基于数字图像重构的含瓦斯煤失稳模拟研究

为研究瓦斯压力下煤变形破坏过程及塑性区扩展规律,降低煤与瓦斯突出灾害风险,确保煤矿安全生产。通过基于数字图像重构技术,采用FLAC3D有限差分软件,对无侧限压缩下煤样失稳破坏过程进行数值模拟,分析了瓦斯压力对煤峰值强度和破坏形态的影响。研究结果表明:无瓦斯煤样以剪切破坏为主,存在一个贯穿整个模型的主剪切破坏面;煤的失稳破坏是外部荷载及内部瓦斯压力共同作用的结果,含瓦斯煤样存在2种破坏形式,即在剪切破坏的基础上增加了拉伸破坏;含瓦斯煤样的峰值强度和峰值点应变随瓦斯压力的增大而减小,呈线性关系。结合数字图像重构技术与有限元程序,可建立反映煤真实结构的数值模型,为研究煤岩的非均质性对其力学特性的影响提供了一种有效手段。     

含瓦斯煤锤击破坏HJC本构模型及数值模拟

确定含瓦斯煤动态本构关系是认识煤岩动力灾害机理的基础。结合煤吸附瓦斯的"变形效应"特征和Mohr-Coulomb强度理论,理论分析并量化了吸附态和游离态瓦斯对煤体强度的弱化作用,提出的"静态损伤变量法"确定了含瓦斯煤HJC本构模型的主要参数并开展含瓦斯煤落锤冲击破环的数值模拟研究。研究表明:(1)相同的冲击速度下,含瓦斯煤样与普通煤样的破坏形式明显不同,前者破坏程度更严重。(2)相同瓦斯压力下,冲击速度越大,含瓦斯煤样整体破坏越严重,随着冲击速度的增加,破坏由拉压破坏向以压缩应力主导的破坏过渡,并呈现出中心膨胀性破坏的特征。(3)含瓦斯煤在冲击速度相同时,含的瓦斯压力越大,破坏程度亦越大。获得的含瓦斯煤的HJC主要参数能够较好模拟含瓦斯煤冲击破坏的动态过程。     

孔周煤岩体渐进性破坏过程裂隙和应变能演化特征北大核心

为探究瓦斯抽采钻孔孔周煤岩体渐进性破坏过程中裂隙和应变能演化特征,设计了完整试样和含孔试样,开展渐进性破坏试验;通过VIC-3D观测系统,获取试样表面变形情况,计算并分析试样表面裂隙动态演化过程,裂隙分布情况及应变能演化特征。研究结果表明:含孔试样抗压强度较低,且钻孔孔周产生较多裂隙,孔上下两侧变形严重,表明在实际钻孔施工过程中,煤岩体抗压强度会大幅下降,钻孔周围产生较多裂隙,从而造成钻孔破坏,甚至塌孔;渐进性破坏过程中,孔周煤岩体表面裂隙发生动态演化,其动态演化过程与加载应力呈对应关系,同时通过对比裂隙张开量和错动量演化特征,判定试样破坏的主要裂隙类型为张开、错动混合型裂隙;在渐进性破坏过程中,孔周煤岩体表面裂隙演化过程与局部化区域变形能密度累积保持对应关系,不同局部化区域的应变能密度演化特征不同,体现出孔周煤岩体在渐进性破坏过程中存在内部能量调整。     

煤与瓦斯突出塑性区宽度的计算与分析

煤与瓦斯突出不仅与地应力、瓦斯压力、煤岩体强度有关,而且还和卸压区范围有关。卸压区越薄,集中应力区越接近工作面,卸压区煤体被冲破造成突出的可能性就越大。根据煤岩与其顶底板岩层接触类型不同,把煤岩体塑性区的求解分为柔弱端约束和固端约束两类,并运用不同的煤岩体破坏准则对这两种类型煤岩体卸压区宽度与塑性区宽度进行理论计算,得到相应的理论计算公式。煤矿企业可以根据实际情况,理论计算煤岩体塑性区宽度,从而确定安全宽度,以预防煤与瓦斯突出事故的发生。     

