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采动煤岩裂隙演化及其透气性能试验研究

作　者: 高保彬
导　师: 乔春生；李化敏
学　校: 北京交通大学
专　业: 地下工程
关键词: 岩石力学采动煤岩试验研究裂隙演化声发射应力场裂隙场渗透率耦合作用
分类号: TD315
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

采动应力引起的煤岩节理裂隙的动态及空间分布的变化是伴随着采掘活动而不断发生发展的过程,这一过程控制着煤岩体内瓦斯的解吸、扩散、运移特征和能量的释放方式,决定着采掘空间瓦斯的涌出乃至突出的发生发展及演化。研究采动应力-裂隙-瓦斯涌出之间的内在规律,揭示采动力学过程与瓦斯运移及其时空关系,对研究煤与煤层气共同开采和瓦斯灾害治理具有重要的基础理论意义。本文针对矿井开采过程中采动应力场、围岩裂隙场和渗流场多因素交叉这一科学难题,采用RMT-150B岩石力学试验系统、JSM-6390LV钨灯丝扫描电镜、CDAE-1型声发射仪、自行研制的煤岩-气耦合渗透性双向加载试验系统做了大量细观、宏观角度的煤岩力学试验,研究了煤岩材料破裂过程中应力场-裂隙场-渗流场之间的演化关系,研究了模拟采掘工作面实际边界条件的煤岩裂隙演化及其透气性能演化过程,最后分析总结了采动煤岩-瓦斯耦合作用机理,并探讨了耦合作用对煤岩动力灾害影响。根据以上系统研究,取得了如下主要成果:（1）通过对大量的煤样单轴压缩破裂后的形貌描述和力学性质分析,归纳了煤岩在单轴压缩条件下六种主要破裂形貌和裂隙演化六阶段,特别提出了裂隙渐生段、裂隙速生段和裂隙扩展贯通段的概念。孔裂隙结构及断口形貌的扫描电镜细观分析结果表明煤岩宏观裂隙扩展和其内部微结构及微缺陷关系密切;（2）在煤、岩质量指标中,单轴强度对其声发射性能影响较大,而空隙性和声发射性能不具有相关性。基于裂隙演化特点,定义了裂隙渐生点σ_ci和裂隙速生点σ_cd,提出了采用裂隙速生点σ_cd和应力监测组合起来判断试样失稳破裂的前兆信息的方法。对不同应力路径下的煤样和砂岩试样的变形破坏过程研究后得到了裂隙演化过程中的声发射特性。建立了基于声发射参量的损伤模型;（3）自行研制了专利装置——准平面应变下煤岩-气耦合渗透性双向加载实验系统,用于模拟采掘工作面附近单元体的物理实际。试验研究了准平面条件下煤岩裂隙演化的四阶段,并提出煤岩失稳黄色前兆点和红色前兆点的概念。准平面应变下煤岩变形破坏过程的应力（应变）-裂隙-透气性变化试验结果表明了三者的关系变化;（4）系统研究了准平面应变下煤岩轴向应变-渗透率的相关性,给出了不同应变段应变-渗透率的数学表述;研究煤岩应力-渗透率相关性时发现渗透率增加多在峰值前,而渗透率突变多在峰后某一时刻,据此提出渗透率增加应力点和渗透率突变应力点指标:（5）加卸载应力路径下渗透性变化结果表明卸压对试样的渗透性能增加有重要作用,且不同应力阶段卸载气流增加量不同;恒定应力水平下气体压力变化对试样的声发射活动影响的结果表明在不同应力阶段气压发生变化产生声发射特征不同,但相对因应力变化产生的声发射密度和幅值均较低。

