煤与瓦斯突出模拟的材料及系统相似性研究

发布时间：2017-07-05 16:15

  本文关键词：煤与瓦斯突出模拟的材料及系统相似性研究

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【摘要】：煤与瓦斯突出物理模拟试验是研究突出机理的有效手段,本文通过现场资料总结、理论分析、实验室试验、数值模拟的方法,进行了突出煤与煤与瓦斯突出特征、煤与瓦斯突出原型几何尺寸、相似模型几何尺寸、力学加载系统、相似材料配比方法及相似模型制作工艺等研究,为相似模拟相似性提供了保障。得到了如下主要研究结论：(1)通过煤与瓦斯突出现场资料及现有研究成果的统计分析,得到突出煤层具有结构破坏程度高、孔隙发达、比表面积庞大、吸附瓦斯性能强、解吸速度快、渗透性和抗压强度低等特征；而突出孔洞的口小腔大、抛出煤岩量、伴随大量瓦斯涌出的特征是煤与瓦斯突出区别于其他煤岩动力灾害的重要特征。(2)采用量纲分析法推导了基于“煤与瓦斯突出力学作用机理”的煤与瓦斯突出相似准则,得到了几何相似、载荷和材料性质相似、瓦斯赋存和瓦斯涌出参数相似的统一相似准则,为煤与瓦斯突出相似模拟材料及系统相似性研究奠定了基础。(3)推导得出了典型煤与瓦斯突出原型几何尺寸为深度12.3m、宽度6.5m、突出孔洞口直径0.68m,研究了突出相似模拟系统,包括相似模型几何尺寸、力学加载系统加载能力及刚度、含瓦斯煤赋存系统承压能力、突出口开启诱发突出方式等,保证了相似模拟的几何相似、力学加载相似。研究成果指导构建了相似试验系统。(4)选择碎煤、水泥、活性炭、沙子和水作为相似材料的原料,采用均匀试验方法,研究了相似材料单轴抗压强度、坚固性系数、弹性模量、密度等物理力学性质与原材料比例间的量化关系；同时通过相似材料吸附解吸参数测试、渗透性试验、试验考察尺度效应及保压时间对相似材料试件力学强度的影响,得到了突出模拟相似材料配比方法与模型制作工艺,保证了煤与瓦斯突出相似模拟材料性质与运动的相似性。(5)根据研制的煤与瓦斯突出相似模型试验系统及相似材料参数,建立了固—气耦合的数值模型,应用RFPA2D Gas-Flow、Fluent模拟软件及试验系统研究了煤与瓦斯突出孕育、发生发展、停止的过程,以及煤与瓦斯流在巷道内的运动规律,得到了突出参数的时、空演化规律,验证了突出模拟系统及相似材料的相似性以及为煤与瓦斯突出相似模拟试验提供了指导。
【关键词】：煤与瓦斯突出 相似准则 相似系统 相似材料 物理力学性能
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD713
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-21
• 1 绪论21-40
• 1.1 选题背景及意义21-23
• 1.2 文献综述23-37
• 1.2.1 相似材料与相似模型23-24
• 1.2.2 煤与瓦斯突出机理及研究方法24-26
• 1.2.3 煤与瓦斯突出模拟试验及相似材料研究26-36
• 1.2.4 存在的问题36-37
• 1.2.5 发展方向37
• 1.3 主要研究内容37-38
• 1.4 研究方法与技术路线38-40
• 1.4.1 研究方法38
• 1.4.2 技术路线38-40
• 2 突出煤及煤与瓦斯突出特征40-57
• 2.1 突出煤物理力学特征40-45
• 2.2 煤与瓦斯突出孔洞特征45-49
• 2.2.1 突出孔洞统计特征45-47
• 2.2.2 代表性突出孔洞实例47-49
• 2.3 煤与瓦斯突出其它特征49-53
• 2.4 煤与瓦斯突出发生的一般规律53-55
• 2.5 本章小结55-57
• 3 煤与瓦斯突出相似准则研究57-72
• 3.1 相似原理57-58
• 3.2 煤与瓦斯突出力学作用机理58-61
• 3.2.1 煤与瓦斯突出的演化流程58-60
