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《重庆大学》 2009年
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基于细观力学试验的含瓦斯煤体变形破坏规律研究

刘延保  
【摘要】:煤与瓦斯突出灾害防治是世界各国煤矿生产中面临的重大难题。从细观力学试验出发,研究含瓦斯煤体的微细观变形及破坏过程是揭示煤与瓦斯突出机理,探索相应防治措施新的尝试。本文以含瓦斯煤体为研究对象,以微细观结构和瓦斯赋存特性分析、实验系统和试验方法的研发为基础,以宏细观力学试验、理论分析和数值模拟为手段,揭示瓦斯作用下煤体宏-细观损伤的试验规律,建立含瓦斯煤体的动态损伤预测评价模型和固-气耦合模型,为进一步全面地研究含瓦斯煤体力学行为,探讨新的有效防治煤与瓦斯突出灾害的技术途径奠定理论和技术基础。通过本文研究,在以下几方面取得一些进展: 1)进行了突出煤体的微细观结构特征及瓦斯赋存特性研究。总结了突出煤体孔隙、裂隙的成因、分类及微细观结构特征,分析了突出煤样孔隙体积分形维数的分段性特征以及裂隙分形维数的自相似性与标度不变性。利用煤体吸附、解吸瓦斯(单相气体CH4)过程中变形的试验结果,分析了煤体的吸附变形规律,建立了煤体变形、膨胀应力与瓦斯压力的关系方程。通过不同地应力、不同瓦斯压力以及全应力-应变中的煤体渗透率变化规律的试验研究,分析了煤样渗透率变化规律,建立了相应的渗透率演化方程。 2)自行研制了含瓦斯煤岩细观力学实验系统。该系统可进行不同受力状态,不同瓦斯压力条件下软弱煤岩的细观力学试验,与现有的细观试验装置相比,具有以下特点:可提供单轴、平面应变、三轴(σ2 =σ3)三种受力状态;试验测试方法多样化,可进行试验过程中的实时显微图像观测和应力–应变、声发射信号的采集;具有良好的气密性和耐爆性,创造具有瓦斯的试验环境,使煤与瓦斯突出机制的试验研究更加接近矿山实际;装置的结构简单,成本低,系统可靠性高。初步的试验结果表明,该试验装置为固–气耦合条件下的相关试验研究提供新的测试手段,具有较大实用价值。根据含瓦斯煤岩细观力学实验系统的特点,建立了岩石细观图像处理系统;为了解决岩石细观力学试验中图像处理过程复杂、质量不高及操作效率低等问题,将LS-SVM的分类方法与数字图像处理的阈值分割法相结合,提出了人机结合的岩石细观结构图像系统分析方法。 3)开展了不同瓦斯压力下、不同围压下的突出煤体细观力学试验研究。分析了煤样的动态破裂演化过程以及破坏形式,结果表明,煤样观测面的微裂纹损伤演化是一个分形过程,分形维数可以定量地表示随应力状态的变化引起煤样损伤破裂的演化规律。应用岩石断裂力学的相关理论对在外部应力、孔隙压力和膨胀应力三者共同作用下的典型裂隙的开裂、扩展条件进行分析,并结合RFPA数值模拟软件对含单一裂纹以及典型裂纹系的煤样破裂过程进行模拟,得到了各条件下煤样破裂的演化过程,讨论了瓦斯在煤体破坏过程中的作用。 4)进行了基于煤样受载过程的声发射试验的宏细观力学的对比分析研究。对含瓦斯煤样损伤破坏过程中声发射参数变化规律、声发射参数的关联性、声发射的频谱特征及分形和混沌特征进行分析。在此基础上,应用模糊数学综合评价方法,基于声发射信息建立了煤岩动态损伤综合预测评价模型,对煤体损伤破坏过程进行动态评价,研究结果与应力-应变变化规律基本一致。 5)采用细观损伤力学的研究方法,充分考虑含瓦斯煤岩固-气耦合特点,以Weibull理论框架为基础,基于Mohr-Coulomb准则建立含瓦斯煤岩细观统计损伤本构模型,提出了模型参数的回归解、基于声发射信号的求解方法和基于岩石表面断裂过程分形维数等三种模型参数求解方法。综合考虑应力场、渗流场和浓度场的耦合作用,在瓦斯运移过程中的扩散方程和渗流方程、含瓦斯煤体的有效应力方程以及应力-渗透率演化方程的基础上,建立了含瓦斯煤岩固-气耦合渗流模型,并分析了模型的定解条件。 6)将煤岩固-气耦合细观力学分析方法与工程现场相结合,提出了低渗透煤层增透途径的细观力学分析方法。应用该方法对深孔控制预裂爆破增透前后的煤体作了微细观结构测试和现场效果分析,表明深孔控制预裂爆破明显地改善了煤层的透气性。基于最小二乘支持向量机的回归预测和分类方法,建立了采煤工作面瓦斯危险性预测预警模型,应用实例证明该模型预测结果精度高,预警结果可信度高,可作为采煤工作面瓦斯浓度连续预测与危险性预警的有效建模手段。
【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】:TD713.1

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【引证文献】
中国期刊全文数据库 前3条
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中国博士学位论文全文数据库 前6条
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中国硕士学位论文全文数据库 前7条
