动载荷下含瓦斯煤动力学行为及瓦斯放散特征研究

摘要

煤炭开采进入深部阶段，采深不断加大，地应力、瓦斯压力和瓦斯含量不断增高，采场结构也越来越复杂，应力与瓦斯耦合动力灾害日趋严重及复杂，冲击地压或强矿震引起煤层或采空区瓦斯异常涌出和动载荷诱导煤与瓦斯突出等复合型动力灾害时有发生。目前研究主要集中在煤岩冲击破坏方面，而动载荷下含瓦斯煤动力学行为及瓦斯放散特征缺乏研究。本文采用实验室实验、理论分析和数值建模等手段，研究动载荷（震动载荷：未破坏；冲击载荷：破坏）作用下含瓦斯煤动力学行为及瓦斯放散特征，建立含瓦斯煤冲击动力学本构方程和动载荷下瓦斯运移方程，提出含瓦斯煤冲击破坏多场耦合模型，揭示含瓦斯煤冲击破坏过程中应力场、损伤场和瓦斯场耦合演化机制。主要结论如下： 建立了含瓦斯煤霍普金森压杆（SHPB）试验系统，在SHPB上实现了含瓦斯煤冲击破坏动力学实验，测试分析了含瓦斯煤动力学行为与轴向静载、围压、瓦斯压力和震动载荷/冲击载荷的关系。结果表明：围压和动载荷均有助于提高含瓦斯煤体的动态抗压强度和抵抗变形的能力；瓦斯的吸附膨胀作用、扩容效应及蚀损效应将劣化煤体，削弱煤体抵抗外载荷的能力；震动载荷作用下，轴向静载表现为提高含瓦斯煤体的抗压强度和抵抗变形的能力，而冲击载荷作用下，轴向静载表现为削弱煤体强度和劣化煤体的变形能力。 研究了含瓦斯煤在轴向静载、围压、瓦斯压力和震动载荷/冲击载荷组合加载下的应变率效应，分析了含瓦斯煤动态强度、峰值应变/破坏应变随应变率的变化规律，证明了煤岩受载应变率效应的普适性。结果表明：低于临界应变率，含瓦斯煤的动态强度和峰值应变/破坏应变基本随应变率增大而增大；超过临界应变率，含瓦斯动态强度和峰值应变/破坏应变将基本稳定。 实验研究了含瓦斯煤在震动载荷和冲击载荷作用下的瓦斯放散特征，分析了不同轴向静载、围压、瓦斯压力和动载荷组合加载下瓦斯放散随时间的演化规律，确定了最大瓦斯放散速度和瞬时放散率与四种因素的关系，揭示了动载诱导的含瓦斯煤破坏过程中瓦斯异常放散机制。 基于岩石力学强度理论、Terzaghi有效应力原理与统计损伤理论，考虑轴向静载、围压、瓦斯压力和动载荷组合作用，建立了含瓦斯煤动力学本构方程；结合瓦斯吸附平衡方程、扩散方程和瓦斯渗流方程，建立了动载作用下含瓦斯煤瓦斯运移方程组；通过孔隙率和渗透率演化架起了含瓦斯煤动力学本构方程和动载荷下瓦斯运移方程组之间的桥梁，建立了含瓦斯煤冲击破坏多场耦合模型，揭示了含瓦斯煤冲击破坏多场耦合机制，并通过数值模拟进行了实验尺度验证。 以某矿+100东一采区4112运输巷掘进工作面赋存地质条件为背景，应用含瓦斯煤冲击破坏多场耦合数学模型，研究了动载荷产生前后的应力和位移演化，解释了煤与瓦斯突出灾害发生过程的应力和瓦斯耦合过程，分析了重大煤与瓦斯突出事故的特征和原因。结果表明：复杂的地质结构和应力环境是导致此次事故发生的先决条件，采掘活动导致断层活动滑移而产生能量较大的动载荷是事故发生的直接诱因，动载荷作用煤体破裂瓦斯大量解吸是瓦斯异常涌出的主要原因。 本文的研究成果对于进一步完善含瓦斯煤冲击动力学、揭示含瓦斯煤复合动力灾害机理、促进含瓦斯煤动力灾害防治具有重要的理论意义和实践价值。

