动静载作用下吸附瓦斯煤体损伤渗流规律与致灾机理研究

来源 :山东大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:SilentWoolf_1981
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向深部要资源、能源和空间是保障我国经济社会发展的必然选择。在深地采掘过程中,煤与瓦斯突出、冲击地压、岩爆等煤岩动力灾害频发,具有极大的破坏性,会造成巨大的经济社会损失,其防治已成世界性难题。此类煤岩动力灾害的科学实质是高地应力与开采扰动荷载叠加作用下吸附高压瓦斯煤体的损伤破裂和瓦斯运移动力效应。然而,现有研究多从动载、静载和瓦斯吸附对煤岩体损伤的单一角度进行考虑,且受限于研究手段,动静叠加荷载下煤岩体损伤劣化的研究多以SHPB高应变率冲击试验为主,对应工程实际中机械掘进、打钻作业等中低应变率动载的研究较为匮乏。本文独辟蹊径,从动载、静载、瓦斯吸附诱发煤岩耦合损伤失稳这一独特角度入手,研发了可实现动静组合加载和多场耦合环境模拟的试验仪器,探讨了三者对煤体的宏观破裂力学响应和渗流演化的内在联系,揭示了动静载和瓦斯吸附叠加作用下煤体损伤渗流机制,建立了考虑动载诱发和瓦斯吸附劣化作用的煤体损伤-渗流多场耦合动力学模型,突破了动静叠加荷载作用下的工程尺度煤与瓦斯突出的物理模拟和数值模拟难题,揭示了煤与瓦斯突出等动力灾害的致灾机理,主要成果如下:1)基于现有仪器系统的不足,综合考虑深地工程煤岩动力灾害的复杂孕灾环境和动静组合应力条件,研发了可以实现动静耦合加载的吸附瓦斯煤力学与渗透试验仪器。该系统主要包括动静加载单元、三轴围压单元、流体注入单元以及信息采集单元。该试验系统的先进性和创新性主要包括:(1)实现了中低应变率动静多场耦合加载;(2)实现了充气加载过程中渗流室的高密封性;(3)实现了环向位移与轴向位移的同步精准测量;(4)实现了试件的快速更换,提高了试验效率与精度。2)开展了动静耦合加载条件下吸附瓦斯煤岩力学特性损伤劣化试验,研究了循环动载频率/振幅、静载应力、吸附气体压力对煤体宏观损伤特征参数如抗压强度、弹性模量的影响规律:(1)随着循环动载频率/振幅、静载应力和气体压力的增大,煤体强度和弹性模量的损伤越大;(2)在循环动载的施加阶段,煤体会产生一定程度的不可逆变形,且此变形的大小和动载频率、振幅、静载应力以及气体吸附压力呈正相关关系;(3)煤样三轴压缩过程中声发射与应力-应变曲线呈现明显的耦合效应,随着动载、静载阶段和气体吸附性的增大,振铃计数率与能量计数率峰值均出现在峰值强度并逐渐减小,累计振铃计数和累计能量计数均逐渐增大;(4)动静载作用下的煤岩体强度劣化主要是动静载和煤中的裂隙相互作用的过程。静载作用为改遍裂隙数量和尖端能量,动载在此基础上促使裂隙扩展最终导致煤体失去承载力。3)开展了动静载作用下和吸附瓦斯煤体渗流试验,获取了多因素耦合作用下煤体渗透率时空演化规律:(1)随着动载频率、振幅和静载应力的增大(压密-弹性-屈服),煤体渗透率逐渐增大;随着气体吸附性的增强,煤体渗透率逐渐降低;(2)得到了不同循环动载作用下煤岩体全应力-应变过程的渗透率演化曲线,煤样应力、轴向应变与渗透率之间呈现较好的耦合对应关系,且在循环动载施加阶段,渗透率和应力应变呈现同频共振的现象;(3)煤体渗透率对循环动载的敏感性较强,且静载应力阶段越大越敏感,吸附量越大,敏感性降低。渗透率动载敏感性系数随着吸附性气体吸附量的增大而减小,随着静载应力阶段的增大而增大;(4)综合考虑煤岩体动载冲击损伤、静载变形损伤和瓦斯吸附损伤,建立了动静载和瓦斯吸附耦合作用下的煤岩渗透率演化方程。4)考虑动静载和瓦斯吸附的叠加作用,推导完成了适用于动静多场环境吸附瓦斯煤的损伤演化方程和渗透率演化方程,将轴向静载、循环动载冲击和瓦斯吸附等影响因素共同作用下的煤岩体应力场和渗流场方程耦合在一起,建立吸附瓦斯煤损伤-渗流多场耦合动力学模型。立足工程尺度开展了巷道振动掘进诱发煤与瓦斯突出物理模拟试验,得到了和现场极其相似的现象和结果。基于COMSOL Multiphysics数值模拟软件,采用本文模型和传统模型分别以物理模拟试验为算例开展数值模拟试验,对比两模型的数值模拟结果和试验结果的相似度,验证了模型的可行性和理论的科学性。研究成果将有助于揭示动静叠加荷载下吸附瓦斯煤的损伤劣化与渗流机制,深化对煤与瓦斯突出等动力灾害发生机理的认识,为有效控制深部工程动力灾害,实现深部煤炭安全开采,保障国家能源资源安全和经济社会发展发挥重大作用。
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