水-力耦合下煤岩力学特性及损伤本构模型研究

为探究水分对煤岩力学特性的影响,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验装置,开展不同含水率下原煤三轴压缩试验研究。基于弹性损伤力学,推导表征不同含水率下煤岩整体损伤的损伤变量,建立水-力耦合作用下煤岩分段损伤本构模型,得到煤岩的变形随含水率的变化规律。结果表明:(1)不同含水率下煤岩的变形规律基本一致,破坏过程可分为峰前应力阶段、峰后应力阶段和残余阶段;(2)随着含水率增大,煤岩受水分作用峰值应力降低,泊松比增大,弹性模量均呈线性单调减小,煤岩脆性逐渐减小;(3)所建立的损伤本构模型可以较好地表征不同含水率下全应力-应变过程中的变形特征,适用于分析不同含水率下煤体三轴压缩应力应变问题;(4)损伤修正系数q和损伤本构系数n共同决定了损伤本构模型的曲线形状,q反映了煤岩残余变形的特征,n反映了应力-应变曲线的峰后不同的软化程度。     

煤和砂岩加载弹塑性损伤本构方程

为了研究煤岩和砂岩在加载过程中的损伤对岩石力学性质的影响,分别对煤岩和砂岩做单轴和三轴全应力应变加卸载实验。进而构建岩石的损伤本构方程,实验结果表明:随着岩石损伤的增大,岩石的卸载弹性模量逐渐减小,塑性应变逐渐增加,表明岩石损伤属于弹塑性损伤;同时随着围压的增大,岩石的弹性模量随损伤的增加而下降的速率减小,表明岩石损伤主要引起岩石塑性应变的增加,岩石损伤破坏逐渐由脆性破坏向塑性破坏转变。假设岩石损伤速率符合威布尔统计分布规律,在此基础上构建煤岩损伤演化方程,通过实验和相关分析构建煤和砂岩弹塑性损伤本构方程。最后用构建的本构方程对实验曲线进行拟合,验证了弹塑性损伤本构方程的正确性。      

采动煤岩渗透率演化模型及数值模拟

为描述采动煤岩渗透率演化过程,引入强度退化指数,基于Hoek-Brown强度准则,建立了考虑围压影响的煤岩应变软化力学本构模型。给出了体积应变和渗透率的关系方程,结合应变软化模型建立了采动煤岩渗透率演化模型,并在FLAC下予以实现。通过数值模拟研究了不同围压下圆柱岩样的峰后应变软化力学行为和某煤矿工作面开采过程中煤岩的渗透率演化过程,结果表明：（1）该模型能较好地反映围压对煤岩峰后应变软化行为的影响;（2）随着工作面推进,越来越多的煤岩单元破坏,渗透率也不断增长,逐渐成为瓦斯等流体运移的主要通道。（3）模型能再现采动煤岩渗透率演化的动态过程,从而为煤与瓦斯共采、煤层瓦斯抽放和瓦斯灾害防治提供指导。     

混凝土混合硬化黏塑性损伤统本构模型

传统的黏塑性统一本构模型只能用于金属类材料的本构分析,而不适用于混凝土的本构分析.基于此,以不可逆热力学理论为基础,选定了涉及混合硬化参量的Helmholtz自由能函数,推导出混凝土的黏塑性损伤耦合本构模型.通过对混凝土硬化模型的分析,构造了含运动硬化和等向硬化内变量的非相关流动势函数,又推导出流动方程以及内变量演化方程.所建模型对混凝土试验曲线的数值模拟显示,其能够正确描述混凝土的率相关性、非弹性体积膨胀特性、加载过程的软硬化特性以及由断裂和损伤引起的应力软化现象.     

含瓦斯煤的内时本构模型

根据瓦斯对煤的力学变形特性影响的实验结果，采用内蕴时间塑性理论，建立了含瓦斯煤的内时本构关系，给出了本构关系中材料常数的确定方法，并地实验验证。     

基于不同弹性本构方程的塑性区宽度及封孔长度研究

煤层注水是煤矿开采过程中重要的增透卸压手段,而封孔长度是影响注水压裂效果的一个关键因素。为了确定出合理的封孔长度,根据Lippmann煤层失稳基本理论,选取了6种不同的弹性区本构方程,引入非线性动态瓦斯压力分布的表达式,构建了含瓦斯煤层力学理论模型,得到煤层垂直、水平应力和塑性区宽度的解析式,之后结合高家堡的现场情况,对比分析6种弹性本构方程下的煤层应力分布曲线及塑性区宽度,并进行了现场封孔试验。结果表明：封孔长度在9.5 m时孔洞漏水量小、未出现异常现象,封孔效果良好,最终确定出了合理的封孔长度为9.5 m;相对于其他3种弹性本构方程,选取第i、v、vi种弹性本构方程对封孔长度进行理论计算分析,更加符合现场实际情况。     

