合的相互作用。