煤體瓦斯吸附解吸劣化損傷致突機理

目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 研究背景及意義 1
1.1.1 研究背景 1
1.1.2 研究意義 1
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2
1.2.1 含瓦斯煤體氣固耦合特性測試裝置研發(fā)現(xiàn)狀 2
1.2.2 考慮氣體吸附誘發(fā)煤體損傷劣化現(xiàn)狀 5
1.2.3 峰后煤體力學(xué)破壞特性與裂隙演化研究現(xiàn)狀 6
1.2.4 考慮氣體卸壓解吸對煤體損傷劣化研究現(xiàn)狀 8
1.3 研究目標(biāo)與研究內(nèi)容 10
1.3.1 研究目標(biāo) 10
1.3.2 研究內(nèi)容 10
1.4 研究方法與主要創(chuàng)新 11
1.4.1 研究方法 11
1.4.2 主要創(chuàng)新 11
參考文獻(xiàn) 13
第2章 基礎(chǔ)試驗儀器系統(tǒng)研發(fā) 20
2.1 引言 20
2.2 可視化恒容氣固耦合試驗系統(tǒng)研發(fā) 20
2.2.1 工作原理與功能指標(biāo) 21
2.2.2 可視化恒容試驗儀設(shè)計方案 24
2.2.3 設(shè)計強度校核 27
2.2.4 硅酮膠與二氧化碳吸附性能試驗驗證 31
2.2.5 圓柱標(biāo)準(zhǔn)試件環(huán)向變形測試系統(tǒng)設(shè)計方案 33
2.2.6 系統(tǒng)安裝與操作 38
2.3 煤粒瓦斯放散測定儀 46
2.3.1 儀器結(jié)構(gòu)與工作原理 46
2.3.2 技術(shù)參數(shù)與操作方法 48
2.4 巖石三軸力學(xué)滲透測試系統(tǒng) 49
2.4.1 系統(tǒng)主要功能與主要技術(shù)參數(shù) 50
2.4.2 系統(tǒng)構(gòu)成與各部分關(guān)鍵技術(shù) 51
2.4.3 試件安裝及更換方法 56
2.4.4 初步應(yīng)用 57
2.5 本章小結(jié) 61
參考文獻(xiàn) 61
第3章 氣體吸附誘發(fā)煤體劣化的試驗研究 64
3.1 引言 64
3.2 型煤標(biāo)準(zhǔn)試件研發(fā)與制作 64
3.2.1 型煤標(biāo)準(zhǔn)試件制作 65
3.2.2 強度與吸附性分析 67
3.3 靜態(tài)加載過程中氣體吸附誘發(fā)煤體劣化試驗研究 68
3.3.1 試驗一：不同性質(zhì)氣體吸附誘發(fā)煤體劣化試驗研究 70
3.3.2 試驗二：相同吸附量不同吸附壓力中煤體劣化試驗研究 74
3.4 本章小結(jié) 87
參考文獻(xiàn) 87
第4章 基于分形理論的煤體裂隙演化特征分析 90
4.1 引言 90
4.2 分形理論簡介 90
4.2.1 分形與分形維數(shù)的定義 90
4.2.2 分形理論在巖石力學(xué)與工程領(lǐng)域的應(yīng)用 91
4.3 煤體峰后裂隙的分形幾何研究方法 94
4.3.1 分維數(shù)的概念與盒維數(shù)法 94
4.3.2 基于分形理論的吸附煤體裂隙量化指標(biāo)與表征方法 95
4.4 氣體誘發(fā)煤體劣化試驗的峰后裂隙演化特征分析 97
4.4.1 基于MATLAB編程的煤體裂隙發(fā)育度計算方案 97
4.4.2 不同性質(zhì)氣體吸附誘發(fā)煤體劣化的峰后裂隙演化特征分析 98
4.4.3 不同吸附壓力劣化試驗中煤體峰后裂隙演化特征分析 105
4.5 本章小結(jié) 108
參考文獻(xiàn) 109
第5章 氣體吸附與應(yīng)力加載過程中煤體損傷劣化機制探究及數(shù)值驗證 111
5.1 引言 111
5.2 氣體吸附與加載過程中煤體損傷劣化模型研究 112
5.2.1 考慮氣體吸附與外部加載共同作用的煤體損傷劣化本構(gòu)關(guān)系 112
5.2.2 考慮氣體吸附與外部加載共同作用的煤體損傷劣化演化方程 115
