【摘要】：在國民經濟高速發(fā)展的今天,煤炭依舊是我國主導能源,2050年仍將占能源消耗的50%以上,如何確保安全、穩(wěn)定的能源供給是經濟持續(xù)、健康發(fā)展的重要保障。然而隨著煤炭開采深度和強度的不斷增大,煤巖瓦斯突出地質災害已成為煤礦普遍關注的安全問題,這種工程災害是煤巖受應力擾動后變形破裂與吸附瓦斯運移動態(tài)演化的耦合作用結果,因此,研究氣體吸附對煤巖體的損傷劣化作用機制是探索煤與瓦斯突出機理的基礎與必要條件,并且具有十分重大的工程應用價值和社會意義。氣體吸附中的煤巖體可被假定為一種非均質的多相復合結構,在受到外力作用以后,隨機分布在煤體內部的微缺陷不斷變化,形成貫通,逐漸產生宏觀裂隙導致結構破壞,與此同時,吸附在煤基質表面的氣體分子降低了煤體表面自由能,在宏觀層面上表現為加速和促進了煤巖體結構的失穩(wěn)破壞。氣體吸附與應力加載誘發(fā)煤體的變形破裂過程是非常復雜的,將煤體視為連續(xù)介質,僅從宏觀角度運用經典彈塑性力學或斷裂損傷力學的方法來描述,與實際不符,難以獲得理想的結果,且目前試驗手段單一,試驗儀器可視化程度較低,導致多相耦合環(huán)境中煤體的各項物理力學參數難以獲取,進而阻礙了試驗研究與理論研究的開展。為此,本文通過自主研發(fā)的配套試驗系統,采用理論分析與室內試驗相結合的方式,基于室內劣化試驗結果,從煤體損傷-劣化及裂隙分形等角度分析研究氣體吸附與應力加載過程中煤體在宏細觀層面上的變形破裂過程和損傷劣化機制。本文的主要研究內容如下:1)基于試驗全程可視化監(jiān)測和氣固耦合狀態(tài)中恒容精確加載等試驗理念,采用SolidWorks三維械設計軟件與ABAQUS有限元計算校核的形式,研發(fā)設計可視化恒容氣固耦合試驗系統,配合伺服壓力機,形成了以可視化恒容試驗儀、氣體充填模塊、軸向加載模塊、試件變形監(jiān)測模塊為主體的四大關鍵功能模塊。詳細闡述了系統構成、功能特點、密封方案與關鍵參數,并開展了相關應用,驗證了系統功能指標,為后續(xù)試驗研究提供科學試驗儀器;為精確獲取和深入研究煤巖體標準試件在氣體吸附和全應力應變過程中環(huán)向變形規(guī)律與峰后擴容力學特性,借鑒MTS(Mechanics Test Systems)鏈式環(huán)向引伸計,基于角度測量原理的試件環(huán)向變形測試方法,研發(fā)基于角度量測的圓柱試件環(huán)向變形測試系統,闡明了測試方法原理,推導建立了針對該系統的環(huán)向變形計算方程,為耦合加載過程中煤巖體的變形監(jiān)測提供可行性監(jiān)測方案和硬件支持;2)為定量研究氣體吸附對煤體的損傷劣化作用規(guī)律,探索其劣化機制,制作強度可調的型煤標準試件,利用所研發(fā)的試驗系統,開展了氣體吸附誘發(fā)煤體損傷劣化的系列室內試驗,監(jiān)測與分析煤體在氣固耦合與動靜載荷條件下的煤體強度、變形和裂隙發(fā)育等宏觀試驗參數,系統模擬和研究不同吸附條件與應力加載條件對煤體的損傷劣化影響,試驗結果表明:氣體吸附含量的增加是導致煤體強度降低、體積擴容及促使裂隙進一步擴展的關鍵因素;3)從宏觀層面,基于表面物理化學理論和摩爾-庫侖強度破壞準則對煤體強度劣化作用進行力學分析,得到煤體強度、變形量受吸附平衡壓力和吸附量的影響關系;從細觀層面,利用連續(xù)介質損傷力學方法探索其強度劣化誘因與損傷劣化機制,重點探討氣體吸附與荷載作用中煤體損傷本構關系,建立損傷演化方程并實例驗證了正確性;4)結合室內劣化試驗結果,基于分形理論與MATLAB軟件編程提取試驗過程加載圖像,獲取煤體在峰后應力階段宏觀裂隙發(fā)育擴展與演化特征,計算得到煤體各應力階段的裂隙密度、分形維數;基于PFC計算原理,結合劣化試驗參數對氣體吸附與應力加載過程中煤體裂隙演化特征進行數值仿真驗證試驗,根據試驗結果反演了顆粒離散元PFC中本構方程的關鍵參數,通過各參數的定量弱化來模擬氣體吸附與加載過程中煤體劣化,從顆粒離散元的角度實現了對宏觀變量如強度、變形及裂隙擴展程度的模擬分析。研究內容為對于深入認識含瓦斯煤體物理力學特性和煤與瓦斯突出機理等工程問題具有非常重要的借鑒意義。
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TD82
【圖文】：

