气体吸附诱发煤体损伤劣化的试验分析与机理研究

发布时间：2020-08-01 20:49

【摘要】：在国民经济高速发展的今天,煤炭依旧是我国主导能源,2050年仍将占能源消耗的50%以上,如何确保安全、稳定的能源供给是经济持续、健康发展的重要保障。然而随着煤炭开采深度和强度的不断增大,煤岩瓦斯突出地质灾害已成为煤矿普遍关注的安全问题,这种工程灾害是煤岩受应力扰动后变形破裂与吸附瓦斯运移动态演化的耦合作用结果,因此,研究气体吸附对煤岩体的损伤劣化作用机制是探索煤与瓦斯突出机理的基础与必要条件,并且具有十分重大的工程应用价值和社会意义。气体吸附中的煤岩体可被假定为一种非均质的多相复合结构,在受到外力作用以后,随机分布在煤体内部的微缺陷不断变化,形成贯通,逐渐产生宏观裂隙导致结构破坏,与此同时,吸附在煤基质表面的气体分子降低了煤体表面自由能,在宏观层面上表现为加速和促进了煤岩体结构的失稳破坏。气体吸附与应力加载诱发煤体的变形破裂过程是非常复杂的,将煤体视为连续介质,仅从宏观角度运用经典弹塑性力学或断裂损伤力学的方法来描述,与实际不符,难以获得理想的结果,且目前试验手段单一,试验仪器可视化程度较低,导致多相耦合环境中煤体的各项物理力学参数难以获取,进而阻碍了试验研究与理论研究的开展。为此,本文通过自主研发的配套试验系统,采用理论分析与室内试验相结合的方式,基于室内劣化试验结果,从煤体损伤-劣化及裂隙分形等角度分析研究气体吸附与应力加载过程中煤体在宏细观层面上的变形破裂过程和损伤劣化机制。本文的主要研究内容如下:1)基于试验全程可视化监测和气固耦合状态中恒容精确加载等试验理念,采用SolidWorks三维械设计软件与ABAQUS有限元计算校核的形式,研发设计可视化恒容气固耦合试验系统,配合伺服压力机,形成了以可视化恒容试验仪、气体充填模块、轴向加载模块、试件变形监测模块为主体的四大关键功能模块。详细阐述了系统构成、功能特点、密封方案与关键参数,并开展了相关应用,验证了系统功能指标,为后续试验研究提供科学试验仪器;为精确获取和深入研究煤岩体标准试件在气体吸附和全应力应变过程中环向变形规律与峰后扩容力学特性,借鉴MTS(Mechanics Test Systems)链式环向引伸计,基于角度测量原理的试件环向变形测试方法,研发基于角度量测的圆柱试件环向变形测试系统,阐明了测试方法原理,推导建立了针对该系统的环向变形计算方程,为耦合加载过程中煤岩体的变形监测提供可行性监测方案和硬件支持;2)为定量研究气体吸附对煤体的损伤劣化作用规律,探索其劣化机制,制作强度可调的型煤标准试件,利用所研发的试验系统,开展了气体吸附诱发煤体损伤劣化的系列室内试验,监测与分析煤体在气固耦合与动静载荷条件下的煤体强度、变形和裂隙发育等宏观试验参数,系统模拟和研究不同吸附条件与应力加载条件对煤体的损伤劣化影响,试验结果表明:气体吸附含量的增加是导致煤体强度降低、体积扩容及促使裂隙进一步扩展的关键因素;3)从宏观层面,基于表面物理化学理论和摩尔-库仑强度破坏准则对煤体强度劣化作用进行力学分析,得到煤体强度、变形量受吸附平衡压力和吸附量的影响关系;从细观层面,利用连续介质损伤力学方法探索其强度劣化诱因与损伤劣化机制,重点探讨气体吸附与荷载作用中煤体损伤本构关系,建立损伤演化方程并实例验证了正确性;4)结合室内劣化试验结果,基于分形理论与MATLAB软件编程提取试验过程加载图像,获取煤体在峰后应力阶段宏观裂隙发育扩展与演化特征,计算得到煤体各应力阶段的裂隙密度、分形维数;基于PFC计算原理,结合劣化试验参数对气体吸附与应力加载过程中煤体裂隙演化特征进行数值仿真验证试验,根据试验结果反演了颗粒离散元PFC中本构方程的关键参数,通过各参数的定量弱化来模拟气体吸附与加载过程中煤体劣化,从颗粒离散元的角度实现了对宏观变量如强度、变形及裂隙扩展程度的模拟分析。研究内容为对于深入认识含瓦斯煤体物理力学特性和煤与瓦斯突出机理等工程问题具有非常重要的借鉴意义。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD82
【图文】：

