采动煤体蠕变失稳研究

为了研究瓦斯涌出导致采动煤体蠕变失稳的问题,应用非线性模型理论和线性叠加原理,建立动载荷条件下的非线性蠕变方程来模拟含瓦斯煤体失稳过程。结果显示:蠕变方程能够很好的描述瓦斯涌出过程中含瓦斯煤体蠕变失稳过程;地应力是含瓦斯煤体失稳的第1因素,而瓦斯涌出将导致煤体失稳并加速失稳过程;屈服应力是预警煤与瓦斯突出关键参数。     

深部开采冲击地压诱发瓦斯异常涌出原因分析

为研究深部开采冲击地压诱导瓦斯异常涌出致灾机理,分析了深部开采煤体高地应力和高瓦斯含量的物性特征,揭示出冲击地压诱发瓦斯涌出的动力条件和物质条件,结合KozenyCarmen方程建立煤体渗透率与开采影响下损伤裂隙煤体体积应变的关系式。研究结果表明:冲击失稳过程中煤体渗透率增加显著,冲击地压产生的振动效应加速煤体变形破坏,促使瓦斯快速大量涌出;冲击地压孕育过程中的煤体渗透率变化效应、煤体形成剪切滑移面效应、冲击地压诱发的煤岩体振动效应以及煤体温度升高效应的联合作用,导致了冲击地压后瓦斯的异常涌出。     

含瓦斯煤渐进破坏极限失稳研究

为了研究含瓦斯煤渐进破坏极限失稳问题,基于含瓦斯煤强度折减法,并借助有限元数值模拟软件,对强度折减极限安全系数以及含瓦斯煤渐进破坏极限失稳过程进行分析。研究结果表明：含瓦斯煤强度折减参数修正可以表征瓦斯对于煤体的弱化作用,适用于数值模拟软件中分析煤体渐进破坏极限失稳过程;强度折减极限安全系数受围岩、瓦斯压力、外部载荷、煤泊松比等因素影响,极限安全系数值越小,代表煤体更容易达到失稳破坏状态;在强度折减过程中,含瓦斯煤状态演化分为初始损伤、渐进破坏、极限失稳3个阶段。     

冲击地压后瓦斯异常涌出条件及致灾原因分析

针对冲击发生后瓦斯异常涌出的现象,分析了煤岩微裂隙状态、温度等因素在冲击地压发生前后的变化以及冲击地压引起矿体震动对瓦斯吸附能力的影响,从多角度分析了冲击地压发生后导致瓦斯异常涌出的条件和原因。通过理论计算,瓦斯渗透试验等手段,研究了煤体受载过程中孔隙度和渗透性的变化规律;在含气煤本构方程的基础上,利用三轴加载条件下应力-渗透率关系计算得到了煤样加载过程中的渗透率的变化曲线。结果表明:冲击地压的发生确实存在导致瓦斯异常涌出的条件,而瓦斯对煤体存在力学和非力学的作用,可以导致煤体强度下降,脆性增强,并能够加速煤体的失稳破坏;煤体孔隙度和渗透率在三轴加载条件下会有先降低后增大的趋势,在应力达到破坏载荷的70%左右时,孔隙度和渗透率急剧增长;煤岩体内裂纹扩展,渗透性能增加是高瓦斯矿井冲击地压发生后瓦斯大量涌出的最直接的原因,矿体震动、煤岩体温度升高等冲击地压的伴生现象在一定程度上会促进瓦斯解吸和逸出。     

深部煤体非线性蠕变本构模型及实验研究

深部煤体蠕变规律研究对控制巷道围岩变形,预防煤与瓦斯突出及改善瓦斯抽采效果具有重要意义。基于分数阶导数流变模型,推导出煤体三维应力条件下非线性蠕变本构方程。考虑深部煤体赋存的高应力环境及应力变化路径,进行了三向应力状态下轴压恒定、分级卸围压的煤体蠕变实验。实验结果表明:在三向高应力状态下,试件的轴向和环向应变表现为初始蠕变和稳态蠕变,最终出现加速蠕变阶段;在相同差应力条件下,煤体蠕变变形随围压增大而减小。利用煤体卸围压蠕变实验数据对文中蠕变本构方程的参数进行拟合,结果表明:该蠕变本构方程能很好地描述煤体蠕变三阶段,特别是加速阶段。在蠕变本构方程参数确定的前提下,分析了应力水平、分数阶导数阶数及黏性系数对煤体蠕变特性的影响规律。     

