【摘要】：在國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天,煤炭依舊是我國(guó)主導(dǎo)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(jīng)濟(jì)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(qiáng)度的不斷增大,煤巖瓦斯突出地質(zhì)災(zāi)害已成為煤礦普遍關(guān)注的安全問題,這種工程災(zāi)害是煤巖受應(yīng)力擾動(dòng)后變形破裂與吸附瓦斯運(yùn)移動(dòng)態(tài)演化的耦合作用結(jié)果,因此,研究氣體吸附對(duì)煤巖體的損傷劣化作用機(jī)制是探索煤與瓦斯突出機(jī)理的基礎(chǔ)與必要條件,并且具有十分重大的工程應(yīng)用價(jià)值和社會(huì)意義。氣體吸附中的煤巖體可被假定為一種非均質(zhì)的多相復(fù)合結(jié)構(gòu),在受到外力作用以后,隨機(jī)分布在煤體內(nèi)部的微缺陷不斷變化,形成貫通,逐漸產(chǎn)生宏觀裂隙導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞,與此同時(shí),吸附在煤基質(zhì)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(xiàn)為加速和促進(jìn)了煤巖體結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞。氣體吸附與應(yīng)力加載誘發(fā)煤體的變形破裂過程是非常復(fù)雜的,將煤體視為連續(xù)介質(zhì),僅從宏觀角度運(yùn)用經(jīng)典彈塑性力學(xué)或斷裂損傷力學(xué)的方法來描述,與實(shí)際不符,難以獲得理想的結(jié)果,且目前試驗(yàn)手段單一,試驗(yàn)儀器可視化程度較低,導(dǎo)致多相耦合環(huán)境中煤體的各項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù)難以獲取,進(jìn)而阻礙了試驗(yàn)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(yàn)系統(tǒng),采用理論分析與室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方式,基于室內(nèi)劣化試驗(yàn)結(jié)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(yīng)力加載過程中煤體在宏細(xì)觀層面上的變形破裂過程和損傷劣化機(jī)制。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下:1)基于試驗(yàn)全程可視化監(jiān)測(cè)和氣固耦合狀態(tài)中恒容精確加載等試驗(yàn)理念,采用SolidWorks三維械設(shè)計(jì)軟件與ABAQUS有限元計(jì)算校核的形式,研發(fā)設(shè)計(jì)可視化恒容氣固耦合試驗(yàn)系統(tǒng),配合伺服壓力機(jī),形成了以可視化恒容試驗(yàn)儀、氣體充填模塊、軸向加載模塊、試件變形監(jiān)測(cè)模塊為主體的四大關(guān)鍵功能模塊。詳細(xì)闡述了系統(tǒng)構(gòu)成、功能特點(diǎn)、密封方案與關(guān)鍵參數(shù),并開展了相關(guān)應(yīng)用,驗(yàn)證了系統(tǒng)功能指標(biāo),為后續(xù)試驗(yàn)研究提供科學(xué)試驗(yàn)儀器;為精確獲取和深入研究煤巖體標(biāo)準(zhǔn)試件在氣體吸附和全應(yīng)力應(yīng)變過程中環(huán)向變形規(guī)律與峰后擴(kuò)容力學(xué)特性,借鑒MTS(Mechanics Test Systems)鏈?zhǔn)江h(huán)向引伸計(jì),基于角度測(cè)量原理的試件環(huán)向變形測(cè)試方法,研發(fā)基于角度量測(cè)的圓柱試件環(huán)向變形測(cè)試系統(tǒng),闡明了測(cè)試方法原理,推導(dǎo)建立了針對(duì)該系統(tǒng)的環(huán)向變形計(jì)算方程,為耦合加載過程中煤巖體的變形監(jiān)測(cè)提供可行性監(jiān)測(cè)方案和硬件支持;2)為定量研究氣體吸附對(duì)煤體的損傷劣化作用規(guī)律,探索其劣化機(jī)制,制作強(qiáng)度可調(diào)的型煤標(biāo)準(zhǔn)試件,利用所研發(fā)的試驗(yàn)系統(tǒng),開展了氣體吸附誘發(fā)煤體損傷劣化的系列室內(nèi)試驗(yàn),監(jiān)測(cè)與分析煤體在氣固耦合與動(dòng)靜載荷條件下的煤體強(qiáng)度、變形和裂隙發(fā)育等宏觀試驗(yàn)參數(shù),系統(tǒng)模擬和研究不同吸附條件與應(yīng)力加載條件對(duì)煤體的損傷劣化影響,試驗(yàn)結(jié)果表明:氣體吸附含量的增加是導(dǎo)致煤體強(qiáng)度降低、體積擴(kuò)容及促使裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展的關(guān)鍵因素;3)從宏觀層面,基于表面物理化學(xué)理論和摩爾-庫侖強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則對(duì)煤體強(qiáng)度劣化作用進(jìn)行力學(xué)分析,得到煤體強(qiáng)度、變形量受吸附平衡壓力和吸附量的影響關(guān)系;從細(xì)觀層面,利用連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)方法探索其強(qiáng)度劣化誘因與損傷劣化機(jī)制,重點(diǎn)探討氣體吸附與荷載作用中煤體損傷本構(gòu)關(guān)系,建立損傷演化方程并實(shí)例驗(yàn)證了正確性;4)結(jié)合室內(nèi)劣化試驗(yàn)結(jié)果,基于分形理論與MATLAB軟件編程提取試驗(yàn)過程加載圖像,獲取煤體在峰后應(yīng)力階段宏觀裂隙發(fā)育擴(kuò)展與演化特征,計(jì)算得到煤體各應(yīng)力階段的裂隙密度、分形維數(shù);基于PFC計(jì)算原理,結(jié)合劣化試驗(yàn)參數(shù)對(duì)氣體吸附與應(yīng)力加載過程中煤體裂隙演化特征進(jìn)行數(shù)值仿真驗(yàn)證試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果反演了顆粒離散元PFC中本構(gòu)方程的關(guān)鍵參數(shù),通過各參數(shù)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(shí)現(xiàn)了對(duì)宏觀變量如強(qiáng)度、變形及裂隙擴(kuò)展程度的模擬分析。