含瓦斯煤岩破裂过程流固耦合数值模拟

根据煤岩体介质变形与瓦斯渗流的基本理论,考虑到煤岩介质材料力学性质的非均匀性特点以及煤岩介质变形破裂过程中透气性的非线性变化特性以及煤岩体变形破裂过程中瓦斯渗流与煤岩体变形间的耦合作用,在岩石破裂过程分析系统(RFPA2D)的基础上,建立了含瓦斯煤岩破裂过程流固耦合作用的RFPA2D–Flow耦合模型,并给出了RFPA2D–Flow耦合模型的数值求解方法。并应用该模型对石门掘进诱发煤与瓦斯的延期突出进行了数值模拟,模拟结果再现了含瓦斯煤岩在瓦斯压力、地应力及煤岩力学性质共同作用下渐进损伤破裂诱致突出的全过程,模拟结果进一步表明延期突出与瞬时突出都是地应力、瓦斯压力和煤体物理力学性质3个因素综合作用的结果,都具备突出的4个阶段,即应力集中阶段、应力诱发煤岩破裂阶段、瓦斯动力驱动裂纹扩展阶段和突出阶段,为进一步深入理解煤与瓦斯突出机理及瓦斯抽放防治突出等提供理论基础和科学依据。     

不同瓦斯压力下煤岩声发射特征试验研究

利用自主研发的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置配合声发射监测系统，进行不同瓦斯压力作用下煤岩在常规三轴压缩下的声发射(AE)特征试验。研究结果表明，瓦斯压力对煤岩起到软化作用，随着瓦斯压力的增加煤岩在加载过程中的脆性减弱，延性增强，抗压强度和弹性模量随着瓦斯压力的增加呈现出减小的趋势。根据试验所得煤岩声发射特征与应力-应变以及声发射累积振铃数与应变关系，得出在常规三轴压缩破坏过程中不含瓦斯煤岩的破裂类型为突然破裂型，含瓦斯煤岩的破裂类型为稳定破裂型。在同时考虑应力和瓦斯压力引起煤岩损伤的基础上，建立不同瓦斯压力作用下，由声发射累积振铃数表示的煤岩损伤关系式，并对所建立的损伤关系式进行验证，验证结果表明建立的基于声发射的煤岩损伤关系式从某种程度上真实地反映了含瓦斯煤岩的破坏过程及强度特征。     

煤岩破裂过程固气耦合数值试验

博士学位论文摘要:含瓦斯煤岩的变形破坏过程,是一个极其复杂和极富挑战的研究课题,是力学、材料和工程等学科的研究热点和难点之一。由含瓦斯煤岩破坏而导致的煤与瓦斯突出,是煤炭开采过程中一种复杂的工程诱发灾害,是保证煤矿安全正常生产和矿业发展亟待解决的重大问题。因此,作为含瓦斯煤岩突出机理研究的理论基础,研究含瓦斯煤岩破裂过程中瓦斯与煤岩固体的耦合作用机理,对于人们进一步深入认识含瓦斯煤岩的突出机理、煤层瓦斯抽放机理,并进而采取相应的防治措施等具有重要的理论意义和工程实用价值。实验室试验和现场测试作为研究含瓦…     

含瓦斯煤岩围压卸荷瓦斯渗流及电荷感应试验研究

 煤岩卸荷过程物理信息监测对煤与瓦斯突出等动力灾害预测研究具有重要意义。应用自主研发的电荷采集装置,进行了含瓦斯煤岩围压卸荷瓦斯渗流及电荷感应试验。研究结果表明：含瓦斯煤岩围压卸荷过程中,瓦斯渗流特性及电荷感应规律与煤岩的变形损伤过程具有十分密切的关系。随着围压卸荷速率的提高,煤岩内部大量微观裂纹扩展,促进了煤岩变形损伤,增大了煤岩内部裂纹间局部束缚电荷突变为自由电荷的概率,使得煤岩主破裂过程产生的感应电荷大幅增多;围压卸荷减弱了煤岩环向所受的限制作用,增加了煤岩内部新的导气通道,煤岩渗透率增大。气体携带煤粉颗粒与煤岩孔道固壁间的摩擦作用形成冲流电流,冲流电流对煤岩电荷信号贡献了附加量,使电荷信号增强。     