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。     

特厚煤层煤矸互层复合顶煤体冒落特征研究

为了掌握特厚煤层综放开采煤矸互层复合顶煤体冒落特征,保证放煤工艺合理性和高顶煤回收率,以特厚煤层复合顶煤体综放开采为现场实际条件,采用实验室试验、数值模拟、现场观测等方法,分析了复合煤岩体变形破坏和强度特征,揭示了含矸顶煤体放出过程架间成拱、煤矸分界、放出规律,获得了煤矸块度体积与重量分布特征,结果表明：煤岩比例变化对煤岩整体破坏形态影响明显,复合煤岩体的破坏比单一介质块度小,单架顺序放煤量与放出率低值区和高值区之比约为1∶3,复合煤岩体放出块度体积与重量符合正态分布,煤矸块体长度小于40cm的占比为66%,但其重量占比小于15%,特厚煤层含矸顶煤体提高顶煤回收率的主要方向为提高长度为40～100cm块体的放出效率。     

基于声发射的含瓦斯煤试件失稳破坏预测研究

基于岩石破裂损伤理论和气固耦合方法．利用RFPA2D数值模拟系统．对含瓦斯煤试件在破裂过程中声发射（AE）的分布特征进行了研究,并结合AE在时间和空间上的分布特征对失稳破坏区域进行预测。研究表明：含瓦斯煤试件在形成宏观破坏发生失稳前都有明显的声发射前兆,利用声发射在时间上的分布特征可对失稳破坏做出提前预警,利用由拉应力作用产生的声发射前兆信息在空间上的分布特征,可对裂纹的起裂区域做出较准确预测;能为含瓦斯煤体失稳破坏的防治及声发射监测技术在煤矿的应用提供理论基础,具有一定的理论和现实意义。     

采掘作业煤岩破坏对矿井瓦斯抽采的影响

围绕煤岩破坏对矿井瓦斯抽采的影响,阐述了采掘作业对煤岩的破坏形式,瓦斯在煤岩体破坏后的运移规律及相应的煤矿瓦斯抽采方式,为矿井瓦斯的抽采提供了参考。     

采动煤岩体瓦斯通道形成机制及演化规律

为了研究采动煤岩体瓦斯通道形成机制及其演化规律,运用断裂力学和岩石力学相关理论,结合煤岩体裂隙发育特征将工作面前方煤岩体瓦斯通道分为孤立通道区、张裂破坏区、剪切破坏区及支承压力峰值后破坏区,提出前３区域属于细观流动通道,第４区域属于宏观流动通道;研究了采动过程中煤体顶板变形受力特征、裂隙发育规律及通道导通特性,进行了顶板宏观瓦斯通道的分区：瓦斯紊流通道区、瓦斯过渡流通道区和瓦斯渗流通道区,结合实验室模拟分析了上覆煤（岩）层瓦斯通道发展变化过程,其经历了卸压、失稳、起裂、突变张裂、吻合缩小、加速闭合、通道维持、再次加速闭合直至完全被压实闭合的过程。     

瓦斯对煤冲击倾向性影响的试验研究

为研究瓦斯对煤冲击倾向性的影响,在不同瓦斯压力下测定了煤的冲击倾向性指标,分析了含瓦斯煤样在多级循环加载和单轴应变加载时能量积聚与耗散情况。研究结果表明:在孔隙瓦斯压力和吸附瓦斯共同作用下,煤样冲击倾向性指标由强向弱或由弱向无转变;瓦斯降低了煤样的强度,在多级循环过程中由损伤和塑性变形引起的耗散能增加,煤样储存弹性应变能的能力下降,完全破坏时煤样盈余能量减少,瓦斯弱化了煤的冲击特性;伴随瓦斯压力的增加,能量跌落系数逐渐变大,表明瓦斯致使煤样的破坏形式由脆性向脆塑性转变;基于瓦斯对煤的冲击倾向性和破坏形式的影响,在含瓦斯煤层冲击倾向性测定和冲击危险性评价过程中,应充分考虑瓦斯对煤层冲击特性的影响。     

掘进工作面煤岩失稳的动态分析及能量判据

煤岩的失稳是煤与瓦斯突出发生的先决条件。以理论分析和数值模拟为主要手段,分析了石门和煤巷掘进工作面煤岩体失稳前后应力和瓦斯的动态变化,研究了应力和瓦斯对煤岩体失稳的作用和影响,建立了煤岩体卸围压破坏过程中应力变化的动态分析模型,分析了破坏过程中升压和降压2个不同的阶段,解释了动态扰动下煤岩易于发生失稳的原因和机制,并提出了掘进工作面煤岩失稳的能量判据。以上研究对进一步揭示煤与瓦斯突出的发生机理和突出的探测预防具有一定的指导作用。     

