基于細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)的含瓦斯煤體變形破壞規(guī)律研究.pdf

1、煤與瓦斯突出災(zāi)害防治是世界各國(guó)煤礦生產(chǎn)中面臨的重大難題。從細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)出發(fā)，研究含瓦斯煤體的微細(xì)觀變形及破壞過(guò)程是揭示煤與瓦斯突出機(jī)理，探索相應(yīng)防治措施新的嘗試。本文以含瓦斯煤體為研究對(duì)象，以微細(xì)觀結(jié)構(gòu)和瓦斯賦存特性分析、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)方法的研發(fā)為基礎(chǔ)，以宏細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬為手段，揭示瓦斯作用下煤體宏-細(xì)觀損傷的試驗(yàn)規(guī)律，建立含瓦斯煤體的動(dòng)態(tài)損傷預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)模型和固-氣耦合模型，為進(jìn)一步全面地研究含瓦斯煤體力學(xué)行為，探討新的

2、有效防治煤與瓦斯突出災(zāi)害的技術(shù)途徑奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ)。通過(guò)本文研究，在以下幾方面取得一些進(jìn)展：
　　 1)進(jìn)行了突出煤體的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征及瓦斯賦存特性研究?？偨Y(jié)了突出煤體孔隙、裂隙的成因、分類(lèi)及微細(xì)觀結(jié)構(gòu)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(biāo)度不變性。利用煤體吸附、解吸瓦斯(單相氣體CH4)過(guò)程中變形的試驗(yàn)結(jié)果，分析了煤體的吸附變形規(guī)律，建立了煤體變形、膨脹應(yīng)力與瓦斯壓力的關(guān)系方程。通過(guò)不

3、同地應(yīng)力、不同瓦斯壓力以及全應(yīng)力-應(yīng)變中的煤體滲透率變化規(guī)律的試驗(yàn)研究，分析了煤樣滲透率變化規(guī)律，建立了相應(yīng)的滲透率演化方程。
　　 2)自行研制了含瓦斯煤巖細(xì)觀力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可進(jìn)行不同受力狀態(tài)，不同瓦斯壓力條件下軟弱煤巖的細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)，與現(xiàn)有的細(xì)觀試驗(yàn)裝置相比，具有以下特點(diǎn)：可提供單軸、平面應(yīng)變、三軸(σ2=σ3)三種受力狀態(tài)；試驗(yàn)測(cè)試方法多樣化，可進(jìn)行試驗(yàn)過(guò)程中的實(shí)時(shí)顯微圖像觀測(cè)和應(yīng)力-應(yīng)變、聲發(fā)射信號(hào)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(yàn)環(huán)境，使煤與瓦斯突出機(jī)制的試驗(yàn)研究更加接近礦山實(shí)際；裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，系統(tǒng)可靠性高。初步的試驗(yàn)結(jié)果表明，該試驗(yàn)裝置為固-氣耦合條件下的相關(guān)試驗(yàn)研究提供新的測(cè)試手段，具有較大實(shí)用價(jià)值。根據(jù)含瓦斯煤巖細(xì)觀力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的特點(diǎn)，建立了巖石細(xì)觀圖像處理系統(tǒng)；為了解決巖石細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)中圖像處理過(guò)程復(fù)雜、質(zhì)量不高及操作效率低等問(wèn)題，將LS-SVM的分類(lèi)方法與數(shù)字圖像處理的閾值分割法相結(jié)合，提出了人機(jī)結(jié)合的巖石

5、細(xì)觀結(jié)構(gòu)圖像系統(tǒng)分析方法。
　　 3)開(kāi)展了不同瓦斯壓力下、不同圍壓下的突出煤體細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)研究。分析了煤樣的動(dòng)態(tài)破裂演化過(guò)程以及破壞形式，結(jié)果表明，煤樣觀測(cè)面的微裂紋損傷演化是一個(gè)分形過(guò)程，分形維數(shù)可以定量地表示隨應(yīng)力狀態(tài)的變化引起煤樣損傷破裂的演化規(guī)律。應(yīng)用巖石斷裂力學(xué)的相關(guān)理論對(duì)在外部應(yīng)力、孔隙壓力和膨脹應(yīng)力三者共同作用下的典型裂隙的開(kāi)裂、擴(kuò)展條件進(jìn)行分析，并結(jié)合RFPA數(shù)值模擬軟件對(duì)含單一裂紋以及典型裂紋系的煤樣破裂過(guò)程

6、進(jìn)行模擬，得到了各條件下煤樣破裂的演化過(guò)程，討論了瓦斯在煤體破壞過(guò)程中的作用。
　　 4)進(jìn)行了基于煤樣受載過(guò)程的聲發(fā)射試驗(yàn)的宏細(xì)觀力學(xué)的對(duì)比分析研究。對(duì)含瓦斯煤樣損傷破壞過(guò)程中聲發(fā)射參數(shù)變化規(guī)律、聲發(fā)射參數(shù)的關(guān)聯(lián)性、聲發(fā)射的頻譜特征及分形和混沌特征進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)方法，基于聲發(fā)射信息建立了煤巖動(dòng)態(tài)損傷綜合預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)模型，對(duì)煤體損傷破壞過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，研究結(jié)果與應(yīng)力-應(yīng)變變化規(guī)律基本一致。
　　

7、 5)采用細(xì)觀損傷力學(xué)的研究方法，充分考慮含瓦斯煤巖固-氣耦合特點(diǎn)，以Weibull理論框架為基礎(chǔ)，基于Mohr-Coulomb準(zhǔn)則建立含瓦斯煤巖細(xì)觀統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型，提出了模型參數(shù)的回歸解、基于聲發(fā)射信號(hào)的求解方法和基于巖石表面斷裂過(guò)程分形維數(shù)等三種模型參數(shù)求解方法。綜合考慮應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)和濃度場(chǎng)的耦合作用，在瓦斯運(yùn)移過(guò)程中的擴(kuò)散方程和滲流方程、含瓦斯煤體的有效應(yīng)力方程以及應(yīng)力-滲透率演化方程的基礎(chǔ)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(xì)觀力學(xué)分析方法與工程現(xiàn)場(chǎng)相結(jié)合，提出了低滲透煤層增透途徑的細(xì)觀力學(xué)分析方法。應(yīng)用該方法對(duì)深孔控制預(yù)裂爆破增透前后的煤體作了微細(xì)觀結(jié)構(gòu)測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)效果分析，表明深孔控制預(yù)裂爆破明顯地改善了煤層的透氣性?；谧钚《酥С窒蛄繖C(jī)的回歸預(yù)測(cè)和分類(lèi)方法，建立了采煤工作面瓦斯危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)預(yù)警模型，應(yīng)用實(shí)例證明該模型預(yù)測(cè)結(jié)果精度高，預(yù)警結(jié)果可信度高，可作為采煤工作面瓦斯?jié)舛冗B續(xù)預(yù)測(cè)與危險(xiǎn)性