基于Drucker-Prager准则的含瓦斯水合物煤体强度准则研究北大核心

为获得含瓦斯水合物煤体在高饱和度下强度准则的适用性,基于Drucker-Prager准则,结合高饱和度含瓦斯水合物煤体常规三轴压缩下的应力-应变曲线,探讨Drucker-Prager准则下其理论值与试验值的误差,分析Drucker-Prager准则的适用性,同时与Mohr-Coulomb准则进行对比。结果表明:含瓦斯水合物煤体的峰值强度在高饱和度和围压耦合作用下,其值随着围压和饱和度的增加而增加;Mohr-Coulomb准则与Drucker-Prager准则的强度预测绝对误差最大值分别为6.77%和3.66%,说明试验结果与预测模型的吻合度较高;然而Drucker-Prager准则强度预测绝对误差均在0.92%~3.66%,其误差波动范围较小,说明Drucker-Prager准则在高饱和度下更为适用。     

高饱和度下含瓦斯水合物煤体应力-应变特性试验研究

为了解含瓦斯水合物煤体的力学特性,利用自主研发的低温高压水合固化反应-三轴压缩一体化装置,开展了2种高饱和度条件下含瓦斯水合物煤体的三轴压缩试验。结果表明:1)含瓦斯水合物煤体的应力-应变曲线均呈软化型,分为峰前线弹性阶段和强化段、峰后应力软化段和残余变形段四个阶段;2)含瓦斯水合物煤体的初始屈服强度、峰值强度、残余强度随饱和度增加而增大,且随围压增加而线性增加;3)饱和度相同时,含瓦斯水合物煤体在初始屈服点、峰值强度点和残余强度的内摩擦角变化不大,而黏聚力则出现先增大后减小的趋势;4)含瓦斯水合物煤体呈现拉剪破坏以及单面剪切破坏2种破坏模式。     

含瓦斯水合物煤体强度特性三轴试验研究

含瓦斯水合物煤体力学性质准确测定是利用水合物技术预防煤与瓦斯突出的重要基础。利用水合固化反应与三轴压缩一体化原位试验装置开展了饱和度变化对含水合物煤体强度特性影响试验。结果表明：随着围压增加(1,2,3 MPa),含瓦斯水合物煤体应力-应变曲线从软化型向硬化型转化,破坏强度显著增加;随着饱和度增加,煤样破坏强度线性增加,饱和度对黏聚力和内摩擦角无明显影响;与含瓦斯煤体的强度特性比较发现,水合物生成提高了煤体破坏强度、变形模量和内摩擦角,而黏聚力没有明显变化。     

晶体类型对含瓦斯水合物煤体力学性质的影响

含瓦斯水合物煤体的力学性质研究,是利用水合原理防治煤与瓦斯突出的基础。以型煤试件为研究对象,利用自主研制融合瓦斯水合固化反应和三轴压缩荷载作用于一体试验装置,合成了含不同晶体类型瓦斯水合物煤体。对含不同晶体类型瓦斯水合物煤体和含瓦斯煤体进行了三轴压缩试验,获得了2种围压下含瓦斯水合物煤体和含瓦斯煤的应力-应变关系、强度等特性。基于莫尔-库伦强度准则进行拟合,得到含水合物煤体和含瓦斯煤体的黏聚力和内摩擦角。研究结果表明,煤体含水合物能够提高刚度和黏聚力,含II型瓦斯水合物煤体抵抗破坏能力更强,煤体含水合物的类型对煤体力学性质有不同的影响。     