煤矿采空区岩体渗透性计算模型及其数值模拟分析

煤矿采空区岩体渗透性是煤矿采空区煤层气抽采设计的基本参数。从煤矿采空区岩体变形-破坏特征分析入手,通过理论分析研究了岩体渗透性与应力之间的耦合关系和模型,揭示了采空区岩体应力-应变和渗透性分布规律。研究结果表明:不同岩性岩石的渗透性在全应力-应变过程中为应变的函数,采空区岩体渗透性决定于岩体破坏程度和断裂的张开度,基于采空区岩体应力-应变导致断裂开度变化,推导了采空区岩体渗透系数与应力之间的三维关系与模型;应用FLAC~(3D)计算软件,对采空区岩体应力-应变-渗透性进行了数值模拟计算,分析了采空区岩体的变形破坏的分区分带特征,在纵向上自上而下形成弯曲下沉带、断裂带和垮落带;在横向上划分为原岩应力区、超前压力压缩区、卸载应力区和岩体应力恢复区;揭示了采空区岩体渗透性分布与采空区岩体应力-应变和破坏规律相一致的特征。无论是垂直渗透系数比(K_z/K_(z0)),还是水平渗透系数比(K_y/K_(y0)),均随着距开采煤层垂直距离的增大,采空区岩体渗透性逐渐减小,且采空区边缘的渗透系数较大,采空区两侧煤柱区岩体渗透性显著降低。     

贵州松软低透难抽煤层分布规律研究

收集了贵州9个煤矿区60个含煤构造单元292对煤矿的683个煤的坚固性系数(f)测值、585个煤的破坏类型测值,8个煤矿区57层煤层的钻孔流量衰减系数(α)和透气性系数(λ)测值。在这些数据的基础上,分别从f值、煤的破坏类型、透气性系数和钻孔瓦斯流量衰减系数等角度,全面系统的总结贵州煤矿区松软低透气性难抽煤层的分布特点,分析和研究贵州煤矿区松软低透气性难抽煤层分布规律,为贵州煤矿区瓦斯治理提供宏观指导和参考。     

爆破应力波在构造带煤岩的传播规律及破坏特征

针对煤矿井下爆破作业扰动到构造带煤岩体容易诱发煤与瓦斯突出事故的现实背景,根据爆破应力波在构造带煤岩的传播规律结合相似模拟实验和数值分析,研究应力波对构造带煤岩的损伤破坏特征及其对煤与瓦斯突出的影响作用机理。研究发现,爆破应力波从岩体传播到构造松软煤层时,在煤岩交界面发生了波的透射和反射;透射的压缩应力波作用于煤体,使煤层裂隙增加;反射的拉伸应力波反作用于岩体,使位于岩体内相应测点的应力值增大约1.1倍,在靠近松软煤体一侧的岩体内形成交叉网状裂纹,加大了岩体的破坏程度和破坏范围。构造松软煤体加强爆破应力波的反射拉伸和爆破振动的累积效应导致构造带煤岩交界面的煤岩体损伤严重,当煤岩体的强度不能抵抗瓦斯内能和煤岩体的弹性潜能时将会发生煤与瓦斯突出。     

计算机图像技术在煤岩体动力破坏测量中的应用

以某矿井下-690未开挖巷道的煤岩体作为研究对象,利用实验模拟了3个煤岩体试样在动力压缩破坏条件下的应变特征,借助计算机图像相关匹配技术,结合煤岩体的自燃散斑标志点,得到了最大拉应变情况下3个煤岩体试样的最先破坏位置,并测量了破坏程度。     