• 3.2.2 煤与瓦斯突出激发的失稳机制60
• 3.2.3 煤与瓦斯突出发展阶段煤的破坏机制60-61
• 3.2.4 煤与瓦斯突出的暂停、再次激发和终止机制61
• 3.3 煤与瓦斯突出相似准则推导61-70
• 3.3.1 支配突出现象的物理法则61-64
• 3.3.2 基于力学作用机理的突出模拟相似法则64-70
• 3.4 本章小结70-72
• 4 煤与瓦斯突出相似系统研究72-90
• 4.1 相似模型几何尺寸研究72-78
• 4.1.1 突出孔洞尺寸确定72-74
• 4.1.2 煤与瓦斯突出原型几何参数研究74-76
• 4.1.3 煤与瓦斯突出相似模型研究76-78
• 4.2 力学加载系统研究78-82
• 4.2.1 煤与瓦斯突出力学加载能力78-79
• 4.2.2 力学加载设备防冲击性研究79-81
• 4.2.3 力学加载系统结构形式及垂直力学加载方式81-82
• 4.3 含瓦斯煤赋存系统承压能力82-83
• 4.4 突出口开启诱发突出方式83-84
• 4.5 监测系统84-87
• 4.5.1 导线布置及密封性84-85
• 4.5.2 监测系统85-87
• 4.6 煤与瓦斯突出模拟试验系统构建87-89
• 4.7 本章小结89-90
• 5 煤与瓦斯突出模拟材料相似性试验研究90-129
• 5.1 突出模拟相似材料配比试验研究思路90
• 5.2 原料选择及配比确定原则90-96
• 5.2.1 相似材料原料的选择原则90-91
• 5.2.2 突出模拟相似材料原料选择91-94
• 5.2.3 相似材料配比的确定原则94-96
• 5.3 试验设备及工艺96-98
• 5.3.1 试验环境96
• 5.3.2 试验设备96-97
• 5.3.3 突出模拟相似材料配比工艺97-98
• 5.4 胶结料比例与相似材料物理力学性质试验研究98-104
• 5.4.1 相似材料原料配比98-99
• 5.4.2 试验过程及结果99-104
• 5.5 相似材料均匀配比试验104-113
• 5.5.1 均匀试验设计104-106
• 5.5.2 试验过程及结果106-109
• 5.5.3 试验结果分析109-113
• 5.6 相似材料吸附解吸性能相似性研究113-119
• 5.6.1 相似材料吸附性能相似性试验研究113-118
• 5.6.2 相似材料解吸性能试验研究118-119
• 5.7 突出模拟相似材料合理配比119-120
• 5.8 大型相似模拟模型制作工艺试验研究120-127
• 5.8.1 相似材料成型边界效应对比考察研究121-124
• 5.8.2 保压时间与相似材料强度试验研究124-127
• 5.9 本章小结127-129
• 6 煤与瓦斯突出数值模拟及试验研究129-149
• 6.1 煤与瓦斯突出数值模拟129-137
• 6.1.1 RFPA~(2D)-Gasflow工作原理129-133
• 6.1.2 数值模型建立133-134
• 6.1.3 煤与瓦斯突出模拟结果及分析134-137
• 6.2 煤-瓦斯两相流数值模拟及试验137-147
• 6.2.1 Fluent工作原理138-141
• 6.2.2 数值模型建立141
• 6.2.3 煤-瓦斯两相流数值模拟结果及分析141-146
• 6.2.4 煤-瓦斯两相流试验研究146-147
• 6.3 本章小结147-149
• 7 结论及展望149-153
• 7.1 主要结论149-151
• 7.2 创新点151-152
• 7.3 展望152-153
• 参考文献153-162
• 致谢162-163
• 作者简介及读研期间主要科研成果163-164

【参考文献】

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本文编号：522683