煤岩破裂过程固气耦合数值试验

摘要

含瓦斯煤岩的变形破坏过程，是一个极其复杂和极富挑战的研究课题，是力学、材料和工程等学科的研究热点和难点之一。由含瓦斯煤岩破坏而导致的煤与瓦斯突出，是煤炭开采过程中一种复杂的工程诱发灾害，是保证煤矿安全正常生产和矿业发展亟待解决的重大问题。因此，作为含瓦斯煤岩突出机理研究的理论基础，研究含瓦斯煤岩破裂过程中瓦斯气体与煤岩固体的耦合作用机理，对于人们进一步深入认识含瓦斯煤岩的突出机理、煤层瓦斯抽放机理并进而采取相应的防治措施等具有重要的理论意义和工程实用价值。 实验室试验和现场测试作为研究含瓦斯煤岩破坏过程最为直接的手段，为促进其破坏过程的研究发展起了决定性作用。然而，由于受人力、物力、财力和安全等因素的制约，含瓦斯煤岩的破坏试验和现场测试工作往往受到限制。理论解析通过对材料进行简化，运用数学和力学等研究方法，对其破坏过程的应力与应变关系及诱发的声发射等进行解析，为研究含瓦斯煤岩的破坏过程提供了重要途径。然而，限于目前数学、力学等的发展水平，解析方法还难以解析煤岩材料内部微破裂之间以及煤岩破裂过程中瓦斯气体与煤岩固体的耦合作用问题。数值方法为研究含瓦斯煤岩的破坏过程提供了重要手段。基于煤岩材料的细观结构特征和细观基元的本构关系，将统计随机分布理论和计算力学相结合，可实现对含瓦斯煤岩破坏的全过程分析；细观损伤力学由于对材料的“损伤”赋予了真实的几何形象和具有力学意义的损伤演化方程，为研究煤岩材料的破坏过程提供了力学理论基础；而煤层瓦斯渗流力学理论的迅猛发展又可实现对煤岩变形破裂过程中煤层瓦斯流动的仿真模拟。此外，计算机硬件及计算力学的飞速发展，为从细观结构层次上研究含瓦斯煤岩固体材料的破坏过程提供了强有力的数值计算工具。 为此，本文首先从煤岩材料的细观结构和渗流特征出发，采用Weibull随机统计分布理论引入材料的非均匀性，提出了细观基元的弹性损伤本构关系，同时，考虑煤岩损伤演化过程中透气性的变化，引入煤岩透气系数-应力作用方程，在此基础上，考虑煤岩损伤过程的时间因素影响，引入细观基元蠕变损伤本构方程，建立了考虑流变效应的煤岩破裂过程固气耦合作用RFPA2D-Flow数值模型，给出了耦合模型的有限元数值解法，并分别从煤岩破裂过程和瓦斯流动过程两方面对模型进行了模拟验证。 其次，应用岩石破裂固气耦合RFPA2D-Flow数值系统对含瓦斯煤岩的基本力学性质(包括变形性质、强度性质、非均匀性特点、流变性质和渗流性质等)进行了数值试验研究，分析了含瓦斯煤岩试件破裂过程中的围压效应、孔隙压力效应、卸荷效应等，含瓦斯煤岩试样在常应力水平作用下的蠕变损伤破坏和含瓦斯煤岩试件在应力作用下的透气性变化规律。 此外，对石门揭煤诱发的煤与瓦斯突出、煤层巷道掘进诱发的上山突出以及石门爆破掘进过程中发生的延期突出从裂纹诱发、扩展、贯通到抛出的突出全过程进行了系统的模拟研究，分析了地应力、瓦斯压力以及煤岩力学性质等综合作用下诱发煤岩突出破裂过程中应力场、变形场、渗流场以及微震场的演化过程，并对抽放作用下煤层瓦斯的流动过程以及通过瓦斯抽放防治瓦斯突出的机理进行了基础性模拟研究。 最后，应用RFPA2D-Flow固气耦合数值模拟系统，结合潘一矿的矿井地质条件，对远程卸压瓦斯抽放防治煤与瓦斯突出进行了数值模拟研究，数值模拟较好的反映了下煤层开采过程中诱发的上覆岩层的垮落运移情况以及上煤层的透气性变化情况，远程卸压开采数值模拟的上煤层透气性变化同矿井生产实际很好的相吻合。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景和意义