含瓦斯煤岩三维蠕变特性及蠕变模型研究

 研究含瓦斯煤岩的三维蠕变特性是理解煤与瓦斯突出孕育过程中瓦斯和煤岩相互作用关系的重要方面,而目前含瓦斯煤岩三维蠕变特性的研究很少,因此需要进一步深入研究含瓦斯煤岩的三维蠕变特性。基于这一认识,采用自行研制的含瓦斯煤岩蠕变实验装置,对取自重庆松藻煤矿的煤样进行含瓦斯煤岩三轴蠕变试验。研究结果表明,含瓦斯煤岩的三轴蠕变特性具有明显的蠕变规律。在含瓦斯煤岩三维蠕变特性的基础上,通过改进西原模型的参数,建立改进的西原模型,由此推导出含瓦斯煤岩三维应力状态下的蠕变方程,并通过拟合得到蠕变方程中的各个参数。利用含瓦斯煤岩的蠕变试验结果,对三维蠕变方程进行验证,发现理论结果与试验数据有着很好的一致性。研究结果表明,由改进的西原模型推导出的含瓦斯煤岩三维蠕变方程能真实反映含瓦斯煤岩的蠕变特性。     

应力–损伤–渗流耦合模型及在深部煤层瓦斯卸压实践中的应用

根据瓦斯渗流与煤体变形的基本理论，引入煤体变形过程中应力、损伤与透气性演化的耦合作用方程，建立了含瓦斯煤岩破裂过程固气耦合作用模型。应用该模型模拟分析了深部采动影响下瓦斯抽放过程中煤层透气性的演化和抽放孔周围瓦斯压力的变化规律，认清了开采卸压瓦斯瞬态渗流的力学机制。模拟结果表明，采动影响使得处于其上部67 m的煤层卸压，透气系数增大了2 000多倍，卸压范围70 m左右，同现场实际观测结果比较吻合。这对于进一步深入理解开采过程远程卸压瓦斯渗透性的演化、瓦斯抽放渗流的机制具有重要的理论和实践意义。     

煤矿勘查中煤岩瓦斯解吸过程模拟实验装置

为了深入研究地勘环境下的煤岩瓦斯的解吸过程,有效的计算瓦斯损失量,准确测试煤岩瓦斯含量,设计制作了地勘环境煤岩瓦斯解吸过程模拟实验装置,该装置具备真空脱气、恒温控制、吸附测试、地勘环境解吸模拟等功能,可有效的开展地勘环境水、泥浆、空气等复杂介质条件下的瓦斯解吸过程模拟,对于探究瓦斯损失的补偿机制,准确测试瓦斯含量大有裨益。     

含瓦斯煤岩固气耦合动态模型与数值模拟研究

首先在多孔介质的有效应力原理中引入瓦斯吸附的膨胀应力,推导出了适用于含瓦斯煤岩的有效应力计算公式。通过分析含瓦斯煤岩的孔隙度和渗透率在不同变形阶段的变化特点,在前人的研究成果基础上,建立了含瓦斯煤岩的孔隙度和渗透率的动态模型。假设含瓦斯煤岩是一种各向同性的弹塑性材料,同时考虑瓦斯吸附的影响,得出了含瓦斯煤岩的应力场方程和渗流场方程,建立了能描述固气耦合情况下煤岩骨架可变形性和瓦斯气体可压缩性的含瓦斯煤岩的固气耦合模型。最后通过给定模型的定解条件和相关参数,利用有限元方法建立了相关的数值计算模型,并得出了含瓦斯煤岩固气耦合模型的数值解。研究成果对进一步充实和完善含瓦斯煤岩固气耦合理论有一定意义。     

