【摘 要】
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在煤矿资源开采的工程活动中,瓦斯是造成煤与瓦斯突出事故的主要因素,渗透率是判别瓦斯涌出量的重要指标。随着采掘工作面的持续推进,工作面前方煤岩的应力环境发生明显的变化,导致煤岩在采掘扰动下出现损伤破坏。在地下赋存环境下,煤岩处于应力、水分和瓦斯相互耦合的复杂环境,渗透率演化规律更加复杂。在外部荷载作用下煤岩损伤破坏的本质属性是能量耗散导致煤岩逐渐失去承载能力的过程,弹性应变能突然释放转化为破坏的动力
【基金项目】
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国家自然科学基金(52064007、51804085和51911530203); 贵州省省级科技计划项目(黔科合基础-ZK[2021]重点052);
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在煤矿资源开采的工程活动中,瓦斯是造成煤与瓦斯突出事故的主要因素,渗透率是判别瓦斯涌出量的重要指标。随着采掘工作面的持续推进,工作面前方煤岩的应力环境发生明显的变化,导致煤岩在采掘扰动下出现损伤破坏。在地下赋存环境下,煤岩处于应力、水分和瓦斯相互耦合的复杂环境,渗透率演化规律更加复杂。在外部荷载作用下煤岩损伤破坏的本质属性是能量耗散导致煤岩逐渐失去承载能力的过程,弹性应变能突然释放转化为破坏的动力,为煤与瓦斯突出创造外部条件。因此,分析水分及应力对煤岩损伤破坏的影响,研究煤岩损伤演化过程中渗透特性及能量演化规律对科学指导煤矿安全开采作业具有重要意义。本文研究的试验样品取自于山西晋城赵庄矿和寺河矿3#煤层,通过三轴伺服渗流装置分别开展不同含水率条件下的三轴压缩力学试验及渗流试验,采用试验研究与理论分析相结合的方法,深入开展水力耦合下煤岩损伤破坏过程中的力学特性及渗流特性研究,建立煤岩损伤-渗流、损伤-能量耦合的模型,主要取得如下的研究进展:1)进行不同含水率下煤岩三轴压缩渗流试验及改变有效应力渗流试验,分别探讨不同含水率下煤岩损伤力学及渗流特征,研究煤岩全应力应变过程中的力学强度变化,揭示水分对煤岩力学和渗流特性的影响规律。2)提出水力耦合下煤岩变形破坏过程的整体损伤演化方程,基于煤岩损伤力学和渗透特性研究,构建水分及应力作用下的煤岩损伤本构模型及不同阶段煤岩弹塑性变形损伤渗流模型,试验验证所建模型的合理性,可表征煤岩采掘扰动下的动态力学规律及瓦斯运移特征。3)分析水分及应力影响下煤岩损伤过程的能量演化规律,对应不同的变形破坏阶段煤岩的能量积累、转化和释放均呈现阶段性变化。将煤岩单元分为孔隙和骨架两部分材料组成,以统计损伤力学为基础,从能量耗散角度建立孔隙变化影响下的损伤本构模型,采用能量参数定量分析煤岩脆性程度受峰前及峰后脆性参数的影响,进一步揭示三轴压缩力学过程煤岩整体损伤与能量耗散的互馈关系。
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