石門揭煤過程中圍巖的力學(xué)特征數(shù)值模擬.pdf

1、石門揭煤過程中圍巖的力學(xué)特征，是一個及其復(fù)雜和富有挑戰(zhàn)性的研究課題，是力學(xué)、材料和工程等學(xué)科的研究熱點和難點之一。在石門揭煤過程中，由含瓦斯煤巖破壞而導(dǎo)致的煤與瓦斯突出，是煤炭開采過程中一種復(fù)雜的工程誘發(fā)災(zāi)害，是保證煤礦安全正常生產(chǎn)和礦業(yè)發(fā)展亟待解決的重大問題之一。因此，作為含瓦斯煤巖突出機理研究的理論基礎(chǔ)，研究巷道圍巖的力學(xué)特征，研究含瓦斯煤巖破裂過程中瓦斯氣體與煤巖固體的耦合作用機理，對于人們進(jìn)一步深入認(rèn)識石門揭煤過程中含瓦斯煤巖的

2、突出機理并進(jìn)而采取相應(yīng)的防治措施具有重要的理論意義和工程實用價值。 實驗室試驗和現(xiàn)場測試作為研究含瓦斯煤巖破壞過程最為直接的手段，對其破壞過程方面研究的發(fā)展起了決定性作用。然而，由于受人力、物力、財力和安全等因素的制約，含瓦斯煤巖的破壞試驗，滲流演化試驗和現(xiàn)場測試工作往往受到限制。理論解析通過對材料進(jìn)行簡化，運用數(shù)學(xué)和力學(xué)等研究方法，對其破壞過程的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系，透氣性與壓力關(guān)系及誘發(fā)的聲發(fā)射等進(jìn)行解析，為研究含瓦斯煤巖的力學(xué)特

3、征提供了重要途徑。然而，限于目前數(shù)學(xué)、力學(xué)等的發(fā)展水平，解析方法還難以解析煤巖材料內(nèi)部微破裂之間以及煤巖破裂過程中瓦斯氣體與煤巖固體的耦合作用問題。數(shù)值方法為研究含瓦斯煤巖的破壞過程提供了重要手段?；诿簬r材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征和細(xì)觀基元的本構(gòu)關(guān)系，將統(tǒng)計隨機分布理論和計算力學(xué)相結(jié)合，可實現(xiàn)對石門揭煤過程中圍巖的力學(xué)特征分析；細(xì)觀損傷力學(xué)由于對材料的“損傷”賦予了真實的幾何形象和具有力學(xué)意義的損傷演化方程，為研究石門揭煤過程中圍巖力學(xué)特征提

4、供了力學(xué)理論基礎(chǔ)；而煤層瓦斯?jié)B流力學(xué)理論的迅猛發(fā)展又可實現(xiàn)對煤巖變形破裂過程中煤層瓦斯流動的仿真模擬。此外，計算機硬件及計算力學(xué)的飛速發(fā)展，為從細(xì)觀結(jié)構(gòu)層次上研究研究石門揭煤過程中圍巖力學(xué)特征提供了強有力的數(shù)值計算工具。 因此，本文首先從煤巖材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)和滲流特征出發(fā)，采用Weibull隨機統(tǒng)計分布理論引入材料的非均勻性，提出了細(xì)觀基元的彈性損傷本構(gòu)關(guān)系，同時，考慮煤巖損傷演化過程中透氣性的變化，引入煤巖透氣系數(shù)一應(yīng)力作用方程

5、，在此基礎(chǔ)上，考慮煤巖損傷過程的時間因素影響，引入細(xì)觀基元蠕變損傷本構(gòu)方程，分析石門向煤層步步推進(jìn)時的地應(yīng)力、瓦斯壓力以及煤巖力學(xué)性質(zhì)等綜合作用下誘發(fā)煤巖突出破裂過程中應(yīng)力場、變形場和聲發(fā)射的演化過程。 其次，應(yīng)用巖石破裂固氣耦合RFPA<'2D>-Flow數(shù)值系統(tǒng)對石門揭煤誘發(fā)的煤與瓦斯突出從裂紋誘發(fā)、擴(kuò)展、貫通到拋出的突出全過程進(jìn)行了系統(tǒng)的模擬研究，分析了地應(yīng)力、瓦斯壓力以及煤巖力學(xué)性質(zhì)等綜合作用下誘發(fā)煤巖突出破裂過程中應(yīng)力