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循环载荷和卸围压下突出煤的力学与渗流特性研究

蔡波  
【摘要】:煤与瓦斯突出是煤矿开采过程中发生的一种极其复杂的动力型灾害事故。其发生的四个阶段:准备阶段、激发阶段、发展阶段、终止阶段均与瓦斯在煤层中的运移规律有关。而渗透率作为瓦斯在煤层中运移难易程度的指标,对研究煤与瓦斯突出煤机理、预测和防治都有重要的意义。本文以天府煤业有限公司三汇一矿K1突出煤层突出现场及重庆能源投资集团松藻煤电公司打通一矿7#煤层所制型煤煤样为研究对象,利用自行研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流系统分别对两种煤样进行三轴压缩渗流、循环载荷和峰前卸围压下的渗透率研究。通过以上系统研究,本文取得了以下研究成果: 1)研究了煤样的变形规律,并分析了围压和瓦斯压力对煤样的峰值强度、弹性模量和变形的影响,得出煤样的峰值强度、弹性模量和变形随围压的增加而增大,随瓦斯压力的增加而减小;峰值强度与围压及瓦斯压力都是一次线性关系,而弹性模量与围压及瓦斯压力则是二次非线性关系。围压对煤样的峰值强度、弹性模量和变形的影响明显大于瓦斯压力的影响,并以4MPa围压为临界,分别建立了两种常规三轴压缩状态下煤样的分段式本构方程。 2)在全应力-应变条件下,分析了围压和瓦斯压力对煤样渗透率的影响,得出它们与渗透率之间都存在幂函数关系;研究了煤样的变形对其渗透率的影响,得出了相关结论;并将全应力-应变过程中渗透率变化分为了五个阶段:压密阶段、线弹性阶段、塑性硬化阶段、应变软化阶段和塑性流动阶段五个阶段。 3)在循环载荷条件下,煤样的应力-应变曲线将形成相应的滞回环,并且滞回环的变化与循环加卸载的次数密切相关,随着循环次数的增加,滞回环的变化趋缓甚至基本不变;煤样的变形和渗透率随循环次数的增加也具有相同的变化趋势,并且渗透率与循环次数之间具有幂函数关系。 4)在卸围压条件下,型煤煤样峰前卸围压过程破坏呈现塑性蠕变的特征;煤样的变形可以分为应变匀速增加阶段、应变加速增加阶段及破坏后阶段;与全应力-应变下渗流相比,峰前卸围压下的渗透率特性有:轴向应力加载、恒定和下降三个阶段;卸围压过程中渗透率与瓦斯压力及围压的变化具有相反的动态趋势;利用了煤样的最大渗透率损害率、渗透率损害率两个重要的参数,分析了瓦斯压力和围压对其的影响。


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