应力-损伤-渗流耦合模型及在深部煤层瓦斯卸压实践中的应用

根据瓦斯渗流与煤体变形的基本理论,引入煤体变形过程中应力、损伤与透气性演化的耦合作用方程,建立了含瓦斯煤岩破裂过程固气耦合作用模型。应用该模型模拟分析了深部采动影响下瓦斯抽放过程中煤层透气性的演化和抽放孔周围瓦斯压力的变化规律,认清了开采卸压瓦斯瞬态渗流的力学机制。模拟结果表明,采动影响使得处于其上部67m的煤层卸压,透气系数增大了2000多倍,卸压范围70m左右,同现场实际观测结果比较吻合。这对于进一步深入理解开采过程远程卸压瓦斯渗透性的演化、瓦斯抽放渗流的机制具有重要的理论和实践意义。     

瓦斯与应力作用下煤体红外辐射响应研究

为探索瓦斯与应力作用下煤体红外辐射响应特征，利用自主研发的含瓦斯煤岩破裂温度变化检测实验系统，以平煤十一矿煤样作为研究对象，分析其在不同瓦斯压力下力学性质和红外辐射特性，并对差分最高辐射温度ΔT_MIR、累计差分温度ΣΔT_MIR、热像演化等在不同瓦斯压力下的时变特性进行对比分析。结果表明：随着瓦斯压力的增大，试样破坏形态从单斜面剪切破坏向剪张性失稳破坏转变，破坏发展明显增强；试样的峰值抗压强度、弹性模量随着瓦斯压力的增大而降低，峰值应变表现为先增加后快速降低；不同瓦斯压力下，试样整体上表现出增温趋势，低瓦斯压力(0～0.4 MPa)条件下临破裂前出现升温前兆，而高瓦斯压力(0.6,0.8 MPa)则表现为降温前兆；试样加载过程中出现低温异常条带和高温异常区域，且与宏观裂纹走向及位置一致；并揭示了瓦斯影响下煤岩红外辐射的响应机制：热弹效应、摩擦热效应、瓦斯膨胀吸热效应及吸附瓦斯解吸吸热效应，不同加载阶段热效应的影响程度不同。研究结果解释了煤岩瓦斯动力灾害温度异常变化的原因，明确了不同瓦斯压力下的红外预警前兆特征，可以根据矿井瓦斯压力的大小有针对性...     

地应力场中含瓦斯煤岩变形破坏过程中瓦斯渗透特性的试验研究

 利用典型煤与瓦斯突出矿井松藻煤电集团打通一矿突出煤层原煤制备型煤试件,应用自行研制的含瓦斯煤样三轴瓦斯渗流试验装置,进行含瓦斯型煤试件的全应力–应变过程瓦斯渗透特性变化规律的试验研究。研究结果表明：恒定瓦斯压力时,在某一围压下,峰前渗流速度随轴向应力先减小后缓慢增大,到达峰值应力后,随轴向应力的减小而增大。全应力–应变过程曲线与渗流速度–轴向应变曲线具有较好的对应关系。煤样的峰值渗流速度随围压的增加而减小,呈现较明显的线性关系。对比试验表明,在一定的围压和瓦斯压力范围内,保持瓦斯压力不变增加围压可减小煤样渗透率,保持围压不变增加瓦斯压力可增大煤样渗透率。研究结果对于利用地应力场抽采瓦斯、通过瓦斯涌出量预测煤岩的变形破坏具有现实指导意义。     

突出煤型煤全应力–应变全程瓦斯渗流试验研究

 以典型煤与瓦斯突出矿井重庆天府矿业有限责任公司的三汇一矿K1煤层的突出煤型煤试件为研究对象,利用自行研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验系统,进行突出煤型煤在连续加载作用下,全应力–应变过程的瓦斯渗流规律的试验研究。研究结果表明：突出煤型煤在整个全应力–应变过程中,瓦斯流量与煤样的损伤变形的进程密切相关;瓦斯流量先随着轴向应变的增大而逐渐减小,在煤样达到屈服点后,瓦斯流量发展方向发生转变,开始慢慢增大,并在峰后瓦斯流量增速加大;另一方面,瓦斯流量先随着煤样的体积压缩而变小,在煤样开始扩容后,瓦斯流量转为增大,在破裂后阶段瓦斯流量增幅变大;瓦斯流量与轴向应变的关系可用二次函数表示;瓦斯流量随围压的增大而减小。     

