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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。


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