饱和度对含瓦斯水合物煤体渗透率影响试验研究

瓦斯水合固化防突方法能高倍固化瓦斯，降低瓦斯压力，并且前期研究表明，水合物的生成填充煤体孔隙，能够提高煤体强度，改善煤体力学性质，有望减弱煤与瓦斯突出危险性。渗透率是检验瓦斯水合物-煤体体系水合固化效果的关键参数，因此利用应力-渗流-固化一体化三轴试验机，开展了3种目数和3种饱和度条件下含瓦斯煤、含瓦斯水合物煤体渗透实验，测定了瓦斯水合物生成前后煤体渗透率；基于含水合物多孔介质渗透率模型，探讨了煤体中瓦斯水合物的分布模式。结果表明：水合物生成后煤体的渗透率降幅为19.9%～93.0%,其中40～60目(0.250～0.425 mm)60%饱和度煤样渗透率降低幅度最大；随着饱和度增加，20～40目(0.425～0.850 mm)及40～60目(0.250～0.425 mm)含瓦斯水合物煤体渗透率均先减小后增大，60～80目(0.18～0.25 mm)煤样始终呈增大趋势；将试验结果与渗透率理论模型对比发现，本试验煤体中瓦斯水合物分布模式以表面胶结型为主，水合物生成对煤体内瓦斯渗流通道的阻塞效果显著。     

有效围压对煤体渗透性演化的影响研究

煤体变形和瓦斯渗流的耦合作用是煤矿瓦斯突出机理研究中的重要问题,煤渗透率的变化与其应力状态密切相关。为了理清有效围压对煤体渗透性的影响,对煤样进行了不同瓦斯压力下全应力应变过程的渗透性实验,分析了瓦斯压力对煤样强度和渗透率的影响;针对不同瓦斯压力,设计完成了相同有效围压下三轴压缩力学实验(无瓦斯作用);并利用孔隙介质力学的分析方法,依据应力应变数据计算了煤样孔隙度。研究发现,有效围压相同条件下的煤样孔隙度计算结果与渗透率实验结果的变化趋势一致;在三轴压缩实验条件下,煤样峰值强度前的渗透率降低幅度受有效围压的控制,有效围压越高,渗透率所历经的降低幅度越大。     

含瓦斯水合物煤体不同孔隙饱和度试验研究

煤层瓦斯固化防突技术利用含瓦斯水合物煤体储气量大且能改变煤体力学性质的特点,达到预防煤与瓦斯突出的目的。利用SHW-III型试验设备进行不同孔隙饱和度下含瓦斯水合物煤体的合成试验。结果表明:瓦斯水合物的声波波速可以表示合成情况,随着孔隙饱和度的增加而增大;预测的饱和度与试验方案最大相差4.18%,预测孔隙饱和度与计算孔隙饱和度最大相差4.92%;煤体胶结性随瓦斯水合物煤体孔隙饱和度增加而变强。     

含瓦斯煤体破裂过程围压效应研究

为了研究围压对淮北矿区含瓦斯煤体力学性质的影响,对含瓦斯煤体进行了三轴试验分析,并利用岩石破裂过程分析(RFPA2D-Flow)系统,模拟3种不同围压下含瓦斯煤体强度、变形和破坏的情况。研究表明:煤体极限抗压强度、残余强度和弹性模量随围压的增大而增大;煤体的残余变形和试验的围压及自身的强度有关,围压越大,残余变形就越小;加载过程中,含瓦斯煤体从弹性变形阶段逐渐软化,而后软化减弱表现出一定塑性特征;随着围压的不断变化,含瓦斯煤体的破裂形式也随之变化,含瓦斯煤体的宏观破裂面与最大主应力方向的夹角随围压增加而逐渐增大。     

瓦斯压力对卸荷原煤力学及渗透特性的影响

运用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置,以原煤煤样作为研究对象,在不同瓦斯压力条件下对含瓦斯煤进行了固定轴向应力的卸围压瓦斯渗流试验,研究卸围压过程中瓦斯压力对煤体的力学及渗透特性的影响。研究结果表明：开始卸围压后,煤体出现明显的扩容现象,径向发生明显膨胀应变,煤体中的渗流通道张开,煤体中瓦斯的渗流速率随之加快;随着瓦斯压力的升高,解除单位围压后煤样产生的变形变大,渗流速率升高的速率也随之增大;瓦斯压力越高,煤样从开始卸围压起至破坏的时间越短,即煤体强度越低;在卸围压初始阶段,煤样变形模量变化不大,在进入屈服阶段和失稳破坏阶段后,煤样的变形模量减小的速率开始明显加快。从煤样开始卸围压至破坏之前,煤样的变形模量下降了3.71%~7.45%;煤样的泊松比逐渐增大,围压与泊松比的对应具有较为明显的幂函数关系。     