地面垂直钻孔预抽特厚煤层瓦斯数值试验与应用

为解决塔山煤矿高强度开采条件下瓦斯低含量、高涌出的问题,同时为了弥补大型物理实验和现场试验成本高、操作难的缺点,根据该矿8101工作面所属区域煤层的地质和瓦斯赋存条件,确定了数值试验方案,对地面垂直钻孔预抽特厚煤层瓦斯的效果进行优化分析。基于煤岩（体）的孔隙特征,构建了含瓦斯煤岩（体）破裂过程气-固耦合和渗透率-损伤耦合数学本构模型。采用RFPA2D瓦斯分析版软件建立地面钻孔抽放瓦斯的数值计算模型,设置有关简化条件、边界条件和物性参数,通过数值试验得出：地面垂直钻孔的终孔位置布置在煤层底部比较合理;在综合考虑地面垂直钻孔投入成本和瓦斯抽采效果的基础上,确定地面垂直钻孔间距为50～60 m比较合理。同时,由8101工作面地面垂直钻孔抽采煤层瓦斯的实际应用效果分析可知,当地面垂直钻孔的终孔位置布置在煤层底部,且钻孔间距布置为50 m时,能够实现良好的瓦斯抽放效果,这也从一定程度上进一步验证了数值试验的合理性和可行性。     

非均匀煤岩渗流-应力弹塑性耦合数学模型及数值模拟

利用Weibull分布模拟煤岩弹性模量和强度的非均匀性,结合煤岩弹塑性变形理论和瓦斯渗流理论,建立了非均匀煤岩渗流-应力弹塑性耦合数学模型,给出了该数学模型的有限元离散方程,开发了相应的数值计算程序Coupling Analysis。利用建立的模型模拟了辽宁某瓦斯抽放试井瓦斯抽放过程,结果表明,在瓦斯抽放过程中,有效应力变化诱发煤岩局部进入塑性状态,塑性区透气系数增加了约4.9倍,而弹性受压区的透气系数最大减小至22 %,计算实例的瓦斯压、煤岩有效应力和煤岩变形都呈现非对称性,但服从理论规律,表明采用Weibull分布能很好地模拟煤岩力学参数的非均匀性。     

基于Coulomb准则的混凝土塑性损伤本构模型及其数值验证

以连续介质不可逆热力学为基础,采用了Mohr-Coulomb屈服准则,提出混凝土塑性损伤耦合的新的本构方程。在该模型中采用了塑性应变 、各向同性损伤标量D作为内变量。这个新的本构关系模型严格满足热力学的基本方程。以不同围压作用下混凝土试件的单轴压缩行为为例,采用开发的程序进行了局部水平上本构模型数值验证。结果表明,模型损伤演化数值结果符合试验趋势。     

地面垂直钻孔预抽特厚煤层瓦斯数值试验与应用

为解决塔山煤矿高强度开采条件下瓦斯低含量高涌出的问题,同时为了弥补大型物理实验和现场试验成本高、操作难的缺点,根据该矿8101工作面所属区域煤层的地质和瓦斯赋存条件,确定了数值试验方案,对地面垂直钻孔预抽特厚煤层瓦斯的效果进行优化分析。基于煤岩(体)的孔隙特征,构建了含瓦斯煤岩(体)破裂过程气-固耦合和渗透率-损伤耦合数学本构模型。采用RFPA2D瓦斯分析版软件建立地面钻孔抽放瓦斯的数值计算模型,设置有关简化条件、边界条件和物性参数,通过数值试验得出:地面垂直钻孔的终孔位置布置在煤层底部比较合理;在综合考虑地面垂直钻孔投入成本和瓦斯抽采效果的基础上,确定地面垂直钻孔间距为50m～60m比较合理。同时,由8101工作面地面垂直钻孔抽采煤层瓦斯的实际应用效果分析可知,当地面垂直钻孔的终孔位置布置在煤层底部,且钻孔间距布置为50m时,能够实现良好的瓦斯抽放效果,这也从一定程度上进一步验证了数值试验的合理性和可行性。     

考虑温度效应的岩石损伤内时本构关系

本文根据岩石类材料受载时的损伤破坏机理,首次引入两个损伤变量 D_1和 D_0用以反映外载荷体量和偏量的作用,在内时理论的基础上建立起考虑温度效应的岩石损伤本构方程,并导出具有明确物理意义的本构方程增量型关系式。在不同温度下用大理岩试样进行了压缩实验和声发射实验。根据实验所得结果,确定了本构方程中材料的所有参数,得到了大理岩材料受温度影响其性质发生变化的一些有意义的结论。     

基于塑性变形的煤体损伤本构关系及渗透率模型研究

开采扰动诱发的煤与瓦斯突出是煤矿生产过程中的主要瓦斯动力灾害之一。为系统探索开采扰动下煤体损伤演化特征和瓦斯渗流规律,拟开展不同瓦斯压力下全应力应变–渗流实验。通过考虑气体吸附和热膨胀效应修正广义胡克定律,建立基于塑性变形的煤体损伤本构关系,进一步构建考虑损伤的分段渗透率模型。结果表明:以渗透率突变点为界,可将煤体渗透率分为峰前和峰后2个变化阶段。其中,峰前呈指数型降低,而峰后急剧增加,峰值抗压强度和弹性模量均随着瓦斯压力升高而降低;煤体轴向塑性应变和损伤演化规律具有良好的一致性,二者均呈现出峰前变化不大,峰后激增的变化趋势;利用不同瓦斯压力和50℃实验数据对所建的损伤模型及渗透率模型进行验证,得到理论曲线和实验数据具有较好的吻合度,表明新建模型可较好地反映不同条件下煤体破坏失稳过程中的损伤演化规律和瓦斯渗流特征。      

