含瓦斯煤蠕变-渗流演化实验与理论研究

来源 :中国矿业大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:wangshuo3246
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随着煤矿开采逐渐走向深部,煤岩体面临着“三高、强扰动和强时效”复杂力学环境,极易诱发煤岩动力灾害特别是复合型动力灾害,对煤矿安全生产构成极大威胁。因此,本文基于岩石力学、损伤力学、流变力学、断裂力学和渗流力学等理论,采用物理实验和数值模拟相结合的方法,研究了煤体在高地应力、高渗透压、强扰动和强时效等多场耦合作用下的蠕变-渗流演化规律,主要结论如下:(1)将煤岩动力灾害分为2大类,发现原生煤在峰后阶段表现出Class Ⅰ特征且峰后模量ki<0。峰值强度σp和残余强度σr与围压符合Mohr-Coulomb准则,弹性模量E和峰值应变εp随围压增大呈幂函数增大。本文提出了煤体脆性指数Bi的概念和计算公式,计算结果表明矿井向深部延伸时,围压增大煤体Bi减小,变形破坏从脆性转为延性。(2)根据声发射(AE)响应计算损伤变量,发现原生煤进入塑性变形前损伤变量D<0.2。在塑性变形阶段,出现裂纹损伤,AE活动剧烈。在峰值强度点处,AE计数达到最大值,最大AE计数随围压增大而增大。(3)针对煤体三轴压缩损伤演化情况,建立了 2种损伤本构模型:AE损伤本构模型和损伤塑性本构模型。对比2种模型发现AE法适合预测损伤演化,而损伤塑性本构模型能有效表征损伤塑性变形。(4)本文提出了 2个重要蠕变指标——单级蠕变应变(SSCS)和平均蠕变速率(ACR),能有效反映煤岩体蠕变特性。而且,随着偏应力增大,SSCS和ACR呈幂函数增大。(5)同时进行常规三轴蠕变(CTMC)和分级循环蠕变(TCCR)实验,利用Burgers模型预测煤体在CTMC和TCCR实验中的瞬时弹性变形、瞬时蠕变和稳态蠕变。基于Levenberg-Marquardt法,明确了蠕变参数求解方法。发现Maxwell弹性模量EM最小,粘性系数ηM最大,且ηM随偏应力增大而增大;Kelvin弹性模量EK和粘性系数ηK随偏应力增大而减小。(6)准静态压缩和蠕变实验结果表明,原生煤在三轴应力状态下的破坏类型可分为4种:劈裂-剪切复合型破坏、剪切破坏、Y-型剪切破坏、多重剪切破坏。而且,煤体破裂角β随着围压的增大而增大。(7)利用颗粒流PFC平行黏结模型(PBM)模拟8组不同围压条件下煤体变形损伤过程裂纹演化规律,发现围压增大,峰值应变能增大,而峰值应力点处的裂纹数减小。本文提出裂纹萌生应变阈值(CISAT)的概念和PFC裂纹数判别法,应用PFC裂纹数判别法算得CISAT和裂纹萌生应力阈值(CISET)。发现围压增大,CISET和CISAT呈增大趋势,表明深部围压较大时能限制煤岩体裂纹萌生。(8)PFC数值模拟结果表明煤体裂纹可分成6类:剪切裂纹、拉伸裂纹、次级剪切裂纹、次级拉伸裂纹、剪切为主的混合裂纹、拉伸为主的混合裂纹。拉伸裂纹沿最大主应力方向相对稳定地传播,拉伸裂纹和次级拉伸裂纹呈锯齿状或羽状;围压增大,拉伸裂纹消失,形成拉伸为主的混合裂纹。剪切裂纹通常较拉伸裂纹长并以非稳定的形式传播,剪切裂纹尖端或中部往往会萌生次级剪切裂纹。剪切裂纹一般以准平行剪切裂纹(QPSC)的形式出现,QPSC能传播至试样边界。裂纹萌生与传播终将形成裂纹合并区(CCZ),煤样失稳破坏以剪切-拉伸混合破坏和剪切破坏为主。(9)型煤和原煤吸附/解吸变形实验结果表明,型煤的轴向应变和环向应变会经历吸附膨胀应变增大、吸附平衡、卸压解吸应变下降和解吸平衡,而原煤的环向应变则经历充气压缩应变下降、吸附膨胀应变增大、吸附平衡、卸压解吸应变下降和解吸平衡。在同一瓦斯压力下,型煤比原煤先达吸附平衡状态,型煤和原煤的解吸速率比吸附速率大。本文建立了优化Langmuir模型,较传统Langmuir模型和二项式模型更能表征煤体吸附/解吸变形。(10)常规三轴蠕变-渗流耦合实验结果显示,煤体内部孔隙裂隙先后经过2次变化:煤体受三轴应力压缩,孔隙裂隙压密,瓦斯流动通道受阻渗透率减小;当应力超过长期强度或应变大于应变阈值时,煤体发生加速蠕变或变形破坏,孔隙裂隙增生与合并,瓦斯通道贯通渗透率增大。基于Kozeny-Carman公式,本文提出了煤体渗透率与应变耦合动力学模型,蠕变-渗流实验验证该模型可靠。
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