含瓦斯煤的力学特性及渗流规律试验研究

采动裂隙场瓦斯流动是实现深部煤与瓦斯共采的基础。采用WYS-800微机控制电液伺服三轴瓦斯渗流试验装置,对平朔井工一矿14106工作面煤层进行了含瓦斯煤的力学特性和瓦斯渗流试验。结果表明:常规三轴不同瓦斯压力条件下,全应力-应变曲线分为4个阶段:初始压密阶段、线性弹性阶段、屈服阶段、破坏阶段。煤样的渗透率随轴向应变先减小后增大,最后趋于稳定;煤样的偏应力-应变和渗透率-应变曲线呈现相反的趋势,而且常规三轴压缩煤样破坏后渗透率增加量比较少。常规三轴不同围压条件下应力-应变曲线也主要表现为4个阶段。随围压值增大,三轴抗压强度呈线性增加趋势;在相同轴向载荷作用下,煤样所受围压越大,渗透率就越小。从不同围压条件下轴向应力-轴向应变和渗透率-轴向应变曲线可以看出,渗透率随着轴向应变的增大先降低后升高,煤样的峰值强度随着围压升高而增大。     

震动载荷下含瓦斯煤动力学特征

为了研究震动载荷下含瓦斯煤动力学特性,建立了含瓦斯煤霍普金森压杆试验系统,考虑轴向静载、围压、瓦斯压力和动载荷冲击速度4个因素,开展了含瓦斯煤动力学试验,通过采集入射波、反射波和透射波信号,分析了震动载荷下含瓦斯煤动态应力应变曲线变化规律,研究了含瓦斯煤峰值强度和峰值应变与有效轴向静载、有效围压和动载荷冲击速度的关系。研究结果表明:震动载荷下含瓦斯煤动态应力应变曲线无压密阶段,初始加载应力就随应变呈"线弹性"增加趋势;随着应变进一步增加,应力变化先趋于平缓又快速增加,该曲线表现出"跃进"特性,这与炭在晶体微破裂中的作用有关;峰后试样未产生宏观破坏,弹性能释放造成应力应变出现"回弹"现象。含瓦斯煤峰值强度随有效轴向静载呈指数增加、随有效围压呈线性增加、随动载荷冲击速度呈先增加后减小;含瓦斯煤峰值应变随有效轴向静载呈线性增加、随有效围压呈指数衰减、随动载荷冲击速度增大而增加。震动载荷下含瓦斯煤应变率效应明显,在应变率低水平阶段,含瓦斯煤峰值强度和峰值应变随应变率增加而增加,超过临界应变率,含瓦斯煤峰值强度和峰值应变将保持稳定。该研究有助于完善含瓦斯煤动力学,为矿井动载荷诱导的含瓦斯煤动力灾害防治提供借鉴。     

煤体中瓦斯水合固化的力学作用研究进展

为更好地完善我国煤与瓦斯突出预测与防治方法,基于煤与瓦斯突出综合作用假说,提出了瓦斯水合固化防治煤与瓦斯突出的方法。该方法核心是将煤层中瓦斯固化生成瓦斯水合物,不仅能降低瓦斯压力,而且能够提高煤体强度,以达到减弱或消除煤与瓦斯突出危险性的目的。实现了煤体中瓦斯水合物的生成以及含瓦斯水合物煤体力学性质-渗透率原位测试,提出了煤体中瓦斯水合物生成及力学性质-渗透率测试技术及含瓦斯水合物煤体三轴压缩数值建模技术。瓦斯水合固化热力学和动力学条件是防突的理论基础,煤层瓦斯水合物稳定储存是技术前提,瓦斯压力降低及煤体力学性质改善是防突关键,重点围绕水合固化煤体交叉力学问题进行总结。分析认为：(1)瓦斯水合固化防突技术理论框架已经初步形成,并利用数值模拟手段初步探究了瓦斯水合固化对煤体力学特征改善的细观机理;(2)现阶段已证实煤体中水合物生成不仅能降低瓦斯压力,而且能改善其力学性质,高饱和度对提高煤体峰值强度明显;(3)瓦斯水合物生成经历快速、缓慢和稳定3个阶段,且水合物的生成会造成煤体中瓦斯渗流通道阻塞,导致其渗透率降低;(4)高瓦斯压力、高CH4体积分数不仅有助于提高水合物饱和度而且会延缓水合物...     

