煤巖破裂過程固氣耦合數(shù)值試驗(yàn).pdf

1、含瓦斯煤巖的變形破壞過程，是一個(gè)極其復(fù)雜和極富挑戰(zhàn)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。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題。因此，作為含瓦斯煤巖突出機(jī)理研究的理論基礎(chǔ)，研究含瓦斯煤巖破裂過程中瓦斯氣體與煤巖固體的耦合作用機(jī)理，對于人們進(jìn)一步深入認(rèn)識(shí)含瓦斯煤巖的突出機(jī)理、煤層瓦斯抽放機(jī)理并進(jìn)而采取相應(yīng)的防治措施等具有重要的理論

2、意義和工程實(shí)用價(jià)值。 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場測試作為研究含瓦斯煤巖破壞過程最為直接的手段，為促進(jìn)其破壞過程的研究發(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)和現(xiàn)場測試工作往往受到限制。理論解析通過對材料進(jìn)行簡化，運(yùn)用數(shù)學(xué)和力學(xué)等研究方法，對其破壞過程的應(yīng)力與應(yīng)變關(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破壞過程提供了重要途徑。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

3、材料內(nèi)部微破裂之間以及煤巖破裂過程中瓦斯氣體與煤巖固體的耦合作用問題。數(shù)值方法為研究含瓦斯煤巖的破壞過程提供了重要手段?；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)對含瓦斯煤巖破壞的全過程分析；細(xì)觀損傷力學(xué)由于對材料的“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，為研究煤巖材料的破壞過程提供了力學(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)對煤巖變形破裂過程中煤層瓦斯流動(dòng)的

4、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)層次上研究含瓦斯煤巖固體材料的破壞過程提供了強(qiáng)有力的數(shù)值計(jì)算工具。 為此，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程中透氣性的變化，引入煤巖透氣系數(shù)-應(yīng)力作用方程，在此基礎(chǔ)上，考慮煤巖損傷過程的時(shí)間因素影響，引入細(xì)觀基元蠕變損傷本構(gòu)方程，建立了考慮流變效應(yīng)

5、的煤巖破裂過程固氣耦合作用RFPA2D-Flow數(shù)值模型，給出了耦合模型的有限元數(shù)值解法，并分別從煤巖破裂過程和瓦斯流動(dòng)過程兩方面對模型進(jìn)行了模擬驗(yàn)證。 其次，應(yīng)用巖石破裂固氣耦合RFPA2D-Flow數(shù)值系統(tǒng)對含瓦斯煤巖的基本力學(xué)性質(zhì)(包括變形性質(zhì)、強(qiáng)度性質(zhì)、非均勻性特點(diǎn)、流變性質(zhì)和滲流性質(zhì)等)進(jìn)行了數(shù)值試驗(yàn)研究，分析了含瓦斯煤巖試件破裂過程中的圍壓效應(yīng)、孔隙壓力效應(yīng)、卸荷效應(yīng)等，含瓦斯煤巖試樣在常應(yīng)力水平作用下的蠕變損傷破壞

6、和含瓦斯煤巖試件在應(yīng)力作用下的透氣性變化規(guī)律。 此外，對石門揭煤誘發(fā)的煤與瓦斯突出、煤層巷道掘進(jìn)誘發(fā)的上山突出以及石門爆破掘進(jìn)過程中發(fā)生的延期突出從裂紋誘發(fā)、擴(kuò)展、貫通到拋出的突出全過程進(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)煤巖突出破裂過程中應(yīng)力場、變形場、滲流場以及微震場的演化過程，并對抽放作用下煤層瓦斯的流動(dòng)過程以及通過瓦斯抽放防治瓦斯突出的機(jī)理進(jìn)行了基礎(chǔ)性模擬研究。 最后，應(yīng)用