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摘 要

煤炭开采进入深部阶段，采深不断加大，地应力、瓦斯压力和瓦斯含量不断增高，采场结构也越来越复杂，应力与

建立了含瓦斯煤霍普金森压杆（SHPB）试验系统，在SHPB上实现了含瓦斯煤冲击破坏动力学实验，测试分

研究了含瓦斯煤在轴向静载、围压、瓦斯压力和震动载荷/冲击载荷组合加载下的应变率效应，分析了含瓦斯煤动

Abstract

As coal mining enters into deep mining stage, the

The split Hopkinson pressure bar (SHPB) experiment

The strain rate effects of gas - bearing coal unde

The gas releasing characteristics of gas - bearing

Based on viscoelastic theory, Terzaghi effective s

In terms of geological conditions about 4112 tunne

The research results in this dissertation are of t

目 录

图清单

表清单

变量注释表

1 绪论

1 Introduction

1.1 研究背景及意义(Research Background and Significance)

我国处于工业化、城镇化加快发展的历史阶段，对能源的需求日益增长。立足国内是我国能源战略的出发点，必须

我国是世界上最大的产煤国，同时也是发生煤矿灾害事故最严重的国家之一。我国煤炭生产95 %以上是井工作

1.2.1 煤岩冲击动力学试验研究进展

1.2.2 煤岩冲击动力学本构模型研究进展

1.2.3 含瓦斯煤力学特性及瓦斯运移研究进展

1.2.4 含瓦斯煤多场耦合研究进展

1.3 存在问题及不足(Problems and Inadequacies)

1.4.1 主要研究内容

1.4.2 技术路线

2 震动载荷作用下含瓦斯煤动力学实验特性研究

2 Dynamics Properties of Gas-bearing Coal under Sh

煤矿现场生产过程中，上覆岩层顶板断裂或断层活动滑移等引起的应力波（动载）作用于煤体，根据动载的大小，

2.1.1 系统简介

2.1.2 试验原理

2.2 试验方案及试样特征（Experimental Plan and Samples Char

加工好试样之后，即可进行含瓦斯煤震动或冲击试验，具体步骤如下：

2.3 含瓦斯煤震动力学实验特性(Shock Mechanical Properties of Ga

2.3.1 不同轴向静载作用下含瓦斯煤震动力学特性

为了研究轴向静载对含瓦斯煤震动力学特性的影响，设定围压为5.00 MPa、瓦斯压力为1.00 MPa

2.3.2 不同围压下含瓦斯煤震动力学特性

在静态加载条件下，围压有助于提高煤体的抗压强度[168]，说明煤体的力学性质与围压存在密切的关系，所

2.3.3 不同瓦斯压力下含瓦斯煤震动力学特性

众所周知，瓦斯压力会影响煤体的力学特性，而且关于静态加载条件下含瓦斯煤力学特性研究较多[169-17

2.3.4 不同冲击速度下含瓦斯煤震动力学特性

在远场震源作用下，含瓦斯煤发生冲击或煤与瓦斯突出的程度除了与煤体赋存环境有关之外，还与震源产生的动载

2.4 讨论（Discussion）

2.5 本章小结(Summary)