两向加卸载含瓦斯煤变形破裂数值模拟研究

为了模拟煤矿工作面前方应力变化时含瓦斯煤体的力学特性,应用RFPA~(2D)-Flow软件模拟研究了轴向加载-横向卸载作用下含瓦斯煤的变形破裂规律,讨论了初始围压、轴压和卸载速率效应对试样变形破坏的影响。研究结果表明:在加载和卸载方向,轴向应力和横向应力初期都呈线性增加,当达到极限强度后煤体的变形破裂导致急剧的应力降,直至煤样失去承载能力时基本保持恒定。初始围压、轴压越大,卸载速率越小,煤体的极限抗压、拉强度及其对应的轴向、横向应变越大;峰值强度及应变与初始围压、轴压呈明显的线性相关性,而与卸载速率表现出阶梯状,随着卸载速率的增加极限强度及应变减小速率逐渐降低。     

冲击载荷下三轴煤体动力学分析及损伤本构方程

为研究冲击载荷下三轴煤体的动力学特征,建立了三轴分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,开展了轴向静载、围压和冲击载荷随机组合的动态冲击试验,研究了三轴煤体在冲击载荷下的动力学特性。实验结果表明:冲击载荷下三轴煤体动态应力应变曲线无压密阶段,轴向预静载有助于使煤体原生裂隙闭合,初始加载就表现出完整弹性体的特征;当应力达到峰值强度的60%～85%阶段时,应力应变曲线呈现"跃进"现象,可能与碳在晶体微破裂中的作用有关;当应力超过煤体动态强度,试样破坏,应力降低。冲击载荷下三轴煤体动态强度和破坏应变与平均应变率高度线性相关,应变率效应明显,应变率效应使得不同轴向静载、围压和冲击载荷因素对煤体动态强度和破坏应变的影响具有可比性。基于岩石力学强度理论和统计损伤理论,建立了冲击载荷下三轴煤体动态损伤本构模型,该模型综合考虑了轴向静载、围压和冲击载荷等因素,明确地反映了3种因素对煤体动力学特征的影响,轴向静载会劣化煤体,造成动态强度降低,围压和冲击载荷有助于提高煤体的动态强度,理论模型反映的特征与试验结果相吻合,并通过建立的本构模型和试验应力应变数据拟合了理论应力应变曲线,其与试验应力应变曲线基本重合,且应变率越高,一致性越好。     

真三轴条件下等效围压对煤岩力学特性影响试验研究

为研究水平应力加载下煤岩的强度及变形特征,在试验室开展了不同应力条件下真三轴压缩破坏试验。试验结果表明:试件的三轴压缩峰值强度随最小水平应力和垂直应力的增大而增大,为比较复杂应力水平下煤岩力学特性,定义"等效围压"表述应力状态,得到试件峰值强度及峰值应变均随等效围压的增大呈线性增大;煤岩破坏产生的裂隙数量随着等效围压增大而增多;试件破坏程度随着等效围压的增大而增强且破断角随等效围压增大成二次函数递增。煤体所处应力水平影响其力学特性,试验结果对于煤岩深部高效开采及安全生产有重要的理论支持和实践意义。     