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4 李毅;原煤、型煤吸附—解吸变形规律对比研究[D];重庆大学;2012年
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【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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6 李月;刘立;李玉梅;张中兴;梁伟;;地基层状岩石纵波波速与密度相关性试验研究[J];四川建筑科学研究;2009年01期
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2 周新良;罗文柯;刘寿兰;陈小辉;;顺层长钻孔抽采瓦斯抽采半径数值法与钻孔负压法的对比分析研究[A];中国职业安全健康协会2011年学术年会论文集[C];2011年
3 常宝华;熊伟;高树生;刘华勋;张静楠;;大尺度缝洞型油藏弹性开采特征实验研究[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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5 唐明云;施安峰;贾江涛;吴斌;王晓宏;;考虑轻油组分的SAGD过程热采稠油数值研究[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 罗建新;张烈辉;赵玉龙;刘启国;;线性复合油气藏试井解释模型及典型曲线分析[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 杨锋;王新海;刘洪;;井钻遇溶洞油藏试井解释方法[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
8 刘华林;熊伟;高树生;;矩形五点井网稳定注采压力系统的建立[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
9 李道伦;杨景海;查文舒;;数值试井若干关键技术研究[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
10 李相臣;康毅力;;高煤阶与低煤阶煤岩气藏气体传质行为研究[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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1 魏风清;煤与瓦斯突出的物理爆炸模型及预测指标研究[D];河南理工大学;2010年
2 杨宏民;井下注气驱替煤层甲烷机理及规律研究[D];河南理工大学;2010年
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
5 赵同彬;深部岩石蠕变特性试验及锚固围岩变形机理研究[D];山东科技大学;2009年
6 陈绍杰;深部条带煤柱长期稳定性基础实验研究[D];山东科技大学;2009年
7 王桂芳;铝柱撑蒙脱石的制备、结构及其吸附性能研究[D];山东科技大学;2010年
8 李伟;深部巷道围岩稳定性安全控制原理与应用研究[D];山东科技大学;2010年
9 张杏莉;几何约束求解关键问题研究[D];山东科技大学;2010年
10 杨莉;基于可持续发展的我国电源结构优化研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 曾传华;基于颜色和纹理特征的竹条分级方法研究[D];华中农业大学;2010年
2 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
3 曹卫斌;五阳矿井瓦斯地质规律与瓦斯预测[D];河南理工大学;2010年
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5 王利强;突出煤层水力径向压裂石门快速揭煤技术研究及应用[D];河南理工大学;2010年
6 杨文旺;七星矿井瓦斯地质规律与瓦斯预测[D];河南理工大学;2010年
7 赵萌;长虹井田瓦斯地质规律及区域突出危险性预测[D];河南理工大学;2010年
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9 陈建伟;松软煤层回采工作面前方煤体应力分布及位移变化特征[D];河南理工大学;2010年
10 姚春雨;黄陵二号煤矿综采工作面采空区瓦斯流动规律数值模拟研究[D];河南理工大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 刘保县;赵宝云;姜永东;;单轴压缩煤岩变形损伤及声发射特性研究[J];地下空间与工程学报;2007年04期
