富含瓦斯煤岩体采掘失稳非线性力学机理研究

论文摘要

含瓦斯煤岩体的采掘失稳会引发岩爆、煤爆、冲击地压、煤与瓦斯突出等多种动力灾害,特别是在富含瓦斯煤岩体中,这些灾害发生更加频繁。研究富含瓦斯煤岩体的失稳机理,对于减少灾害事故,改善煤矿生产的安全状况,具有重要工程意义。富含瓦斯煤岩体采掘失稳是一动态演化过程,对煤岩体变形、破坏和失稳机理需要用非线性力学理论进行研究。本文综合应用实验室试验、理论分析、数值模拟等方法研究了富含瓦斯煤岩体采掘失稳的非线性力学机理。论文共分6章,其主要研究内容及学术贡献如下:（1）对陕西下峪口煤矿和崔家沟煤矿煤样进行了电镜扫描试验、单轴压缩试验、三轴压缩试验。试验结果显示,富含瓦斯煤的破坏特征符合Coulomb-Mohr强度准则,非突出矿煤样相对突出矿煤样具有较大的抗压强度和弹性模量,具有较小的泊松比。（2）利用瞬态渗透法对富含瓦斯煤样进行了渗透性试验,结果表明,全应力应变过程渗透率的变化与试样内部裂隙的发展变化过程密切相关。非突出矿煤样易于形成贯通裂隙,突出矿煤样较松软,不易形成贯通裂隙,因此其峰后渗透率远小于非突出矿煤样。针对富含瓦斯煤样渗流的非Darcy流特性,计算了渗流失稳时的临界压力梯度。结果显示,非突出矿井煤样的渗流失稳多发生在峰后;突出矿井煤样在峰值强度前后均易发生渗流失稳并且其临界压力梯度较大,因此渗流失稳的过程更加短暂和迅速。这一结果与矿井实际发生渗流失稳的情况相符合。（3）在WY-98B瓦斯吸附常数测定仪基础上,研制了瓦斯解吸激振及测试系统,研究了温度、粒径及激振力等因素对煤吸附解吸瓦斯性能的影响。基于吸附等温线拟合了温度在[293K,323K]范围时Langmiur吸附常数与温度的关系式;得到了粒径与瓦斯吸附量之间的关系,发现煤的粒径小于0.045mm时,粒径的减小不会使吸附量明显的增大;获得了煤样在低频振动作用下的解吸特性曲线,研究认为,振动作用改变了煤体的吸附微孔,使瓦斯与煤体产生相对运动而脱附,同时振动过程为解吸提供了热能。因此,低频激振能够加快煤体中的瓦斯解吸速度并增大解吸量。（4）采用多尺度耦合理论,建立了煤岩体的微单元三维强度分布模型及其受力的邻近单元加权分担模型,针对富含瓦斯煤的强度分布性能,应用有效应力原理,建立了含有损伤分数、名义应力、温度、瓦斯压力等多个控制参量的富含瓦斯煤体宏观破坏概率函数和多尺度敏感性函数;研究发现,损伤分数和压力越大、温度越低,煤的宏观破坏概率越大,破坏的多尺度敏感性越高。（5）根据工程观测和试验结果,建立了层状煤岩体及层裂煤岩体的薄板力学模型。采用尖点突变理论导出了煤岩采掘失稳的判据;采用燕尾突变理论研究了采掘过程中爆破、钻探及瓦斯动压力等动载因素对层状煤岩稳定性的影响,分析了不同势函数下岩板的失稳特征。研究表明,富含瓦斯煤岩体的采掘失稳除了与其物理、力学性质和几何尺寸有关外,还与岩板面内载荷、法向载荷和法向动载的大小及变化路径有关。（6）采用突变级数法对富含瓦斯煤岩体发生煤与瓦斯突出的危险性进行了预测,计算表明,突变级数法用于煤与瓦斯突出的危险性预测能取得较高的准确率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 选题背景及研究意义
• 1.1.1 选题背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 本课题研究领域国内外的研究动态及发展趋势
• 1.2.1 富含瓦斯煤岩动力失稳研究的进展
• 1.2.2 富含瓦斯煤物理力学性态实验研究进展
• 1.2.3 非线性科学在富含瓦斯煤岩动力失稳分析中的进展
• 1.3 论文的主要研究内容及研究方法