1.1.1煤与瓦斯突出

1.1.2瓦斯抽放

1.1.3温室气体储存隔离

1.2研究现状和特点

1.2.1煤与瓦斯突出理论的研究现状

1.2.2瓦斯抽放研究现状

1.2.3基本特点

1.3本文的主要研究内容和研究方法

第二章岩石的结构及渗流基本特性

2.1概述

2.2岩石的空隙结构特征

2.2.1岩石的孔隙性

2.2.2岩石的渗流结构类型

2.2.3煤体的吸附和解吸特性

2.3岩石的渗流特性

2.3.1岩石渗透性的表征

2.3.2岩石渗透性的特点

2.3.3岩石渗透性的耦合作用特征

2.4岩石渗透率的测量

2.4.1稳态法测量

2.4.2瞬态法测量

2.4.3周期加载法测量

2.5岩石破裂过程渗透性演化

2.5.1岩石破裂过程渗流实验方法

2.5.2岩石破裂过程渗透性演化规律

2.6小结

第三章煤岩破裂过程固气耦合模型

3.1引言

3.2耦合数值模型的基本思路

3.3岩石细观统计损伤本构方程

3.3.1岩石材料非均匀性的描述

3.3.2岩石的应力-应变关系

3.4煤岩破裂过程固气耦合方程

3.4.1煤岩体中瓦斯渗流场方程

3.4.2煤岩体的变形场方程

3.4.3煤岩体细观基元的透气系数-损伤方程

3.4.4煤岩体流变特性方程

3.4.5煤岩-瓦斯固气耦合模型

3.5 RFPA2D-FLOW固气耦合模型数值解法

3.5.1瓦斯渗流场方程的离散化

3.5.2煤岩固体变形场方程的离散化

3.5.3 RFPA2D-FLOW固气耦合模型的分析过程

3.6 RFPA2D-FLOW固气耦合数值模型验证

3.6.1煤样破裂过程的数值模拟

3.6.2煤层瓦斯单向流动

3.6.3煤层瓦斯径向流动

3.7煤层瓦斯流动过程参数研究

3.8 小结

第四章煤岩细观结构对透气性的影响

4.1孔隙瓦斯压力下煤岩透气性演化规律

4.1.1数值模型

4.1.2模拟结果

4.2非均匀性对透气性演化的影响

4.2.1数值模型

4.2.2模拟结果

4.3裂隙对煤岩透气性的影响

4.3.1主裂隙岩样

4.3.2割理煤样

4.4小结

第五章含瓦斯煤岩破裂过程的力学及渗透特性

5.1引言

5.2含瓦斯煤岩破裂过程围压效应

5.2.1模型建立及参数选择

5.2.2含瓦斯煤岩变形及强度的围压效应

5.2.3含瓦斯煤岩声发射的围压效应

5.3含瓦斯煤岩破裂过程孔隙压力效应

5.3.1数值模型及参数

5.3.2孔隙瓦斯压力对煤岩变形强度的影响

5.3.3孔隙瓦斯压力下的声发射特性

5.4含瓦斯煤岩破裂过程围压效应的理论分析

5.5含瓦斯煤岩破裂过程卸荷效应

5.5.1数值模型及参数

5.5.2模拟结果

5.5.3分析与讨论

5.6煤岩的蠕变损伤破裂

5.6.1数值模型

5.6.2模拟结果

5.7含瓦斯煤岩破裂过程渗透性演化

5.7.1数值模型

5.7.2模拟结果

5.8 小结

第六章煤与瓦斯突出过程的数值模拟

6.1引言

6.2煤与瓦斯突出过程的模拟

6.2.1石门突出

6.2.2上山突出

6.2.3延期突出

6.3抽放作用下瓦斯渗流过程

6.3.1瓦斯抽放数值模型

6.3.2模拟结果

6.4抽放对瓦斯突出的影响

6.5 小结

第七章远程卸压瓦斯抽放模拟

7.1引言

7.2工程应用—远程卸压瓦斯抽放

7.2.1工程地质概况

7.2.2三孔抽放瓦斯

7.2.3单孔抽放瓦斯

7.3 小结

第八章结论与展望

8.1结论

8.2展望

参考文献

致谢

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