2 胡昱;叶源新;刘光廷;李鹏辉;;多轴应力作用下砂砾岩单裂隙渗流规律试验研究[J];地下空间与工程学报;2007年06期
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中国重要会议论文全文数据库 前4条
1 朱可善;刘东燕;张永兴;;有边裂纹砂岩的压剪断裂试验研究[A];中国岩石力学与工程学会第三次大会论文集[C];1994年
2 侯忠杰;;层状矿床采场垮落带老顶与裂隙带老顶的判别[A];岩石力学新进展与西部开发中的岩土工程问题——中国岩石力学与工程学会第七次学术大会论文集[C];2002年
3 何满潮;;深部开采工程岩石力学现状及其展望[A];第八次全国岩石力学与工程学术大会论文集[C];2004年
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 赵扬锋;煤岩变形破裂电荷感应规律的研究[D];辽宁工程技术大学;2010年
2 刘超;采动煤岩瓦斯动力灾害致灾机理及微震预警方法研究[D];大连理工大学;2011年
3 邵太升;黄沙矿上保护层开采卸压释放作用研究[D];中国矿业大学(北京);2011年
4 徐乃忠;低透气性富含瓦斯煤层群卸压开采机理及应用研究[D];中国矿业大学(北京);2011年
5 王磊;应力场和瓦斯场采动耦合效应研究[D];安徽理工大学;2010年
6 王振;煤岩瓦斯动力灾害新的分类及诱发转化条件研究[D];重庆大学;2010年
7 牛双建;深部巷道围岩强度衰减规律研究[D];中国矿业大学;2011年
8 张华磊;采场底板应力传播规律及其对底板巷道稳定性影响研究[D];中国矿业大学;2011年
9 黄伟;基于流固耦合动力学的矿压显现与瓦斯涌出相关性分析[D];中国矿业大学;2011年
10 孙维吉;煤渗透和吸附变形规律实验研究[D];辽宁工程技术大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 孟磊;煤电性参数的实验研究[D];河南理工大学;2010年
2 敬复兴;峰峰矿区2号煤层瓦斯赋存规律及主控因素研究[D];河南理工大学;2010年
3 王卫超;煤体中爆炸应力波及爆破作用的试验研究[D];河南理工大学;2010年
4 李成伟;坚硬顶板采场瓦斯涌出与周期来压关系研究[D];河南理工大学;2011年
5 金怀涛;采场底板变形特征及底板巷道围岩控制研究[D];安徽理工大学;2011年
6 高明松;上保护层开采煤岩变形与卸压瓦斯抽采技术研究[D];安徽理工大学;2011年
7 黄振华;缓倾斜多煤层下保护层开采的卸压瓦斯抽采设计研究[D];重庆大学;2011年
8 于德海;云锡松矿缓倾斜中厚氧化矿体采场开采优化研究[D];昆明理工大学;2002年
9 林海飞;采动裂隙椭抛带中瓦斯运移规律及其应用分析[D];西安科技大学;2004年
10 毕业武;保护层开采对煤层渗透特性影响规律的研究[D];辽宁工程技术大学;2005年
【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 刘延保;金洪伟;王波;;煤岩体吸附、解吸瓦斯过程中动态变形特性的研究进展[J];辽宁工程技术大学学报(自然科学版);2012年05期
2 张志刚;;煤粒中瓦斯时变扩散规律的解析研究[J];煤矿开采;2012年02期
3 马衍坤;王恩元;李忠辉;刘杰;杜泽生;;煤体瓦斯吸附渗流过程及声发射特性实验研究[J];煤炭学报;2012年04期
4 郭平;曹树刚;张遵国;李毅;刘延保;李勇;;含瓦斯煤体固气耦合数学模型及数值模拟[J];煤炭学报;2012年S2期
5 刘星光;高峰;张志镇;邢燕;李玺茹;;考虑损伤的含瓦斯煤有效应力方程[J];科技导报;2013年03期
6 梁冰;于洪雯;孙维吉;石迎爽;;煤低压吸附瓦斯变形试验[J];煤炭学报;2013年03期
7 陈鹏;王恩元;朱亚飞;;受载煤体电阻率变化规律的实验研究[J];煤炭学报;2013年04期
8 曹树刚;张遵国;李毅;郭平;刘延保;;突出危险煤吸附、解吸瓦斯变形特性试验研究[J];煤炭学报;2013年10期
9 刘永杰;李忠辉;宋大钊;李学龙;苏飞;景林波;;煤体吸附瓦斯过程表面电位特征实验研究[J];煤炭学报;2013年11期
10 翟盛锐;;考虑孔隙瓦斯劣化作用的煤岩损伤本构模型[J];中国安全生产科学技术;2014年02期
中国博士学位论文全文数据库 前5条
1 孙维吉;煤渗透和吸附变形规律实验研究[D];辽宁工程技术大学;2011年
2 孟磊;含瓦斯煤体损伤破坏特征及瓦斯运移规律研究[D];中国矿业大学(北京);2013年
3 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