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 研究方法与技术路线
• 2 富含瓦斯煤力学性态的试验研究
• 2.1 富含瓦斯煤的微细观结构特征
• 2.2 煤样单轴压缩试验研究
• 2.2.1 单轴压缩实验概况
• 2.2.2 煤样单轴压缩试验结果
• 2.2.3 煤样单轴压缩破坏特征
• 2.3 煤样三轴压缩试验研究
• 2.3.1 煤样三轴压缩试验结果
• 2.3.2 煤样强度准则及其弹性模量的拟合
• 2.3.3 煤样三轴压缩破坏特征
• 2.4 煤样全应力应变过程渗透试验
• 2.4.1 煤样渗透试验原理
• 2.4.2 煤样Darcy 流渗透试验结果及分析
• 2.4.3 煤样非Darcy 流渗透试验结果及分析
• 2.5 本章小结
• 3 富含瓦斯煤吸附/解吸规律的试验研究
• 3.1 Langmuir 吸附常数与温度及表面自由能之间关系
• 3.1.1 煤对瓦斯气体的吸附与解吸
• 3.1.2 气体分子运动动力学分析
• 3.1.3 Langmuir 吸附常数a、b 与温度及表面自由能的关系
• 3.2 温度对煤体吸附瓦斯性能的影响
• 3.2.1 实验设备
• 3.2.2 煤样的制作及其工业特性
• 3.2.3 瓦斯吸附实验及其等温线
• 3.2.4 温度与吸附常数a、b 的关系
• 3.3 粒径大小对煤吸附瓦斯性能的影响
• 3.3.1 不同粒径煤样的吸附等温线
• 3.3.2 煤吸附能、吸附位、比表面积及吸附量之间的关系
• 3.3.3 实验结果的讨论
• 3.4 瓦斯吸附/解吸激振试验
• 3.4.1 瓦斯吸附/解吸激振及测试系统研制
• 3.4.2 改造后设备的吸附常数计算
• 3.4.3 激振载荷对煤解吸瓦斯的影响
• 3.5 本章小结
• 4 富含瓦斯煤岩损伤破坏的多尺度耦合理论
• 4.1 富含瓦斯煤岩微单元强度模型的建立
• 4.1.1 富含瓦斯煤岩损伤和破坏的多尺度耦合问题
• 4.1.2 富含瓦斯煤岩的微单元强度模型
• 4.1.3 富含瓦斯煤岩的强度分布特征
• 4.2 富含瓦斯煤岩的微单元受力模型
• 4.2.1 平均场模型
• 4.2.2 集团分担模型
• 4.2.3 邻近单元加权分担模型
• 4.3 富含瓦斯煤岩的宏观破坏概率
• 4.3.1 煤岩跨尺度宏观破坏概率函数
• 4.3.2 煤岩损伤破坏的跨尺度敏感性
• 4.3.3 温度及压力对富含瓦斯煤岩损伤破坏的影响
• 4.4 本章小结
• 5 煤岩体采掘失稳的突变机理及煤与瓦斯突出危险性评价
• 5.1 突变理论的基本概念
• 5.2 煤岩体层状结构的产生及其力学模型
• 5.2.1 煤岩体的层状结构
• 5.2.2 煤岩体的力学模型
• 5.2.3 煤岩薄板挠度的重三角级数表示
• 5.3 煤岩薄板稳定性判定的尖点突变模型
• 5.3.1 尖点突变的数学描述
• 5.3.2 煤岩薄板系统的势函数
• 5.3.3 煤岩薄板系统的突变理论模型
• 5.3.4 煤岩薄板系统突变失稳的条件
• 5.4 考虑动态载荷煤岩板系统的燕尾突变模型
• 5.4.1 燕尾突变模型的数学描述
• 5.4.2 煤岩板系统的势函数
• 5.4.3 动载荷对煤岩板稳定性的影响
• 5.5 突变级数法及其在煤与瓦斯突出预测中的应用
• 5.5.1 突变级数法评价的基本思想
• 5.5.2 煤与瓦斯突出预测的指标体系的建立
• 5.5.3 煤与瓦斯突出的样本学习
• 5.5.4 突变级数法评价实例
• 5.6 本章小结
• 6 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 创新点
• 6.3 建议和展望
• 致谢
• 参考文献