Numerical investigation of coal and gas outbursts in underground collieries

Coal and gas outbursts are a complex catastrophic unstable phenomenon that involve the ejection of large volumes of coal, and are often accompanied by gas, such as methane, carbon dioxide or a mixture of the two. Coal and gas outbursts are prevalent in deep and gassy mines where face advance rates are rapid, and where gas drainage is either poor or absent. The occurrence of progressively larger coal and gas outbursts, and the potential for the catastrophic collapse of coal pillars, is of increasing importance as mining is extended deeper in seams rich in methane and other hydrocarbons. A unique coupled gas flow and solid deformation numerical model, viz., RFPA^2D-GasFlow, has been developed and is applied to simulate the evolutionary process of such catastrophic coal failures in underground collieries. The finite element model, which incorporates the physics of gas flow in the coal seam, the physics of coal deformation and instantaneous failure, and the cross-couplings between them, is proposed. The model also incorporates small-scale variability in deformation modulus and strength of the coal and surrounding rock. The variability in modulus and strength is distributed via a fine-scale resolution model according to the Weibull distribution, where the distribution parameter determines the level of heterogeneity. This numerical model is applied to simulate the whole process of coal and gas outbursts, including stress concentration, coal fracturing, gas pressure-driven expansion, and outburst. The instantaneous outburst process and associated stress fields, gas pressure gradients and displacement vectors are presented step by step. The numerical simulations indicate that the instantaneous outburst is a complex phenomenon involving interactions between gas pressure, stress and the physico-mechanical properties of the coal, and it can occur under a variety of conditions. Successful numerical simulation of the whole coal and gas outburst process provides the basis for identifying the outburst mechanisms, parameterizing the causative processes, and to defining potential precursors of failure.     

基于有效应力概念的矿井临界突水系数修正及应用

 矿井底板突水和水压致裂具有同源的力学机制,都是确定岩石(体)破坏的临界水压(突水系数为单位厚度的临界水压)。从水压致裂理论分析得出,有效应力系数对其作用显著。针对矿井底板破坏突水问题,通过对突水实例模拟分析,从稳态和瞬态两方面深入探讨有效应力系数变化对煤矿底板破断突水过程的影响。基于有效应力概念,推导煤层底板在不同渗透状态下临界突水系数的公式。最后,根据矿井底板不同的渗透特性,提出修正突水系数的计算方法和现场测试使用方法,对深刻理解岩体破坏突水的渗流力学本质、突水系数的内涵、指导底板注浆防渗设计,具有重要的理论和实用价值。     

地应力在石门揭构造软煤诱发煤与瓦斯突出中的作用

 在基于相似模拟试验思想和地质力学模型试验新思路的基础上,在实验室搭建大型石门揭煤的煤与瓦斯突出试验平台,利用该试验平台研究石门揭构造软煤过程中煤岩应力的变化规律,同时结合数值模拟分析地应力在石门揭构造软煤诱发煤与瓦斯突出中的作用。结果表明：在石门揭煤过程中巷道前方围岩存在明显的应力集中,使煤体中积聚弹性潜能,增加煤体的瓦斯压力梯度,为突出的准备和孕育提供能量基础;发现地质构造断层附近存在明显的构造应力异常区并与由后期开挖导致的应力集中相互叠加,有利于形成自构造软煤向周围煤层深部扩展的大型突出。     

