石門揭煤過(guò)程中圍巖的力學(xué)特征數(shù)值模擬.pdf

1、石門揭煤過(guò)程中圍巖的力學(xué)特征，是一個(gè)及其復(fù)雜和富有挑戰(zhàn)性的研究課題，是力學(xué)、材料和工程等學(xué)科的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。在石門揭煤過(guò)程中，由含瓦斯煤巖破壞而導(dǎo)致的煤與瓦斯突出，是煤炭開采過(guò)程中一種復(fù)雜的工程誘發(fā)災(zāi)害，是保證煤礦安全正常生產(chǎn)和礦業(yè)發(fā)展亟待解決的重大問(wèn)題之一。因此，作為含瓦斯煤巖突出機(jī)理研究的理論基礎(chǔ)，研究巷道圍巖的力學(xué)特征，研究含瓦斯煤巖破裂過(guò)程中瓦斯氣體與煤巖固體的耦合作用機(jī)理，對(duì)于人們進(jìn)一步深入認(rèn)識(shí)石門揭煤過(guò)程中含瓦斯煤巖的

2、突出機(jī)理并進(jìn)而采取相應(yīng)的防治措施具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試作為研究含瓦斯煤巖破壞過(guò)程最為直接的手段，對(duì)其破壞過(guò)程方面研究的發(fā)展起了決定性作用。然而，由于受人力、物力、財(cái)力和安全等因素的制約，含瓦斯煤巖的破壞試驗(yàn)，滲流演化試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作往往受到限制。理論解析通過(guò)對(duì)材料進(jìn)行簡(jiǎn)化，運(yùn)用數(shù)學(xué)和力學(xué)等研究方法，對(duì)其破壞過(guò)程的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系，透氣性與壓力關(guān)系及誘發(fā)的聲發(fā)射等進(jìn)行解析，為研究含瓦斯煤巖的力學(xué)特

3、征提供了重要途徑。然而，限于目前數(shù)學(xué)、力學(xué)等的發(fā)展水平，解析方法還難以解析煤巖材料內(nèi)部微破裂之間以及煤巖破裂過(guò)程中瓦斯氣體與煤巖固體的耦合作用問(wèn)題。數(shù)值方法為研究含瓦斯煤巖的破壞過(guò)程提供了重要手段?；诿簬r材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征和細(xì)觀基元的本構(gòu)關(guān)系，將統(tǒng)計(jì)隨機(jī)分布理論和計(jì)算力學(xué)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)石門揭煤過(guò)程中圍巖的力學(xué)特征分析；細(xì)觀損傷力學(xué)由于對(duì)材料的“損傷”賦予了真實(shí)的幾何形象和具有力學(xué)意義的損傷演化方程，為研究石門揭煤過(guò)程中圍巖力學(xué)特征提

4、供了力學(xué)理論基礎(chǔ)；而煤層瓦斯?jié)B流力學(xué)理論的迅猛發(fā)展又可實(shí)現(xiàn)對(duì)煤巖變形破裂過(guò)程中煤層瓦斯流動(dòng)的仿真模擬。此外，計(jì)算機(jī)硬件及計(jì)算力學(xué)的飛速發(fā)展，為從細(xì)觀結(jié)構(gòu)層次上研究研究石門揭煤過(guò)程中圍巖力學(xué)特征提供了強(qiáng)有力的數(shù)值計(jì)算工具。 因此，本文首先從煤巖材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)和滲流特征出發(fā)，采用Weibull隨機(jī)統(tǒng)計(jì)分布理論引入材料的非均勻性，提出了細(xì)觀基元的彈性損傷本構(gòu)關(guān)系，同時(shí)，考慮煤巖損傷演化過(guò)程中透氣性的變化，引入煤巖透氣系數(shù)一應(yīng)力作用方程

5、，在此基礎(chǔ)上，考慮煤巖損傷過(guò)程的時(shí)間因素影響，引入細(xì)觀基元蠕變損傷本構(gòu)方程，分析石門向煤層步步推進(jìn)時(shí)的地應(yīng)力、瓦斯壓力以及煤巖力學(xué)性質(zhì)等綜合作用下誘發(fā)煤巖突出破裂過(guò)程中應(yīng)力場(chǎng)、變形場(chǎng)和聲發(fā)射的演化過(guò)程。 其次，應(yīng)用巖石破裂固氣耦合RFPA<'2D>-Flow數(shù)值系統(tǒng)對(duì)石門揭煤誘發(fā)的煤與瓦斯突出從裂紋誘發(fā)、擴(kuò)展、貫通到拋出的突出全過(guò)程進(jìn)行了系統(tǒng)的模擬研究，分析了地應(yīng)力、瓦斯壓力以及煤巖力學(xué)性質(zhì)等綜合作用下誘發(fā)煤巖突出破裂過(guò)程中應(yīng)力