煤岩破断与瓦斯运移耦合作用机理的试验研究

利用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置及煤与瓦斯突出模拟试验台,对煤岩破断与瓦斯运移耦合作用机理进行了试验分析。研究结果表明：瓦斯运移改变了煤体的力学性质,即降低了含瓦斯煤的强度,加速了其破断进程;在相同围压条件下,瓦斯压力越大,则含瓦斯煤三轴压缩破断程度越高,瓦斯运移通道越多,瓦斯渗流流量则越大;垂直地应力越大,即瓦斯运移越困难的条件下,煤与瓦斯突出强度越大,突出过程中温度下降幅度越大,表明垂直应力越大,煤体破断程度越高,其内部瓦斯解吸量越大,释放出来的能量越多。     

多因素对煤体渗透率影响的试验研究

为了探讨煤体渗透率的影响因素,利用损伤煤岩体渗流试验系统,进行了不同轴压、围压和瓦斯压力下煤体渗透率的渗流试验。试验结果表明:煤样在相同围压条件下时,渗透率与轴压的关系符合二次多项式函数;煤样在相同轴压条件下时,渗透率与围压的关系符合幂函数;在相同应力情况下,煤样的渗透率随瓦斯压力的升高先降低后升高,呈现"V"字形变化趋势,煤样的临界瓦斯压力值随煤样应力值的增大而增大;煤样轴向渗流的渗透率对围压的敏感性远大于轴压,渗透率对围压的敏感性大约是对轴压的敏感性的8.5倍。     

含瓦斯煤渗透性影响分析

以屯兰矿8#煤层低渗透含瓦斯煤为研究对象,采用电液伺服渗流装置进行了轴压、围压与瓦斯压力的交叉试验,以分析含瓦斯煤渗透性影响因素及其重要程度。结果表明,在恒定的应力场中,含水率的变化对于煤体渗流特性影响很大,渗透率的变化与含水率呈现负指数函数形式,与轴压、围压也呈现负指数函数变化;通过比较拟合函数中的拟合系数a发现在含瓦斯煤渗透性影响因素中,瓦斯压力对煤体渗透性影响最大,围压对渗透性影响的重要程度次之,轴压影响程度最小。     

砂岩峰后应变卸载围压摩擦滑动分析

进入深部采矿活动后,围岩受工程扰动后进入峰后阶段,其力学性质较峰前有较大差异。探究其峰后卸围压过程中应力、应变响应特性对巷道支护而言至关重要。利用MTS815实验系统,进行了不同围压条件下砂岩峰后固定轴向应变卸载围压试验。探讨了卸载围压过程中砂岩相关力学性质的影响。结果表明:试验围压内,峰值强度和峰后残余强度均符合线性MohrCoulomb强度准则。峰前加载段,剪应力比K随轴向应力的增加而减小,但变化速率逐渐减慢,在轴向应力达到峰值强度时,K值达到最小值0;在轴向应力达到峰值后,K值开始逐渐增大,到残余段时,K值保持不变。     

负压条件下构造煤原煤样瓦斯渗透性实验

利用三轴应力渗流实验装置对坚固性系数为0.3的构造煤原煤煤样进行了加压破坏以及负压条件下含瓦斯构造煤原煤煤样的瓦斯渗透性实验研究。结果表明,坚固性系数为0.3的构造煤原煤样的压裂过程经历了非线性压密阶段、线弹性阶段、应变强化阶段、应力跌落阶段和应变软化阶段等5个阶段。在围压、瓦斯压力一定,同一轴压条件下,加载负压时的煤体瓦斯渗透率要大于不加载负压时的煤体瓦斯渗透率,随着负压增大瓦斯渗透率随之增大。在围压、瓦斯压力一定,同一负压条件下,随着轴压的增大,瓦斯渗透率先逐渐增大到一定峰值后逐渐减小。在围压、负压一定,同一轴压条件下,瓦斯压力越大,煤体的瓦斯渗透率越小。在围压、负压、瓦斯压力一定的条件下,轴压加载到σo值后,开始卸载轴压,随着轴压的卸载煤体瓦斯渗透率逐渐增大,在轴压卸载的初始阶段,渗透率增幅较大;随后在轴压卸载完全的过程中,渗透率的增幅越来越不明显,并且轴压卸载为0时的渗透率要小于煤样试件在加载轴压前的初始渗透率。