隨著經濟社會的發(fā)展，可再生能源的發(fā)展在我國能源系統中的占比進一步提升，但從逡逑全球各國的能源結構來看，煤炭依然在全球能源消費結構中占主要比重，其中中國、印度逡逑和南非三個國家的煤炭消費，在一次能源消費中的占比高于６０％。煤炭作為我國主導能逡逑源，２０５０年將占能源消耗的５０％以上。近年來，我國煤炭開采深度和力度不斷加大，礦逡逑井地質條件愈加復雜，含瓦斯礦井與突出傾向性礦井數量持續(xù)增多，發(fā)生煤與瓦斯動力現逡逑象的突出礦井也將日益增多，煤與瓦斯突出死亡人比例更是逐年上升，煤巖瓦斯動力災害逡逑己成為煤礦普遍的安全問題，這種工程災害是煤巖變形破裂與瓦斯運移動態(tài)演化共同導致逡逑的突發(fā)性災害。尤其高瓦斯礦井發(fā)生的煤與瓦斯突出動力災害危害巨大，常造成重大傷亡逡逑經濟損失和惡劣社會影響，嚴重制約著煤礦安全高效生產。我國煤與瓦斯突出礦井數量多，逡逑瓦斯災害嚴重，近年來，煤與瓦斯突出事故時有發(fā)生，統計表明我國累計礦井煤與瓦斯突逡逑出次數約占世界４０％以上，死亡人數己占到煤礦總死亡人數的１／３｜ＵＩ。煤與瓦斯突出的逡逑監(jiān)測預警與防治的已成為世界性難題和研究熱點，也成為我國高瓦斯礦井安全生產亟待解逡逑決的科學問題，是國家能源安全的重要戰(zhàn)略需求和突破方向｜３１。逡逑天作氣邋３＾２％邋非３．４％邋＿逡逑

圖１．２突出事故救助現場逡逑Ｆｉｇ邋１．２邋Ｏｕｔｂｕｒｓｔ邋ａｃｃｉｄｅｎｔ邋ｒｅｓｃｕｅ邋ｓｉｔｅ逡逑Ｕ．２研究意義逡逑含瓦斯煤作為一種復雜的混合介質，其吸附耦合狀態(tài)直接影響了煤巖體的力學特性瓦斯賦存于煤體中，在地應力、構造應力的作用下，與煤基質發(fā)生吸附解吸作用，共同成氣固耦合作用系統；氣體吸附于煤巖顆粒表面，降低了煤巖顆粒表面自由能，導致煤強度和應力狀態(tài)的變化，而煤體強度、變形與應力狀態(tài)的改變導致瓦斯含量、煤體滲透及瓦斯涌出量的變化，進而影響煤與瓦斯突出的發(fā)生、發(fā)展與終止全過程，這在研究“與瓦斯”體系問題中具有舉足輕重的作用｜４１，因此，研宄氣體吸附對煤巖體的力學作用制是探索煤與瓦斯突出機理的基礎與前提條件。逡逑近年來，國內外眾多專家學者和工程技術人員分別通過現場觀測、突出實例統計分析試驗室研宄和理論分析等不同研究手段，對含瓦斯煤物理力學特性、損傷劣化及擴容機方面開展了廣泛研宄，特別是在煤體吸附膨脹變形機制、滲流演化機制方面取得了顯著

逑ｍｍｍｍｍ逡逑＿W逡逑圖１．２突出事故救助現場逡逑Ｆｉｇ邋１．２邋Ｏｕｔｂｕｒｓｔ邋ａｃｃｉｄｅｎｔ邋ｒｅｓｃｕｅ邋ｓｉｔｅ逡逑Ｕ．２研究意義逡逑含瓦斯煤作為一種復雜的混合介質，其吸附耦合狀態(tài)直接影響了煤巖體的力學特性。逡逑瓦斯賦存于煤體中，在地應力、構造應力的作用下，與煤基質發(fā)生吸附解吸作用，共同構逡逑成氣固耦合作用系統；氣體吸附于煤巖顆粒表面，降低了煤巖顆粒表面自由能，導致煤體逡逑強度和應力狀態(tài)的變化，而煤體強度、變形與應力狀態(tài)的改變導致瓦斯含量、煤體滲透率逡逑及瓦斯涌出量的變化，進而影響煤與瓦斯突出的發(fā)生、發(fā)展與終止全過程，這在研究“煤逡逑與瓦斯”體系問題中具有舉足輕重的作用｜４１，因此，研宄氣體吸附對煤巖體的力學作用機逡逑制是探索煤與瓦斯突出機理的基礎與前提條件。逡逑近年來，國內外眾多專家學者和工程技術人員分別通過現場觀測、突出實例統計分析、逡逑試驗室研宄和理論分析等不同研究手段

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