Theoretical and Numerical Simulation of the Mining-Enhanced Permeability Model of Damaged Coal Seam

The pertinence and effectiveness of gas extraction for underground coal mining is an important issue for simultaneous exploitation of coal and gas. The key issue is the definition and analysis of mining-enhanced permeability of mining-induced fracture network. In order to describe the permeability evolution process during coal mining, the elasto-plastic damage constitutive model of coal was established. Based on the mining-enhanced permeability model, the effect of damage on permeability was considered, and the expression of mining-enhanced permeability considering damage was obtained. Using rock mechanics testing system and the permeability test system, the permeability test was conducted, and the permeability change law with damage was obtained. Based on the elasto-plastic damage constitutive model and the mining-enhanced permeability of damaged coal, the 3D-finite element program was developed according to the elasto-plastic damage theory, by which the analysis of mining process of one coal seam was made. Then we analyzed the distribution of permeability and mining-enhanced permeability. The result shows that: (1) considering the damage can reflect the influence of mining on fracture network and permeability of coal seam. (2) With the advance of the working face, coal units continue to break and the permeability of the coal seam increases continually. (3) The numerical simulation shows the dynamic evolution process of permeability and mining-enhanced permeability of the coal seam during the mining process. These results can provide quantitative and scientific methods for quantitative evaluation of permeability change of coal seam in mining engineering.     

含瓦斯煤声发射特性试验及损伤方程研究

以型煤试件为研究对象,对其在固定瓦斯压力和围压作用下的力学性质和声发射特性进行了试验研究。结果表明：含有瓦斯后煤样试件的力学性质的离散性降低;与不含瓦斯煤样比较,含瓦斯煤样的三轴强度减小而杨氏模量增大;含瓦斯煤样三轴压缩过程中的声发射事件计数分布较均匀,仅在煤样破坏前出现密度较大区;声发射事件振幅分布呈现“三峰”分布特性,而事件能量随变形增加而逐渐增大;声发射各事件参数与三轴压缩曲线呈滞后对应关系。     

开采扰动下考虑损伤破裂的深部煤体渗透率模型研究

为了研究深部煤体在开采扰动影响下的渗透率演化规律,以三向应力条件下的煤体渗透率模型为基础,从吸附解吸作用引起裂隙变形和损伤破裂造成煤基质弹性模量劣化的角度进行理论推导,引入内膨胀应变系数的概念,同时基于Drucker-Prager破坏准则的损伤本构关系建立了两种考虑煤体损伤破裂的渗透率演化模型——指数型和立方型,并且对常规三轴加载、开采扰动加卸载和改变气体压力下的瓦斯渗透试验结果进行了拟合分析。结果表明：所构建的两种模型可以较好地反映常规三轴加载和开采扰动加卸载下煤体渗透率的分区段变化特征,也可以描述有效围压恒定条件下煤体渗透率随气体压力升高而降低的规律。在开采扰动加卸载和改变气体压力的试验中,指数型的拟合效果略优于立方型。研究结果可为深部煤炭开采及瓦斯抽采的工作提供指导。     

软岩静力学特性的一种内时本构描述

本文基于内时理论的基本网络,利用四组内变量对软岩介质变形规律进行了分析与描述。从格朴斯(Gibb’s)自由能形式出发,把“塑性应力”的概念引入内时本构体系,获得一组新的内时本构方程。理论分析表明,该组本构方程能较方便地反映岩土介质广泛存在的不可逆非线性变形、剪胀(扩容)、交错效应等复杂的物理力学现象。理论计算和实验结果相吻合。     

A Kind of Endochronic Constitutive Description of Mechanical Properties of Rock under Static Loading

Based on concept of endochronic theory and “plastic stress”, a new endochronic constitutive equation of soft rock is obtained by using the four groups of internal variables which represent different laws of displacement of soft rock. Compared with the experimental results the theoretical prediction is satisfactory.     

低渗透煤层气-水流固耦合数学模型及数值模拟

基于有效应力原理,结合弹塑性几何方程、本构方程及平衡方程建立了应力场控制方程。依据流体力学中的质量守恒原理建立了煤层气、水和煤岩体固体颗粒的渗流场方程;以上方程再配以辅助方程和定解条件构成了应力作用下煤层 气-水流固耦合的数学模型,并对简化模型进行了单相流流-固耦合数值模拟分析,得到了压力动态分布曲线,分析了耦合和非耦合情况对压力分布的影响,进一步为煤层气流-固耦合分析提供了一定的理论基础。