【摘 要】
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随着煤炭资源开采的不断向深部发展,我国高瓦斯矿井数量显著增多,低渗透性高瓦斯煤层开采易导致突出,研究气体吸附对煤岩的损伤力学机制,可以深入探究煤岩动力灾害的演化机理。针对目前对煤体损伤的定量分析和作用机理的研究不足,从宏观角度和微观角度对煤体损伤参数进行定量分析。本文得到的重要结论如下:(1)本文采用室内试验的方法研究煤体损伤规律,监测获取其在单相以及多相耦合状态下的物理力学参数。利用自研的“可视
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随着煤炭资源开采的不断向深部发展,我国高瓦斯矿井数量显著增多,低渗透性高瓦斯煤层开采易导致突出,研究气体吸附对煤岩的损伤力学机制,可以深入探究煤岩动力灾害的演化机理。针对目前对煤体损伤的定量分析和作用机理的研究不足,从宏观角度和微观角度对煤体损伤参数进行定量分析。本文得到的重要结论如下:（1）本文采用室内试验的方法研究煤体损伤规律,监测获取其在单相以及多相耦合状态下的物理力学参数。利用自研的“可视化恒容气固耦合试验系统”开展了不同吸附气体性质和不同应力阶段的煤岩损伤破坏规律研究,得到了煤样力学性质（抗压强度和弹性模量）以及裂隙发育的变化规律:随着气体吸附量的增加,煤样的抗压强度和弹性模量均具有下降的趋势,在He条件下抗压强度最高,为15.63MPa,在CO2条件下抗压强度最低,为11.26MPa,劣化率达到27.96%;同样的煤样弹性模量在He条件下最大为1720.95MPa,CO2条件下,煤样的弹性模量小,为705.07MPa,表明气体吸附可以降低其承载能力;利用MATLAB软件对不同应力阶段得到的煤样图像进行分形分析,拟合相关系数在0.99276-0.99868范围内,随着应力的增大,煤样的裂隙分形维数不断增大,峰值强度40%时分形维数为1.2376,峰后80%分形维数为1.4288,增加比例为15.45%,分形维数愈大,裂隙越复杂。（2）材料的宏观性质由它的微观结构决定的,同时煤样在发生吸附解吸后其微观结构特征也会发生相应的改变。对于煤岩的微观结构的分析利用压汞试验和扫描电镜两种手段。通过压汞试验数据得到的煤样进汞-退汞曲线存在孔隙滞后环现象,在He、N2、CH4和CO2条件下,煤样的滞后环逐渐变大,说明随着气体吸附量的增加,煤样的开放性孔隙不断增加。分析压汞数据得到,在不同吸附气体条件下煤样孔径分布不同,在He和N2条件下煤样中小孔和微孔占比之和均高于75%,在CH4条件下煤样中中孔和大孔比例开始增加,分别占20.39%和40.13%,煤样在吸附CO2条件下,大孔比例显著增加,占全部孔径分布的53.78%;在不同应力阶段孔径分布也存在明显的规律,峰值强度40%和60%的时孔径主要集中在小孔和微孔,占比均在30%以上,在峰值强度80%时中孔和大孔的比例分别为12.38%和26.31%,在峰值阶段各阶段的孔都存在一定程度的增加,特别是微孔和大孔,在峰后强度时,有一部分的微孔和小孔扩展成为中孔和大孔,并且小孔和微孔还在不断发育,其中中孔和大孔的比例分别为20.23%和36.34%。在扫描电镜下可以观察到,煤样的吸附解吸作用起到“疏孔”、“扩孔”和“增孔”的作用,改变了其微观孔隙结构。基于分形理论研究煤样压汞数据,在吸附气体He、N2、CH4和CO2条件下,分形维数不断增加,He条件下最小为3.26,CO2条件下最大为3.36,分形维数越大表示煤样表面越粗糙（3）从损伤力学的角度出发,研究了煤岩在外部条件改变时其损伤力学机制并利用数值模拟进行验证,从物理化学吸附理论、Griffith强度准则以及Mohr-Coulomb强度准则等角度,分析了煤岩损伤劣化机制,并基于损伤力学理论,建立了考虑煤岩宏观和微观分形维数的煤岩统计损伤演化模型,利用GDEM数值模拟软件对不同应力阶段煤岩损伤状态进行模拟,并与实际试验对比验证,从连续非连续角度对煤体损伤模拟分析。
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