卸围压条件下含瓦斯煤岩力学特性的研究

摘要

含瓦斯煤岩卸围压力学特性及采动卸围压对煤与瓦斯突出的影响是关系煤矿安全生产的关键问题。本文应用MTS815力学试验机及“含瓦斯煤岩三轴伺服渗流装置”,对型煤试件进行了不含瓦斯以及含瓦斯条件下的卸围压试验。根据试验结果,对含瓦斯煤岩卸围压力学特性及采动卸围压对煤与瓦斯突出的影响进行了系统研究。取得了以下主要研究成果。
　　 ①应用MTS815力学试验机及“含瓦斯煤岩三轴伺服渗流装置”进行试验研究,对煤岩(不含瓦斯)进行卸围压试验,得到其轴向应力、轴向应变的围压控制曲线;对含瓦斯煤岩进行单调压缩试验,得到含瓦斯煤岩单调压缩应力-应变全过程曲线;对含瓦斯煤岩进行了卸围压试验,得到含瓦斯煤岩卸围压应力-应变全过程曲线。与此同时,进行了含瓦斯煤岩单调压缩和卸围压全应力.应变过程的瓦斯渗透特性试验研究。
　　 ②基于煤岩(不含瓦斯)卸围压全应力.应变过程,根据实验结果总结出卸围压过程中煤岩的变形特性和破坏特性。基于含瓦斯煤岩常规三轴压缩全应力-应变过程,根据实验结果总结出此过程中含瓦斯煤岩的变形特性、强度特性。基于含瓦斯煤岩卸围压全应力-应变过程,根据实验结果总结出卸围压过程中含瓦斯煤岩的变形特性、强度特性及卸围压过程中含瓦斯煤岩变形特性的围压控制作用。基于含瓦斯煤岩的渗透特性实验研究,根据实验结果总结出常规三轴压缩全应力-应变过程和卸围压全应力-应变过程对煤岩渗透特性的影响及卸围压过程中煤岩渗透特性的围压控制作用。
　　 ③应用能量原理,定义了材料连续性因子φ,引入了弹性应变能释放率γ;建立了含瓦斯煤岩卸围压过程能量损伤演化模型。基于试验研究结果,详细分析了含瓦斯煤岩卸围压过程泊松比随轴向应变和径向应变的演化规律,分析了含瓦斯煤岩卸围压过程中黏聚力(c)和内摩擦角(φ)的确定以及泊松比的围压控制规律。应用唯象学方法,建立了含瓦斯煤岩卸围压过程本构模型。以该模型为基础,详细分析了卸围压速率对卸围压过程中含瓦斯煤岩变形特性的影响,并建立了考虑卸围压速率的含瓦斯煤岩卸围压过程的能量损伤演化模型和本构模型,对该模型进行了实验验证。
　　 ④通过对含瓦斯煤岩卸围压过程破坏特性的分析,定义了“卸载破坏围压差比”来描述卸围压条件下煤岩破坏的难易程度。在总结国内外强度理论及试验研究结果的基础上,提出了含瓦斯煤岩卸围压强度准则。
　　 ⑤通过对含瓦斯煤岩卸围压过程流固耦合特性的分析,建立了考虑体积变形和有效应力的含瓦斯煤岩卸围压过程孔隙率和渗透率演化方程。建立了包含应力场方程、渗流场方程、孔隙率演化方程、渗透率演化方程的含瓦斯煤岩卸围压流固耦合模型,并给出了定解条件。
　　 ⑥结合“煤与瓦斯突出力学作用机理”,利用体现时间效应的考虑卸围压速率的含瓦斯煤岩卸围压过程能量损伤演化模型,分析了采动卸围压对煤与瓦斯突出的影响。结合已有的成果,进行了煤与瓦斯突出模拟实验,对采动卸围压对煤与瓦斯突出的影响的理论分析进行了实验验证。