深部高瓦斯煤层冲击地压发生机理研究

针对深部高瓦斯煤层的冲击地压灾害,从瓦斯对煤体强度影响、瓦斯煤体在卸载下的层裂现象及瓦斯煤体积聚静态能量3方面入手,探讨瓦斯煤层冲击地压的发生机理。通过理论推导得出:瓦斯降低了煤体强度,减小了煤体破坏时所需要的能量;含瓦斯煤体突然卸载后,受地应力和瓦斯共同作用会产生层裂现象,削弱了冲击显现区煤体抵抗变形的能力;最终在集中动载荷和耦合静态能量的共同作用下,建立了瓦斯煤层发生冲击地压的能量判据,指出了瓦斯煤体更容易发生冲击地压。此外,在冲击地压发生后往往出现瓦斯异常涌出的现象,瓦斯积聚对安全生产带来隐患,甚至引起煤与瓦斯突出等动力灾害。     

含瓦斯煤体受载破坏的电位信号灰色突变特征研究

基于含瓦斯煤受载破坏表面电位试验系统,测试研究了不同瓦斯压力下煤样受载破坏产生的电位信号变化规律及其灰色突变特征。结果表明:含瓦斯煤的破坏是载荷与瓦斯气体共同作用的结果,高压瓦斯的蚀损作用促进了煤体的破坏,引起较高的电位信号。由于当煤样受载破坏时,高压瓦斯会楔入新生裂纹,加速煤体破坏,从而产生较高的电位强度,且煤体产生的电位强度与充入的瓦斯压力成正比。笔者建立了含瓦斯煤破坏电位信号和载荷灰色-突变模型,分析了含瓦斯煤破坏的电位、载荷突变规律,发现在含瓦斯煤破坏过程中电位和载荷的灰色突变判别式可反映煤样的损伤积累、破坏临界、失稳破坏3种状态。电位信号的灰色突变特征对含瓦斯煤破坏具有明显前兆特征。     

采动影响下掘进巷道煤壁瓦斯涌出规律研究

利用有限体积法对薄及中厚煤层中掘进煤巷煤壁瓦斯涌出规律进行了数值模拟,研究了掘进巷道煤壁煤体应力重新分布过程中煤体渗透率动态变化对煤壁煤体瓦斯压力分布和巷道瓦斯涌出状况的影响,研究结果表明,煤巷煤壁内煤体渗透率决定着煤体瓦斯压力分布与煤壁瓦斯涌出速率,研究掘进巷道煤壁暴露之后全过程瓦斯涌出速率时应当考虑煤体渗透率的动态变化过程。     

不同采动应力条件下含瓦斯煤岩渗透特性研究

为了研究煤层在开采过程中不同采动条件对含瓦斯煤体的渗透特性的影响规律,本文通过理论计算、实验研究以及利用三轴伺服渗流实验装置进行实验。通过数据统计,拟合分析得出,在常规载荷条件的不同压力下岩体力学特征与渗透率变化规律。结果表明:随着载荷的增大,煤体在整个应变过程中,弹性应变的变化趋势与应力变化趋势相对应;随着瓦斯压力的增大,煤体的有效围压减小,最终发生失稳破坏;在常规三轴加载条件下,煤体的耗散能所占能量总比例增大,弹性应变能所占比例减小,当达到屈服阶段时,能量与应力差关系曲线斜率减小。     

煤层钻孔孔壁瓦斯涌出的数值模拟

钻孔周围煤体中的瓦斯流动是一个复杂的非线性物理过程。应用Darcy定律、质量守恒定律建立了钻孔周围煤体中瓦斯不稳定径向流动的数学模型,利用FLAC3D中的有限差分方法对钻孔过程中孔壁瓦斯涌出进行模拟,得到此过程中瓦斯涌出速度、涌出总量与钻孔时间的关系,指出瓦斯涌出总量随着钻孔时间的增加呈3次多项式变化,而流速则呈倒抛物线形分布。研究结果表明,数值模拟能反映煤层瓦斯流动的基本规律,可为实际生产提供参考。