立井揭煤过程中的煤岩体受力变化机制研究

论文摘要

煤与瓦斯突出是一种极其复杂的动力现象,也是矿井生产中的重大灾害之一,是地应力、煤层中的瓦斯压力和煤的物理力学性质综合作用的结果。立井掘进过程中,尤其是在穿越突出危险地层时,煤（岩）与瓦斯突出将严重影响矿井生产的安全。本文采用理论分析和模拟计算相结合的方法对立井掘进过程中的工作面应力分布规律以及煤岩体与瓦斯耦合作用进行了研究。采用固体力学分析方法,通过对立井掘进工程中工作面的应力分布规律的研究,找到了工作面应力分布的影响因素及规律;利用渗流理论和固流耦合理论分析了瓦斯的流动和煤岩与瓦斯耦合作用,得出煤与瓦斯突出就是煤岩变形与瓦斯流体渗流耦合作用下,煤岩体发生失稳破坏而造成的。煤与瓦斯突出发生的强度主要与为煤岩体的弹性变形能与瓦斯膨胀能。通过有限差分程序的模拟应用,采用摩尔-库仑塑性模型模拟了掘进工作面周围前方煤岩体的应力分布规律;采用固-流耦合模型和摩尔-库仑塑性模拟了煤岩体和瓦斯共同耦合作用下立井工作面周围煤岩体的应力和变形规律,通过数值模拟分析,得出立井揭穿煤层过程中煤与瓦斯突出与煤岩体的破裂及瓦斯流动,以及二者耦合作用有关。煤岩体破坏后形成围岩的应力集中,瓦斯解吸,促使煤与瓦斯的突出,瓦斯的压力和工作面深度的增大为其突出提供了有利的条件。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 课题国内、外研究现状
• 1.2.1 煤与瓦斯突出机理研究现状
• 1.2.2 岩体力学的发展
• 1.2.3 流固耦合理论的现状及发展趋势
• 1.3 研究课题的提出及主要内容
• 1.3.1 课题的提出
• 1.3.2 研究的主要内容
• 2 煤岩的物理力学特性
• 2.1 煤岩的形成及构造
• 2.1.1 煤的形成及构造
• 2.1.2 岩石的结构和构造
• 2.2 煤岩的物理性质
• 2.2.1 岩石的密度
• 2.2.2 岩石的空隙率
• 2.2.3 煤的渗透性
• 2.2.4 煤体的吸附特性
• 2.3 煤岩的力学性质试验
• 2.3.1 岩石的单向抗拉强度试验
• 2.3.2 煤岩试件的三轴试验
• 2.4 煤岩的破坏准则
• 2.4.1 岩石破裂的基本类型及微观破坏机制
• 2.4.2 破坏准则
• 2.5 影响煤岩力学性质的主要因素
• 2.5.1 围压对煤体力学性质的影响
• 2.5.2 应变速率对煤岩体力学性质的影响
• 2.5.3 试件尺寸对煤岩体力学性质的影响
• 2.5.4 温度对煤岩力学性质的影响
• 2.6 本章小结
• 3 煤岩的应力和变形
• 3.1 煤岩应力和变形的分析方法
• 3.1.1 煤岩体线弹性的分析
• 3.1.2 弹塑性分析的概念
• 3.2 立井围岩的应力位移分析
• 3.2.1 竖井井筒围岩的应力和位移弹性解析解
• 3.2.2 竖井井筒围岩的应力和位移的粘弹分析
• 3.3 本章小结
• 4 煤岩体内瓦斯的流动
• 4.1 流体和多孔骨架的性质
• 4.1.1 流体的性质
• 4.1.2 多孔介质的概念
• 4.1.3 多孔介质的压缩系数
• 4.2 煤岩流体力学的连续介质方法
• 4.3 达西（Darcy）定律
• 4.3.1 达西定律
• 4.3.2 三维情况下达西定律的微分形式
• 4.3.3 达西定律的适用范围
• 4.4 煤岩中瓦斯流动的基本方程
• 4.5 本章小结
• 5 煤岩-流体固流耦合作用
• 5.1 有效应力
• 5.2 固流耦合问题分类
• 5.2.1 固流耦合作用下空隙空间中流体流动规律的研究
• 5.2.2 固流藕合作用下煤岩体的变形及破坏问题的研究
• 5.3 固流藕合作用问题的分析
• 5.3.1 流体的渗流方程
• 5.3.2 煤岩固体的变形场方程
• 5.3.3 煤岩固体骨架变形对流体渗流影响的关系式
• 5.3.4 流体渗流对煤岩体变形影响的关系式
• 5.3.5 流体渗流场和煤岩体变形场的边界条件和初始条件
• 5.4 本章小结
• 6 突出的条件及能量计算
• 6.1 立井煤和瓦斯突出的机理和力学条件
• 6.1.1 立井煤与瓦斯发生突出的机理
• 6.1.2 煤岩体的失稳理论
• 6.2 岩石弹性变形能计算
• 6.3 瓦斯膨胀能计算
• 6.4 本章小结
• 7 井筒工作面附近岩体应力分布规律的数值模拟与分析
• 7.1 FLAC程序的简介
• 7.2 有限差分拉格朗日法的基本原理和方程
• 7.2.1 连续介质的场方程
• 7.2.2 差分方程
• 7.3 岩土工程建模的一般方法
• 7.4 掘进工作面的力学模型
• 7.4.1 模型的设计原则
• 7.4.2 掘进工作面力学模型的建立
• 7.4.3 模型尺寸和单元的划分
• 7.4.4 边界条件的确定
• 7.4.5 煤岩材料的力学参数
• 7.4.6 模拟的预期目的
• 7.5 立井掘进工作面周围无瓦斯情况数值模拟及结果分析
• 7.5.1 6米立井掘进工作面周围岩体内应力位移的数值模拟
• 7.5.2 8米立井掘进工作面周围岩体内应力位移的数值模拟
• 7.5.3 结果分析
• 7.6 立井掘进工作面周围有瓦斯情况的数值模拟及结果分析
• 7.6.1 瓦斯压力为2MPa时煤岩力学行为模拟
• 7.6.2 瓦斯压力为4MPa煤岩力学行为模拟
• 7.6.3 结果分析
• 8 结论及展望
• 8.1 主要结论
• 8.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介及读研期间主要科研成果