煤与瓦斯突出过程中温度变化的实验研究

从理论上分析了煤与瓦斯突出过程中温度的变化趋势,并在实验室对其进行了实验验证,认为在煤与瓦斯突出过程中,煤体温度的升高是由地应力破碎煤体使弹性能释放造成的,而温度降低则是由于瓦斯气体解吸和膨胀造成的。其变化是先升高后降低并连续变化的,根据煤体温度变化梯度可以进行瓦斯突出的预测预报。     

多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统研制与应用

 自主研制了多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统,其结构主要包括主体承载支架、试件箱体、快速推拉密封门、伺服加载系统、数据采集系统和其它附属设备等。该系统主要功能包括煤与瓦斯突出灾害模拟和煤矿开采过程中煤岩层应力变化动态模拟,其主要优势体现在：(1) 箱体尺寸大,模拟相似度高,且密封能力强,可完成6.0 MPa气体压力密封;(2) 地应力加载方式复杂,可实现“三向四级”加载,更加接近地下采动影响下的应力分布状态;(3) 最高64路传感器同时监测煤岩体内部参数,可同时采集煤岩体内不同空间位置的温度、应力和气体压力,实现对煤矿动力灾害过程中参数时空变化规律的研究。利用该装置进行一次成功的煤与瓦斯突出模拟试验,分析结果发现突出过程中煤层中温度和瓦斯压力变化都存在时间和空间上的差异性,具体表现为动力效应明显区域瓦斯压力降低快、温度降低量大,所以通过对物理场变化规律的分析可以了解突出时煤层动力效应的时空变化状态,成果对进一步认识煤与瓦斯突出发生的机制有着十分重要的意义。     

煤与瓦斯突出矿区地应力场研究

 (College of Resources and Environment Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin,Liaoning 123000,China)     

煤与瓦斯突出模拟试验台的研制与应用

 为更深层次地探索煤与瓦斯突出机制,在同类突出装置的基础上自主研发了“大型煤与瓦斯突出模拟试验台”,其主要由煤与瓦斯突出模具、快速释放机构、承载框架、电流伺服加载系统、翻转机构、主机支架及附属装置组成。分析后认为该试验台具有如下功能：(1) 利用电流伺服加载系统可对突出煤样施加均布荷载和阶梯形荷载,模拟工作面前方造成突出的局部应力集中现象。(2) 可实现5种不同倾角煤层在不同地应力、不同瓦斯压力下的煤与瓦斯突出模拟试验。(3) 利用泡沫不锈钢隔离煤样与进气孔,实现了对突出煤样的“面充气”功能。(4) 通过快速释放机构,可瞬间打开突出口使突出端突然卸压。(5) 实现了煤与瓦斯突出试验的全过程回放。试验结果表明：有典型的梨形突出孔洞出现,突出的粉煤有明显分选性,且瓦斯压力越大其突出强度越大。所得试验结果与现场突出特征吻合,说明该试验台具有良好的煤与瓦斯突出试验模拟功能。     

基于能量平衡模型的煤与瓦斯突出影响因素的灵敏度分析

 针对煤与瓦斯突出机制尚不明确、影响因素复杂的问题,在对煤与瓦斯突出的阶段特征和能量耗散规律分析的基础上,考虑到煤岩体应力场分布和突出孔洞特征,建立煤与瓦斯突出三维结构模型,并基于该模型引入围岩弹性潜能,并根据突出后煤体的堆积状态和断裂表面能,计算得出移动功和破碎功,从而构建突出能量条件模型和突出强度预测模型,并结合突出案例进行验证。同时在突出能量条件模型基础上,采用Morris筛选法对突出影响因素的灵敏度进行分析。研究结果表明：瓦斯内能是瓦斯突出的最主要能量来源,在突出过程中起主导作用,突出能量条件模型和强度预测模型的分析结果与实际突出案例偏差较小,可作为突出灾害的预测和分析依据;中梁山矿和化处矿的突出案例中,对于突出强度、瓦斯涌出量和突出能量,吨煤瓦斯含量为主导因素,灵敏度最大,其次是瓦斯扩散系数、瓦斯压力和孔隙率,而岩石的相关参数的灵敏度接近0。