研究?jī)?nèi)容為對(duì)于深入認(rèn)識(shí)含瓦斯煤體物理力學(xué)特性和煤與瓦斯突出機(jī)理等工程問題具有非常重要的借鑒意義。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TD82
【圖文】：

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，可再生能源的發(fā)展在我國(guó)能源系統(tǒng)中的占比進(jìn)一步提升，但從逡逑全球各國(guó)的能源結(jié)構(gòu)來看，煤炭依然在全球能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占主要比重，其中中國(guó)、印度逡逑和南非三個(gè)國(guó)家的煤炭消費(fèi)，在一次能源消費(fèi)中的占比高于６０％。煤炭作為我國(guó)主導(dǎo)能逡逑源，２０５０年將占能源消耗的５０％以上。近年來，我國(guó)煤炭開采深度和力度不斷加大，礦逡逑井地質(zhì)條件愈加復(fù)雜，含瓦斯礦井與突出傾向性礦井?dāng)?shù)量持續(xù)增多，發(fā)生煤與瓦斯動(dòng)力現(xiàn)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(dòng)力災(zāi)害逡逑己成為煤礦普遍的安全問題，這種工程災(zāi)害是煤巖變形破裂與瓦斯運(yùn)移動(dòng)態(tài)演化共同導(dǎo)致逡逑的突發(fā)性災(zāi)害。尤其高瓦斯礦井發(fā)生的煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害危害巨大，常造成重大傷亡逡逑經(jīng)濟(jì)損失和惡劣社會(huì)影響，嚴(yán)重制約著煤礦安全高效生產(chǎn)。我國(guó)煤與瓦斯突出礦井?dāng)?shù)量多，逡逑瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重，近年來，煤與瓦斯突出事故時(shí)有發(fā)生，統(tǒng)計(jì)表明我國(guó)累計(jì)礦井煤與瓦斯突逡逑出次數(shù)約占世界４０％以上，死亡人數(shù)己占到煤礦總死亡人數(shù)的１／３｜ＵＩ。煤與瓦斯突出的逡逑監(jiān)測(cè)預(yù)警與防治的已成為世界性難題和研究熱點(diǎn)，也成為我國(guó)高瓦斯礦井安全生產(chǎn)亟待解逡逑決的科學(xué)問題，是國(guó)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(xiàn)場(chǎng)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(fù)雜的混合介質(zhì)，其吸附耦合狀態(tài)直接影響了煤巖體的力學(xué)特性瓦斯賦存于煤體中，在地應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力的作用下，與煤基質(zhì)發(fā)生吸附解吸作用，共同成氣固耦合作用系統(tǒng)；氣體吸附于煤巖顆粒表面，降低了煤巖顆粒表面自由能，導(dǎo)致煤強(qiáng)度和應(yīng)力狀態(tài)的變化，而煤體強(qiáng)度、變形與應(yīng)力狀態(tài)的改變導(dǎo)致瓦斯含量、煤體滲透及瓦斯涌出量的變化，進(jìn)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(duì)煤巖體的力學(xué)作用制是探索煤與瓦斯突出機(jī)理的基礎(chǔ)與前提條件。逡逑近年來，國(guó)內(nèi)外眾多專家學(xué)者和工程技術(shù)人員分別通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、突出實(shí)例統(tǒng)計(jì)分析試驗(yàn)室研宄和理論分析等不同研究手段，對(duì)含瓦斯煤物理力學(xué)特性、損傷劣化及擴(kuò)容機(jī)方面開展了廣泛研宄，特別是在煤體吸附膨脹變形機(jī)制、滲流演化機(jī)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(xiàn)場(chǎng)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(fù)雜的混合介質(zhì)，其吸附耦合狀態(tài)直接影響了煤巖體的力學(xué)特性。逡逑瓦斯賦存于煤體中，在地應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力的作用下，與煤基質(zhì)發(fā)生吸附解吸作用，共同構(gòu)逡逑成氣固耦合作用系統(tǒng)；氣體吸附于煤巖顆粒表面，降低了煤巖顆粒表面自由能，導(dǎo)致煤體逡逑強(qiáng)度和應(yīng)力狀態(tài)的變化，而煤體強(qiáng)度、變形與應(yīng)力狀態(tài)的改變導(dǎo)致瓦斯含量、煤體滲透率逡逑及瓦斯涌出量的變化，進(jìn)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(duì)煤巖體的力學(xué)作用機(jī)逡逑制是探索煤與瓦斯突出機(jī)理的基礎(chǔ)與前提條件。逡逑近年來，國(guó)內(nèi)外眾多專家學(xué)者和工程技術(shù)人員分別通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、突出實(shí)例統(tǒng)計(jì)分析、逡逑試驗(yàn)室研宄和理論分析等不同研究手段

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