基于細觀力學試驗的含瓦斯煤體變形破壞規(guī)律研究.pdf

1、煤與瓦斯突出災害防治是世界各國煤礦生產中面臨的重大難題。從細觀力學試驗出發(fā)，研究含瓦斯煤體的微細觀變形及破壞過程是揭示煤與瓦斯突出機理，探索相應防治措施新的嘗試。本文以含瓦斯煤體為研究對象，以微細觀結構和瓦斯賦存特性分析、實驗系統(tǒng)和試驗方法的研發(fā)為基礎，以宏細觀力學試驗、理論分析和數(shù)值模擬為手段，揭示瓦斯作用下煤體宏-細觀損傷的試驗規(guī)律，建立含瓦斯煤體的動態(tài)損傷預測評價模型和固-氣耦合模型，為進一步全面地研究含瓦斯煤體力學行為，探討新的

2、有效防治煤與瓦斯突出災害的技術途徑奠定理論和技術基礎。通過本文研究，在以下幾方面取得一些進展：
　　 1)進行了突出煤體的微細觀結構特征及瓦斯賦存特性研究?？偨Y了突出煤體孔隙、裂隙的成因、分類及微細觀結構特征，分析了突出煤樣孔隙體積分形維數(shù)的分段性特征以及裂隙分形維數(shù)的自相似性與標度不變性。利用煤體吸附、解吸瓦斯(單相氣體CH4)過程中變形的試驗結果，分析了煤體的吸附變形規(guī)律，建立了煤體變形、膨脹應力與瓦斯壓力的關系方程。通過不

3、同地應力、不同瓦斯壓力以及全應力-應變中的煤體滲透率變化規(guī)律的試驗研究，分析了煤樣滲透率變化規(guī)律，建立了相應的滲透率演化方程。
　　 2)自行研制了含瓦斯煤巖細觀力學實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)可進行不同受力狀態(tài)，不同瓦斯壓力條件下軟弱煤巖的細觀力學試驗，與現(xiàn)有的細觀試驗裝置相比，具有以下特點：可提供單軸、平面應變、三軸(σ2=σ3)三種受力狀態(tài)；試驗測試方法多樣化，可進行試驗過程中的實時顯微圖像觀測和應力-應變、聲發(fā)射信號的采集；具有良好

4、的氣密性和耐爆性，創(chuàng)造具有瓦斯的試驗環(huán)境，使煤與瓦斯突出機制的試驗研究更加接近礦山實際；裝置的結構簡單，成本低，系統(tǒng)可靠性高。初步的試驗結果表明，該試驗裝置為固-氣耦合條件下的相關試驗研究提供新的測試手段，具有較大實用價值。根據(jù)含瓦斯煤巖細觀力學實驗系統(tǒng)的特點，建立了巖石細觀圖像處理系統(tǒng)；為了解決巖石細觀力學試驗中圖像處理過程復雜、質量不高及操作效率低等問題，將LS-SVM的分類方法與數(shù)字圖像處理的閾值分割法相結合，提出了人機結合的巖石

5、細觀結構圖像系統(tǒng)分析方法。
　　 3)開展了不同瓦斯壓力下、不同圍壓下的突出煤體細觀力學試驗研究。分析了煤樣的動態(tài)破裂演化過程以及破壞形式，結果表明，煤樣觀測面的微裂紋損傷演化是一個分形過程，分形維數(shù)可以定量地表示隨應力狀態(tài)的變化引起煤樣損傷破裂的演化規(guī)律。應用巖石斷裂力學的相關理論對在外部應力、孔隙壓力和膨脹應力三者共同作用下的典型裂隙的開裂、擴展條件進行分析，并結合RFPA數(shù)值模擬軟件對含單一裂紋以及典型裂紋系的煤樣破裂過程

6、進行模擬，得到了各條件下煤樣破裂的演化過程，討論了瓦斯在煤體破壞過程中的作用。
　　 4)進行了基于煤樣受載過程的聲發(fā)射試驗的宏細觀力學的對比分析研究。對含瓦斯煤樣損傷破壞過程中聲發(fā)射參數(shù)變化規(guī)律、聲發(fā)射參數(shù)的關聯(lián)性、聲發(fā)射的頻譜特征及分形和混沌特征進行分析。在此基礎上，應用模糊數(shù)學綜合評價方法，基于聲發(fā)射信息建立了煤巖動態(tài)損傷綜合預測評價模型，對煤體損傷破壞過程進行動態(tài)評價，研究結果與應力-應變變化規(guī)律基本一致。
　　

7、 5)采用細觀損傷力學的研究方法，充分考慮含瓦斯煤巖固-氣耦合特點，以Weibull理論框架為基礎，基于Mohr-Coulomb準則建立含瓦斯煤巖細觀統(tǒng)計損傷本構模型，提出了模型參數(shù)的回歸解、基于聲發(fā)射信號的求解方法和基于巖石表面斷裂過程分形維數(shù)等三種模型參數(shù)求解方法。綜合考慮應力場、滲流場和濃度場的耦合作用，在瓦斯運移過程中的擴散方程和滲流方程、含瓦斯煤體的有效應力方程以及應力-滲透率演化方程的基礎上，建立了含瓦斯煤巖固-氣耦合滲流模

8、型，并分析了模型的定解條件。
　　 6)將煤巖固-氣耦合細觀力學分析方法與工程現(xiàn)場相結合，提出了低滲透煤層增透途徑的細觀力學分析方法。應用該方法對深孔控制預裂爆破增透前后的煤體作了微細觀結構測試和現(xiàn)場效果分析，表明深孔控制預裂爆破明顯地改善了煤層的透氣性。基于最小二乘支持向量機的回歸預測和分類方法，建立了采煤工作面瓦斯危險性預測預警模型，應用實例證明該模型預測結果精度高，預警結果可信度高，可作為采煤工作面瓦斯?jié)舛冗B續(xù)預測與危險性