3 冲击载荷下含瓦斯煤动力学实验特性研究

3 Dynamics Experimental Properties of Gas-bearing

3.1测试方案及试样（Experimental Plan and Samples）

3.2 含瓦斯煤冲击破坏动力学特征（Dynamics Characteristics of Gas-

3.2.1 不同轴向静载作用下含瓦斯煤冲击破坏动力学特性

为了研究轴向静载对含瓦斯煤冲击动力学特性的影响，设定围压为5.00 MPa、瓦斯压力为1.00 MP

3.2.2 不同围压下含瓦斯煤冲击动力学特性

岩体力的作用。轴向静载可等同于上覆煤岩体的载荷，那么围压可用来模拟围岩作用力，试验煤样就处于三向受力

3.2.3 不同瓦斯压力下含瓦斯煤冲击动力学特性

作为影响煤与瓦斯突出的主要因素之一，研究瓦斯对煤体冲击动力学特性具有重要的意义。设定轴向静载为5.0

3.2.4 不同冲击速度下含瓦斯煤冲击动力学特性

前人的研究表明：煤体受力环境是发生灾害的充分条件，而动载是诱导事故发生的必要条件。上覆坚硬岩层断裂、

3.2.5 讨论

3.3 含瓦斯煤冲击破坏形态（Impact Failure Mode of Gas-bearing

3.4 动载下含瓦斯煤动力学本构模型（Dynamics Constitutive Model of

3.5 本章小结(Summary)

4 含瓦斯煤震动及冲击破坏过程中瓦斯放散特征实验研究

4 Experimental Research about Gas Releasing during

4.1 震动载荷下含瓦斯煤瓦斯放散特征(Gas Releasing Characteristics

4.1.2 不同围压下瓦斯放散特征

4.1.3 不同瓦斯压力下瓦斯放散特征

4.1.4 不同震动载荷作用下瓦斯放散特征

4.2 冲击载荷下含瓦斯煤瓦斯放散特征(Gas Release Characteristics of

本节主要分析冲击载荷作用下含瓦斯煤瓦斯放散规律，对应于第三章含瓦斯煤冲击破坏动力学试验。

4.2.1 不同轴向静载作用下瓦斯放散特征

4.2.2 不同围压下瓦斯放散特征

围压有助于使煤体裂隙闭合，造成渗透率降低，瓦斯不易放散，因此研究不同围压条件下含瓦斯煤瓦斯放散规律具

4.2.3 不同瓦斯压力下瓦斯放散特征

瓦斯放散的源头就是瓦斯源，煤体赋存瓦斯，在煤体破坏后，才会有瓦斯异常涌出现象，因此，研究瓦斯压力对含

4.2.4 不同冲击载荷作用下瓦斯放散特征

4.3 冲击瞬间含瓦斯煤瓦斯瞬时放散规律(Gas Releasing Laws of Gas-bea

动载荷作用于煤体的瞬间，无论是震动载荷造成的煤体内部微损伤，还是冲击载荷引起的宏观破裂，时间都非常短

4.3.1 瓦斯放散速度

4.3.2 含瓦斯煤瞬时放散率

4.4 动载荷作用下瓦斯运移模型(Gas Flow Model under Dynamic Load

4.5 本章小结(Summary)

5 含瓦斯煤冲击破坏多场耦合模型及数值验证

5 Multifield Coupling Model and Numerical Verifica

含瓦斯煤层发生冲击地压导致瓦斯异常涌出，或冲击地压诱导的煤与瓦斯突出等都属于复合型动力灾害，复合型动

5.2 含瓦斯煤冲击破坏数值模拟验证(Numerical Simulation Test of Ga

5.3 本章小结(Summary)

6 动载荷下含瓦斯煤破坏多场耦合模型应用研究

6 Applied Research about Multifield Coupling Model

6.1 矿井及事故地点概况（Outline of Mine and Accident Site）

6.2 煤与瓦斯突出破坏现场案例分析（Field Case Analysis of Coal an

6.3 基于含瓦斯煤冲击破坏多场耦合模型的数值分析（Numerical Analysis based

6.4 本章小结(Summary)

7 全文总结、创新点及展望

7 Conclusions, Innovations and Prospects

7.1 全文总结（Conclusions）

7.2 创新点（Innovations）

7.3 展望（Prospects）

参考文献

[193] Liu QL, Wang EY, Kong XG, Numerical simulati

作者简介