含瓦斯煤体力学特性实验研究

应用了胡少斌博士建立的含瓦斯煤体力学特性测试系统,进行了含瓦斯煤全应力-应变实验和含瓦斯煤吸附膨胀实验。实验结果表明,在有效围压一定的条件下,含瓦斯煤体的力学特性的影响与其瓦斯压力有关,瓦斯压力越大,煤体的弹性模量越低,抗压强度越低,抵抗变形的能力越弱;煤体中冲入吸附性越强的气体,对煤体力学特性影响越大,煤体抵抗变形的能力越弱;在固定轴向载荷和有效围压的条件下,煤体内瓦斯压力越大,煤体膨胀变形的速率越快,并且达到最终破坏的形变量也越小;吸附瓦斯和游离瓦斯的存在加速了裂纹劈裂破坏,使煤体更容易发生剪切滑移破坏。     

含瓦斯煤岩体采动致裂特性及其对卸压变形的影响

为了研究瓦斯压力对采动煤岩体卸压变形的影响,在FLAC平台上采用应变软化本构关系和“先加载后卸压”的方式,研究了不同瓦斯压力及围压条件下采动煤岩体的卸压致裂特性及其对卸压变形的影响。模拟结果表明：煤岩损伤破坏应力的峰值及所对应的轴向应变、应力峰后下降幅度随瓦斯压力的增加而减小,其力学特征由脆性逐渐向塑性过渡;瓦斯压力的增加使煤岩承载能力下降,并由于在有效应力空间中应力水平的提高而使拉伸破坏提前发生;随着瓦斯压力的升高,上覆煤岩采动煤岩卸压变形量、致裂破坏区不断增大,致裂特征更加明显,采动卸压范围、应力集中峰值及其距煤柱边界的距离也增大。因此,当煤层瓦斯压力较高时,瓦斯压力对采动煤岩体卸压变形的影响不能忽略。     

煤与瓦斯突出流体动力学机理研究

煤与瓦斯突出是威胁煤矿安全生产的重大灾害,近年来随着对深部煤炭资源需求增加,煤和瓦斯突出次数和强度也日趋严重。运用流体动力学基本原理探讨突出过程中瓦斯气体压强和流速变化,研究表明游离态瓦斯气体在煤岩体内高速流动时产生的压强波可在煤层裂隙网中不断积累传播。而煤层中压强波的出现不仅能够改变裂隙中瓦斯气体流速和压力并扩展煤层裂隙,使含瓦斯煤岩体孔隙结构破坏,最终导致煤与瓦斯突出灾害发生。     

考虑瓦斯压力的煤体三轴抗压强度研究

从煤体强度的角度来分析含瓦斯煤岩的破坏行为,通过实验分析了考虑瓦斯压力的含瓦斯煤岩的抗压强度。研究表明:在三向应力状态下,煤样的破坏形态受侧压的影响;煤样的残余变形与试验的侧压及本身的强度有关,煤样的强度越大,残余变形就越小;在试验侧压的范围内,煤样的弹性模量随侧压的增大而增大。与单轴压缩相比,含瓦斯煤的抗压强度和弹性模量都有所降低。原因在于:煤样制备的时候较为松散及瓦斯压力的影响。煤的强度受其中瓦斯气体的影响较大,煤体吸附瓦斯后体积膨胀强度降低,而煤体释放瓦斯后强度增加。     

真三轴路径下含瓦斯复合煤岩体渗流及力学破坏特性

深部开采扰动下“煤体-岩体”复合系统发生整体破坏失稳是导致煤岩瓦斯复合动力灾害发生的主要原因之一。为了研究煤岩瓦斯复合动力灾害发生机理,采用真三轴气固耦合煤岩渗流试验系统,以人工压制具有过渡界面的复合煤岩体试件为研究对象,进行了5种不同真三轴应力路径下含瓦斯复合煤岩体渗流特性及力学破坏特征试验研究。结果表明,真三轴路径下含瓦斯复合煤岩体强度符合Mogi-Coulomb准则,相比于其他试验路径,真三轴加载路径下试件强度最大,复合加卸载路径下试件强度次之,σ₂、σ₃发生转换时,试件强度显著降低;试件破坏时,真三轴复合加卸载路径下试件渗透率增长倍数最多,真三轴卸载路径次之,真三轴加载路径下试件渗透率增加倍数最少,σ₂、σ₃发生转换时试件渗透率显著增大;此外,复合煤岩体试件破坏特征具有规律性,真三轴加载路径下,σ₁-σ₂平面煤体中出现剪切裂纹,并在煤岩交界面处交汇,真三轴卸载和复合加卸载路径下,σ₁-σ₂平面上裂纹从煤体...