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《重庆大学》 2009年
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含瓦斯煤岩本构模型与失稳规律研究

王登科  
【摘要】: 我国是世界上煤与瓦斯突出最严重的国家之一。近年来,随着开采深度的增加、瓦斯压力的增大和开采条件的日趋复杂,煤与瓦斯突出发生的强度及造成的伤亡不断增长,煤与瓦斯突出的预测和防治工作形势十分严峻。煤与瓦斯突出机理的综合作用假说表明,煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯压力和煤岩的物理力学性质三者的综合作用结果。在煤与瓦斯突出过程中,主要是含瓦斯煤岩的力学性质、蠕变特性以及渗透特性对突出的发生和发展在起作用。因此研究与这些内容相关的含瓦斯煤岩的本构模型及破坏准则,对进一步揭示煤与瓦斯突出机理和防治煤与瓦斯突出有着十分重要的作用。本文基于前人的研究成果,利用实验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法,旨在建立符合含瓦斯煤岩特性的本构模型和失稳准则,并利用实验结果对之进行验证。本文的主要研究成果如下: ①利用自主研制的含瓦斯煤岩三轴蠕变瓦斯渗透装置与材料试验机组成的实验系统,对含瓦斯煤岩的力学性质、蠕变特性和渗透特性进行了系统深入的实验研究。在含瓦斯煤岩力学性质的实验研究中,分析了围压和瓦斯压力对含瓦斯煤岩变形特性和抗压强度的影响,得出了相关规律;分析总结出了含瓦斯煤岩三轴压缩下的破坏形式。在含瓦斯煤岩蠕变特性的实验研究中,根据实验结果总结出了含瓦斯煤岩蠕变规律;详细分析了含瓦斯煤岩衰减蠕变阶段和稳态蠕变阶段的蠕变变形和蠕变速率,得到了偏斜应力、围压和瓦斯压力三者对蠕变速率的影响规律;分析总结出了含瓦斯煤岩加速蠕变阶段的启动条件及该阶段的蠕变速率特征。在含瓦斯煤岩渗透特性的实验研究中,根据实验结果总结出了围压和瓦斯压力对含瓦斯煤岩渗透率的影响规律,分析了Klinkenberg效应和应力-应变全过程对含瓦斯煤岩渗透率影响,并得出了一些有价值的分析结果。 ②基于实验结果,利用模型辨识方法得到了描述含瓦斯煤岩粘弹性流变特性的最适合流变模型为伯格斯体;提出了一种能反映含瓦斯煤岩加速蠕变的改进的粘弹塑性模型,将之与伯格斯体一起组成了一维含瓦斯煤岩的非线性粘弹塑性流变模型,进而推导得出了含瓦斯煤岩三维非线性粘弹塑性流变模型,并利用实验结果进行了验证;利用常微分解的稳定性理论,对含瓦斯煤岩非线性粘弹塑性流变模型进行了稳定性分析,得到了含瓦斯煤岩的流变失稳条件。 ③在不可逆热力学框架内,利用连续介质损伤力学方法建立了用以描述含瓦斯煤岩的弹塑性变形、瓦斯吸附效应、体积膨胀、围压敏感、弹性模量的退化、各向异性损伤、应变强化及软化、非关联塑性流动等物理现象及力学行为的弹塑性耦合损伤本构模型,并对之进行了实验验证。 ④在多孔介质有效应力原理中引入了煤岩吸附瓦斯的膨胀应力,建立了含瓦斯煤岩的固气耦合动态模型,该模型不但考虑了含瓦斯煤岩在变形过程中孔隙度和渗透率的动态变化特征,而且还反映了瓦斯气体可压缩性和煤岩骨架可变形的特点,从而更真实全面地反映了含瓦斯煤岩的固气耦合效应;利用COMSOL-Multiphysics有限元软件根据所提出的含瓦斯煤岩的固气耦合本构模型建立了有限元模型,得到了含瓦斯煤岩固气耦合动态模型的数值解,同时还分析了Klinkenberg效应对含瓦斯煤岩渗透率的影响。 ⑤利用初等突变理论建立了基于试验机-试样分析系统的含瓦斯煤岩蠕变破坏的尖点突变失稳模型,得出三轴压缩条件下含瓦斯煤岩蠕变失稳破坏条件。 ⑥在总结国内外关于岩石类材料的强度准则及实验结果基础上,提出了一种符合含瓦斯煤岩三轴应力条件下变形的强度判据,该判据不但能描述三轴压缩下中间主应力的影响及含瓦斯煤岩非线性应变强化特征,而且还可以描述含瓦斯煤岩的拉伸破坏。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TD713

【引证文献】
中国期刊全文数据库 前9条
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中国博士学位论文全文数据库 前8条
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中国硕士学位论文全文数据库 前4条
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【参考文献】