全文目录

致谢  5-6
中文摘要  6-8
ABSTRACT  8-13
1 绪论  13-29
  1.1 选题背景和研究意义  13-16
  1.2 国内外研究现状  16-26
    1.2.1 岩石破裂过程试验及检测方法  16-21
    1.2.2 采动应力、煤岩破裂和瓦斯流动关系  21-24
    1.2.3 岩石破裂过程中的声发射特性研究  24-26
    1.2.4 有待进一步研究的问题  26
  1.3 论文研究内容和研究方法  26-29
2 煤岩结构及其力学性质  29-67
  2.1 RMT-1508电液伺服岩石力学实验系统及煤岩样品制备  30-35
    2.1.1 系统概况及控制变量选择  30-33
    2.1.2 煤样采集及制备  33-35
  2.2 煤岩结构及力学特性  35-66
    2.2.1 煤样破裂的宏观形貌  35-37
    2.2.2 煤岩破裂过程的力学过程和机制分析  37-49
    2.2.3 煤岩细观结构特征  49-54
    2.2.4 煤岩断口形貌及其断裂机制分析  54-66
  2.3 本章小结  66-67
3 煤、岩破裂过程声发射特性研究  67-125
  3.1 声发射基础知识  68-78
    3.1.1 声发射源及煤岩类材料声发射机理分析  68-73
    3.1.2 声发射波的传播特征  73-74
    3.1.3 声发射信号的表征参数  74-78
  3.2 试验设备及试验方案  78-82
    3.2.1 试验设备  78-80
    3.2.2 试验方案  80-82
  3.3 煤、岩质量对声发射基本性能的影响  82-100
    3.3.1 煤、岩单轴压缩强度对声发射性能的影响  82-97
    3.3.2 空隙性对声发射性能的影响  97-100
  3.4 不同应力路径下煤、岩石破裂过程声发射特征  100-123
    3.4.1 不同应力路径下煤样破裂过程声发射特征  101-112
    3.4.2 不同应力路径下砂岩试样破裂过程声发射特征  112-123
  3.5 本章小结  123-125
4 基于声发射参量的损伤理论  125-135
  4.1 引言  125-126
  4.2 基于声发射参量的损伤理论模型  126-131
  4.3 煤岩材料声发射参量与应力-应变耦合关系  131-134
  4.4 本章小结  134-135
5 准平面应变下煤、岩破裂过程渗透特性试验研究  135-187
  5.1 煤岩的渗透特性  135-139
    5.1.1 煤岩渗透性的表征  135-136
    5.1.2 煤岩渗透性的特点  136-139
  5.2 煤岩-气耦合渗透性双向加载试验系统研制  139-150
    5.2.1 研制目的  139-140
    5.2.2 试验系统力学原理  140-141
    5.2.3 试验系统渗透率的测量  141-142
    5.2.4 研制内容  142-143
    5.2.5 实验系统设计  143-150
  5.3 煤岩、气耦合渗透性双向加载试验装置改进  150-154
    5.3.1 改进原因  150
    5.3.2 主要改进内容  150-154
  5.4 煤、岩试样的制备  154-155
  5.5 准平面应变下煤、岩变形破裂过程  155-161
    5.5.1 煤、岩变形破裂过程  156
    5.5.2 煤、岩挤出过程的裂隙演化  156-161
  5.6 准平面应变下煤岩应力(应变)-裂隙-透气性变化规律  161-185
    5.6.1 全应力应变过程岩样渗透性演化规律  161-164
    5.6.2 准平面应变下应力(应变)-裂隙-透气性能试验  164-168
    5.6.3 煤岩渗透率及渗透率-应变关联性特征  168-176
    5.6.4 渗透率-应力关联性特征  176-179
    5.6.5 加载-卸载应力路径下渗透性能变化特征  179-182
    5.6.6 不同空隙气体压力作用下的声发射特性  182-185
  5.7 本章小结  185-187
6 采动煤岩破裂过程的固气耦合作用机理  187-213
  6.1 引言  187-188
  6.2 煤岩-瓦斯耦合作用的物理基础  188-194
    6.2.1 煤岩-瓦斯耦合作用原理  188-189
    6.2.2 瓦斯在煤层中的运移规律  189-194
  6.3 煤岩-瓦斯耦合作用机理  194-202
    6.3.1 煤岩变形及失稳对瓦斯渗流的影响  194-196
    6.3.2 瓦斯气体对煤岩变形破坏作用分析  196-198
    6.3.3 瓦斯对煤岩体变形破坏过程声发射参量的影响  198-202
  6.4 煤岩-瓦斯耦合作用与煤岩动力灾害  202-211
    6.4.1 采动过程工作面前方应力状态演化规律  204-205
    6.4.2 采动煤岩裂隙场演化规律  205-208
    6.4.3 采动应力场、裂隙场与渗流场变化关系  208-209
    6.4.4 采动过程三场演化对煤与瓦斯突出的影响  209-211
    6.4.5 对突出中发生的一些现象的理论解释  211
  6.5 本章小结  211-213
7 主要结论与展望  213-217
  7.1 主要结论  213-215
  7.2 展望  215-217
参考文献  217-227
作者简历  227
作者在攻读博士学位期间发表的论文目录  227
作者攻读博士学位期间发明专利情况  227
作者在攻读博士学位期间主持和参与科研项目情况  227-228
作者在攻读博士学位期间获奖情况  228-231
学位论文数据集  231

采动煤岩裂隙演化及其透气性能试验研究

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