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《山东大学》 2019年
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气体吸附诱发煤体损伤劣化的试验分析与机理研究

李清川  
【摘要】:在国民经济高速发展的今天,煤炭依旧是我国主导能源,2050年仍将占能源消耗的50%以上,如何确保安全、稳定的能源供给是经济持续、健康发展的重要保障。然而随着煤炭开采深度和强度的不断增大,煤岩瓦斯突出地质灾害已成为煤矿普遍关注的安全问题,这种工程灾害是煤岩受应力扰动后变形破裂与吸附瓦斯运移动态演化的耦合作用结果,因此,研究气体吸附对煤岩体的损伤劣化作用机制是探索煤与瓦斯突出机理的基础与必要条件,并且具有十分重大的工程应用价值和社会意义。气体吸附中的煤岩体可被假定为一种非均质的多相复合结构,在受到外力作用以后,随机分布在煤体内部的微缺陷不断变化,形成贯通,逐渐产生宏观裂隙导致结构破坏,与此同时,吸附在煤基质表面的气体分子降低了煤体表面自由能,在宏观层面上表现为加速和促进了煤岩体结构的失稳破坏。气体吸附与应力加载诱发煤体的变形破裂过程是非常复杂的,将煤体视为连续介质,仅从宏观角度运用经典弹塑性力学或断裂损伤力学的方法来描述,与实际不符,难以获得理想的结果,且目前试验手段单一,试验仪器可视化程度较低,导致多相耦合环境中煤体的各项物理力学参数难以获取,进而阻碍了试验研究与理论研究的开展。为此,本文通过自主研发的配套试验系统,采用理论分析与室内试验相结合的方式,基于室内劣化试验结果,从煤体损伤-劣化及裂隙分形等角度分析研究气体吸附与应力加载过程中煤体在宏细观层面上的变形破裂过程和损伤劣化机制。本文的主要研究内容如下:1)基于试验全程可视化监测和气固耦合状态中恒容精确加载等试验理念,采用SolidWorks三维械设计软件与ABAQUS有限元计算校核的形式,研发设计可视化恒容气固耦合试验系统,配合伺服压力机,形成了以可视化恒容试验仪、气体充填模块、轴向加载模块、试件变形监测模块为主体的四大关键功能模块。详细阐述了系统构成、功能特点、密封方案与关键参数,并开展了相关应用,验证了系统功能指标,为后续试验研究提供科学试验仪器;为精确获取和深入研究煤岩体标准试件在气体吸附和全应力应变过程中环向变形规律与峰后扩容力学特性,借鉴MTS(Mechanics Test Systems)链式环向引伸计,基于角度测量原理的试件环向变形测试方法,研发基于角度量测的圆柱试件环向变形测试系统,阐明了测试方法原理,推导建立了针对该系统的环向变形计算方程,为耦合加载过程中煤岩体的变形监测提供可行性监测方案和硬件支持;2)为定量研究气体吸附对煤体的损伤劣化作用规律,探索其劣化机制,制作强度可调的型煤标准试件,利用所研发的试验系统,开展了气体吸附诱发煤体损伤劣化的系列室内试验,监测与分析煤体在气固耦合与动静载荷条件下的煤体强度、变形和裂隙发育等宏观试验参数,系统模拟和研究不同吸附条件与应力加载条件对煤体的损伤劣化影响,试验结果表明:气体吸附含量的增加是导致煤体强度降低、体积扩容及促使裂隙进一步扩展的关键因素;3)从宏观层面,基于表面物理化学理论和摩尔-库仑强度破坏准则对煤体强度劣化作用进行力学分析,得到煤体强度、变形量受吸附平衡压力和吸附量的影响关系;从细观层面,利用连续介质损伤力学方法探索其强度劣化诱因与损伤劣化机制,重点探讨气体吸附与荷载作用中煤体损伤本构关系,建立损伤演化方程并实例验证了正确性;4)结合室内劣化试验结果,基于分形理论与MATLAB软件编程提取试验过程加载图像,获取煤体在峰后应力阶段宏观裂隙发育扩展与演化特征,计算得到煤体各应力阶段的裂隙密度、分形维数;基于PFC计算原理,结合劣化试验参数对气体吸附与应力加载过程中煤体裂隙演化特征进行数值仿真验证试验,根据试验结果反演了颗粒离散元PFC中本构方程的关键参数,通过各参数的定量弱化来模拟气体吸附与加载过程中煤体劣化,从颗粒离散元的角度实现了对宏观变量如强度、变形及裂隙扩展程度的模拟分析。研究内容为对于深入认识含瓦斯煤体物理力学特性和煤与瓦斯突出机理等工程问题具有非常重要的借鉴意义。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TD82

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