5.2.3 氣體吸附誘發(fā)煤體損傷劣化數(shù)學(xué)模型應(yīng)用與驗證 116
5.3 氣體吸附誘發(fā)煤體強度劣化的力學(xué)分析 120
5.3.1 針對吸附煤體強度劣化的宏觀力學(xué)分析 120
5.3.2 基于顆粒離散元方法的劣化作用分析 124
5.4 PFC數(shù)值模擬與試驗驗證 132
5.4.1 PFC軟件特點 132
5.4.2 數(shù)值試驗方案 134
5.4.3 數(shù)值試驗過程與結(jié)果分析 137
5.5 本章小結(jié) 141
參考文獻(xiàn) 142
第6章 卸壓過程煤體瓦斯解吸-擴散特征 146
6.1 煤體瓦斯解吸擴散機理 146
6.1.1 煤的孔隙特征 146
6.1.2 煤基質(zhì)瓦斯擴散物理過程 148
6.2 環(huán)境氣壓對煤體瓦斯解吸影響試驗研究 148
6.2.1 試驗方案 148
6.2.2 環(huán)境氣壓對煤體瓦斯擴散動力學(xué)影響 149
6.3 煤體損傷對瓦斯解吸影響試驗研究 155
6.3.1 試驗方案 155
6.3.2 煤體損傷對瓦斯解吸影響及機理分析 156
6.4 考慮環(huán)境氣壓和煤體損傷的瓦斯解吸模型 158
6.4.1 模型形式確定 158
6.4.2 模型中環(huán)境氣壓的引入 160
6.4.3 模型中損傷變量的引入 161
6.5 小結(jié) 163
參考文獻(xiàn) 163
第7章 瓦斯卸壓誘發(fā)煤體損傷劣化研究 167
7.1 引言 167
7.2 煤體卸氣壓試驗 168
7.2.1 試驗方案 168
7.2.2 試驗步驟 170
7.2.3 試驗結(jié)果 171
7.3 氣體卸壓誘發(fā)煤體損傷演化規(guī)律及機理分析 173
7.3.1 煤體損傷程度 174
7.3.2 解吸氣體量 175
7.3.3 氣體卸壓速率 176
7.4 考慮氣體卸壓過程的煤體損傷演化數(shù)學(xué)模型 177
7.5 小結(jié) 180
參考文獻(xiàn) 181
第8章 瓦斯卸壓過程煤體有效應(yīng)力突變規(guī)律與影響機制 183
8.1 引言 183
8.2 瓦斯卸壓過程煤體有效應(yīng)力變化規(guī)律試驗研究 183
8.2.1 試驗原理 183
8.2.2 試驗方案 184
8.2.3 試驗步驟 186
8.2.4 試驗結(jié)果 187
8.3 氣體卸壓對煤體有效應(yīng)力影響及機制分析 188
8.3.1 有效應(yīng)力總體變化規(guī)律 188
8.3.2 煤體損傷對有效應(yīng)力突增量的影響 189
8.3.3 氣體吸附量對有效應(yīng)力突增量的影響 190
8.3.4 氣體壓力對有效應(yīng)力突增量的影響 191
8.3.5 時間對有效應(yīng)力突增量的影響 192
8.4 瓦斯卸壓過程煤體有效應(yīng)力數(shù)學(xué)模型 193
8.4.1 含瓦斯煤有效應(yīng)力模型研究 193
8.4.2 考慮瓦斯卸壓過程的含瓦斯煤有效應(yīng)力數(shù)學(xué)模型 195
8.5 小結(jié) 198
參考文獻(xiàn) 199
第9章 含瓦斯煤氣固耦合動力學(xué)模型及瓦斯卸壓致突數(shù)值模擬 201
9.1 引言 201
9.2 含瓦斯煤氣固耦合動力學(xué)模型 202
9.2.1 基本假設(shè) 202
9.2.2 裂隙系統(tǒng)瓦斯流動控制方程 204
9.2.3 煤體變形控制方程 205
9.2.4 含瓦斯煤氣固耦合動力學(xué)模型的建立 208
9.3 瓦斯卸壓致突數(shù)值模擬 209
9.3.1 模擬算例 209
9.3.2 COMSOL Multiphysics軟件介紹 210
9.3.3 模型建立 212
9.3.4 數(shù)值計算結(jié)果及分析 215
9.4 小結(jié) 219
參考文獻(xiàn) 220
第10章 結(jié)論與展望 221
10.1 結(jié)論 221
10.2 展望 223