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中国博士学位论文全文数据库 前1条
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【共引文献】
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
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5 张丽萍;;考虑吸附变形的煤层气流固热耦合数学模型及数值模拟[A];渗流力学与工程的创新与实践——第十一届全国渗流力学学术大会论文集[C];2011年
6 梁冰;陈天宇;孙维吉;;复杂地质条件煤层气藏井间干扰对井网布置的影响[A];渗流力学与工程的创新与实践——第十一届全国渗流力学学术大会论文集[C];2011年
7 雷晓;邓建强;;海底地层内CO_2渗流与水合耦合现象初步研究——热-流-固耦合数学模型[A];渗流力学与工程的创新与实践——第十一届全国渗流力学学术大会论文集[C];2011年
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10 张志毅;孟海利;杨年华;薛里;;爆炸加固软土地基机理的试验研究[A];中国力学学会工程爆破专业委员会《2011全国爆破理论研讨会》论文选编[C];2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
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3 袁东升;近距离保护层开采多场演化及安全岩柱研究[D];河南理工大学;2010年
4 黄西成;内爆与外爆加载下壳体的力学状态及破坏模式分析[D];中国工程物理研究院;2010年
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8 戚增坤;突变控制机制及其在船舶非线性横摇运动中的应用研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 郭柯;陶二井田瓦斯地质规律研究与瓦斯预测[D];河南理工大学;2010年
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【同被引文献】
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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2 朱卓慧;冯涛;谢东海;李石林;;不同应力路径下含瓦斯煤渗透特性的实验研究[J];采矿与安全工程学报;2012年04期
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7 吴学松;邓广哲;;煤体渗透性试验研究[J];煤矿安全;2013年06期
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10 刘英振;刘彦伟;郝天轩;;水力冲孔掩护煤巷掘进技术研究与应用[J];煤炭科学技术;2013年11期
中国博士学位论文全文数据库 前6条
1 邓涛;含瓦斯煤岩卸围压实验及上解放层解放范围的研究[D];重庆大学;2012年
2 李波;受载含瓦斯煤渗流特性及其应用研究[D];中国矿业大学(北京);2013年
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中国硕士学位论文全文数据库 前6条
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10 А.В.聂恰耶夫 ,安志雄;煤与瓦斯突出及其他瓦斯动力现象的征兆[J];煤矿安全;1989年09期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 黄运飞;孙广忠;姚宝魁;;煤-瓦斯介质力学概论[A];第四届全国工程地质大会论文选集(二)[C];1992年
2 崔洪庆;朱加锋;;发挥瓦斯抽采钻孔地质勘查作用的意义和原则[A];瓦斯地质基础与应用研究[C];2011年
3 张许良;彭苏萍;;地质测井法预测瓦斯突出研究[A];瓦斯地质研究与应用——中国煤炭学会瓦斯地质专业委员会第三次全国瓦斯地质学术研讨会[C];2003年