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5 洛锋;基于采场应力—裂隙时空差异性的煤岩体瓦斯运移规律研究[D];重庆大学;2014年
中国硕士学位论文全文数据库 前5条
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【二级参考文献】
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中国博士学位论文全文数据库 前1条
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【相似文献】
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
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8 朱琼;白春华;;瓦斯和煤尘浓度对混合物爆炸超压影响规律的数值模拟研究[A];中国职业安全健康协会2011年学术年会论文集[C];2011年
9 巩和一;;合理利用煤层气,有效降低温室气体排放[A];第十三届中国科协年会第7分会场-实现“2020年单位GDP二氧化碳排放强度下降40-45%”的途径研讨会论文集[C];2011年
10 李琨;王晓东;刘会景;张云生;苗琦;;瓦斯“冒大数”及其神经网络滤波器的研究[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 记者 田锦凡;贵州:煤矿瓦斯浓度达3%以上须告知分管副县长[N];贵州政协报;2010年
2 记者 郭东;冀中能源张矿集团宣东矿近六成瓦斯实现抽采发电[N];河北日报;2011年
3 本报记者 徐俊华 周迎久;瓦斯经氧化废物变资源[N];中国环境报;2011年
4 晋煤集团董事长、党委书记 武华太;探寻瓦斯治本之策 开发利用新型能源[N];山西日报;2011年
5 本报记者 许继楠;有感于英国采矿零死亡率[N];中国计算机报;2010年
6 万水平;让“第一杀手”为企业创利[N];中国矿业报;2010年
7 本报记者 常素莉 通讯员 薛喜忠 李志方;“恶源”经氧化 废物变资源[N];河北经济日报;2011年
8 见习记者 屈一平 柴志伟;隐患重重的国有煤矿[N];中国经济时报;2009年
9 记者 杨沛洁;国家“九七三计划”一项目落户中平能化[N];平顶山日报;2011年
10 记者 刘效金 通讯员 刘金凤;上半年鹤煤九矿地面瓦斯浓度抽放突破30% 为我市首家[N];鹤壁日报;2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 董丁稳;基于安全监控系统实测数据的瓦斯浓度预测预警研究[D];西安科技大学;2012年
2 陈向军;外加水分对煤的瓦斯解吸动力学特性影响研究[D];中国矿业大学;2013年
3 罗维;双重孔隙结构煤体瓦斯解吸流动规律研究[D];中国矿业大学(北京);2013年
4 刘纪坤;煤体瓦斯吸附解吸过程热效应实验研究[D];中国矿业大学(北京);2012年
5 李建楼;声波作用下煤体瓦斯解吸与放散特征研究[D];安徽理工大学;2010年
6 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
7 王晟;无线传感网络节点定位与覆盖控制理论及技术研究[D];武汉理工大学;2006年
8 胡维嘉;突出瓦斯—粉煤流冲击动力效应的理论和实验研究[D];中国矿业大学(北京);2013年
9 宁齐元;分叉突出煤层上保护层开采保护特性研究[D];中国地质大学;2012年
10 张鹏;采动影响下煤体内瓦斯运移规律实验与理论研究[D];中国矿业大学(北京);2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 管玲玲;基于蓝光平台的瓦斯浓度分析的研究与实现[D];山东科技大学;2011年
2 杨静;矿用瓦斯浓度检测系统的研究与设计[D];西安工业大学;2014年
3 张燕朋;低渗煤层注气抽采瓦斯数值模拟研究[D];河南理工大学;2011年
4 闫磊;腾晖煤矿201工作面钻孔瓦斯抽采参数数值模拟及应用[D];辽宁工程技术大学;2012年
5 孙锐;泥浆介质非等压条件下煤芯瓦斯解吸规律研究[D];河南理工大学;2010年
6 邢利铭;掘进巷道煤岩瓦斯流固耦合效应数值模拟研究[D];辽宁工程技术大学;2009年
7 赵国飞;无烟煤瓦斯解吸的块度效应及其电化学作用效果研究[D];太原理工大学;2013年
8 陈赞;基于RBF神经网络的瓦斯测值分析及预测应用研究[D];西安科技大学;2013年
9 余鑫;地铁隧道瓦斯光纤传感检测系统的研制[D];武汉理工大学;2010年
10 赵勇;煤吸附/解吸瓦斯的低频振动特性试验研究[D];西安科技大学;2011年
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