动力灾害,矿井,高瓦斯矿井,煤炭

随着经济社会的发展，可再生能源的发展在我国能源系统中的占比进一步提升，但从逡逑全球各国的能源结构来看，煤炭依然在全球能源消费结构中占主要比重，其中中国、印度逡逑和南非三个国家的煤炭消费，在一次能源消费中的占比高于６０％。煤炭作为我国主导能逡逑源，２０５０年将占能源消耗的５０％以上。近年来，我国煤炭开采深度和力度不断加大，矿逡逑井地质条件愈加复杂，含瓦斯矿井与突出倾向性矿井数量持续增多，发生煤与瓦斯动力现逡逑象的突出矿井也将日益增多，煤与瓦斯突出死亡人比例更是逐年上升，煤岩瓦斯动力灾害逡逑己成为煤矿普遍的安全问题，这种工程灾害是煤岩变形破裂与瓦斯运移动态演化共同导致逡逑的突发性灾害。尤其高瓦斯矿井发生的煤与瓦斯突出动力灾害危害巨大，常造成重大伤亡逡逑经济损失和恶劣社会影响，严重制约着煤矿安全高效生产。我国煤与瓦斯突出矿井数量多，逡逑瓦斯灾害严重，近年来，煤与瓦斯突出事故时有发生，统计表明我国累计矿井煤与瓦斯突逡逑出次数约占世界４０％以上，死亡人数己占到煤矿总死亡人数的１／３｜ＵＩ。煤与瓦斯突出的逡逑监测预警与防治的已成为世界性难题和研究热点，也成为我国高瓦斯矿井安全生产亟待解逡逑决的科学问题，是国家能源安全的重要战略需求和突破方向｜３１。逡逑天作气邋３＾２％邋非３．４％邋＿逡逑

突出事故

图１．２突出事故救助现场逡逑Ｆｉｇ邋１．２邋Ｏｕｔｂｕｒｓｔ邋ａｃｃｉｄｅｎｔ邋ｒｅｓｃｕｅ邋ｓｉｔｅ逡逑Ｕ．２研究意义逡逑含瓦斯煤作为一种复杂的混合介质，其吸附耦合状态直接影响了煤岩体的力学特性瓦斯赋存于煤体中，在地应力、构造应力的作用下，与煤基质发生吸附解吸作用，共同成气固耦合作用系统；气体吸附于煤岩颗粒表面，降低了煤岩颗粒表面自由能，导致煤强度和应力状态的变化，而煤体强度、变形与应力状态的改变导致瓦斯含量、煤体渗透及瓦斯涌出量的变化，进而影响煤与瓦斯突出的发生、发展与终止全过程，这在研究“与瓦斯”体系问题中具有举足轻重的作用｜４１，因此，研宄气体吸附对煤岩体的力学作用制是探索煤与瓦斯突出机理的基础与前提条件。逡逑近年来，国内外众多专家学者和工程技术人员分别通过现场观测、突出实例统计分析试验室研宄和理论分析等不同研究手段，对含瓦斯煤物理力学特性、损伤劣化及扩容机方面开展了广泛研宄，特别是在煤体吸附膨胀变形机制、渗流演化机制方面取得了显著

含瓦斯煤,研究现状,试验装置

逑ｍｍｍｍｍ逡逑＿W逡逑图１．２突出事故救助现场逡逑Ｆｉｇ邋１．２邋Ｏｕｔｂｕｒｓｔ邋ａｃｃｉｄｅｎｔ邋ｒｅｓｃｕｅ邋ｓｉｔｅ逡逑Ｕ．２研究意义逡逑含瓦斯煤作为一种复杂的混合介质，其吸附耦合状态直接影响了煤岩体的力学特性。逡逑瓦斯赋存于煤体中，在地应力、构造应力的作用下，与煤基质发生吸附解吸作用，共同构逡逑成气固耦合作用系统；气体吸附于煤岩颗粒表面，降低了煤岩颗粒表面自由能，导致煤体逡逑强度和应力状态的变化，而煤体强度、变形与应力状态的改变导致瓦斯含量、煤体渗透率逡逑及瓦斯涌出量的变化，进而影响煤与瓦斯突出的发生、发展与终止全过程，这在研究“煤逡逑与瓦斯”体系问题中具有举足轻重的作用｜４１，因此，研宄气体吸附对煤岩体的力学作用机逡逑制是探索煤与瓦斯突出机理的基础与前提条件。逡逑近年来，国内外众多专家学者和工程技术人员分别通过现场观测、突出实例统计分析、逡逑试验室研宄和理论分析等不同研究手段

【相似文献】