4 罗末忠;付鉴源;;构造发育是英岗岭矿区瓦斯突出的主要因素[A];瓦斯地质研究与应用——中国煤炭学会瓦斯地质专业委员会第三次全国瓦斯地质学术研讨会[C];2003年
5 张慧;李贵红;龙威成;;地质勘查阶段查明瓦斯突出三要素的途径与方法[A];煤矿瓦斯抽采与利用新技术研讨会论文集[C];2009年
6 朱铭;周瑞光;尹代勋;成彬芳;张福松;刘强;罗信华;;煤层应力变化与He、Ar发射关系[A];中国科学院地质与地球物理研究所2002学术论文摘要汇编[C];2002年
7 吕绍林;;地球物理方法预测瓦斯突出研究综述[A];瓦斯地质新进展[C];2001年
8 梁海平;张小平;;30201回采工作面瓦斯突出成因及防范措施[A];山西省上半年煤炭经济运行分析会论文集[C];2004年
9 曹建军;马益民;;深井煤岩瓦斯动力灾害发生机理及规律浅析[A];全国煤矿井下安全避险及瓦斯治理技术理论与实践[C];2011年
10 张建国;;MJY-1型煤与瓦斯突出监测预报系统研制[A];西部大开发 科教先行与可持续发展——中国科协2000年学术年会文集[C];2000年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 通讯员葛福杰 记者刘宏;云煤一矿力遏瓦斯突出[N];中国煤炭报;2011年
2 记者 龚砚庆 通讯员 王强;郑煤成立区域瓦斯实验室[N];河南日报;2010年
3 本报记者 程真 通讯员 徐春浩;他们找到了降服瓦斯的“金钥匙”[N];中国能源报;2010年
4 郭维新;潞安集团五阳矿瓦斯抽采钻探进尺创纪录[N];中国矿业报;2010年
5 通讯员 任志清 本报记者 张富江;瓦斯重灾户瞄准零超限[N];中国煤炭报;2011年
6 本报记者 庞舒月 丰硕;手握两把利刃 根治瓦斯突出[N];中国煤炭报;2009年
7 CBN记者 孙书博 高永钰;鹤岗矿难瓦斯突出现场:威力就像原子弹爆炸[N];第一财经日报;2009年
8 王法舰;瓦斯发电“水”到为何“渠”难成[N];消费日报;2005年
9 李伟锋;集中整治煤矿瓦斯突出[N];湖南日报;2007年
10 记者 武珍;山西科技资金重点支持新型瓦斯传感器研发[N];人民政协报;2007年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 李晓泉;含瓦斯煤力学特性及煤与瓦斯延期突出机理研究[D];重庆大学;2010年
2 孔令东;基于模糊Petri网的瓦斯突出空间预测模型研究[D];中国矿业大学;2011年
3 王光德;中小型煤矿氡监测等关键技术研究[D];成都理工大学;2011年
4 段东;煤与瓦斯突出影响因素及微震前兆分析[D];东北大学 ;2009年
5 宋记锋;信息获取与应用的若干关键技术研究[D];中国科学技术大学;2008年
6 刘高峰;高温高压三相介质煤吸附瓦斯机理与吸附模型[D];河南理工大学;2011年
7 刘星光;含瓦斯煤变形破坏特征及渗透行为研究[D];中国矿业大学;2013年
8 翟盛锐;孔隙气体对煤岩的蚀损规律及煤岩电磁辐射效应研究[D];中国矿业大学(北京);2012年
9 郝志勇;材料复合技术及其在钻孔密封中的应用研究[D];中国矿业大学;2010年
10 李刚;瓦斯浓度的分形分析与混沌预测模型研究[D];中国矿业大学(北京);2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 郑仰发;构造应力场及其对瓦斯突出的影响研究[D];沈阳大学;2011年
2 李宏;环境温度对颗粒煤瓦斯解吸规律的影响实验研究[D];河南理工大学;2011年
3 龙威成;基于多源瓦斯数据融合的鹤壁八矿瓦斯赋存规律研究[D];河南理工大学;2007年
4 王海冰;井下瓦斯防突含量测定系统及实验研究[D];北京化工大学;2012年
5 刘亮亮;基于声发射法的煤与瓦斯突出预测研究[D];辽宁工程技术大学;2013年
6 杨永生;低透气性松软煤层瓦斯抽采技术研究[D];辽宁工程技术大学;2012年
7 温志辉;构造煤瓦斯解吸规律的实验研究[D];河南理工大学;2008年
8 史利燕;鄂尔多斯盆地南缘地质构造对瓦斯的控制作用[D];西安科技大学;2013年
9 陈攀;水分对构造煤瓦斯解吸规律影响的实验研究[D];河南理工大学;2010年
10 田富超;寺河矿西井区3号煤层瓦斯突出预测指标研究[D];河南理工大学;2010年
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