含瓦斯煤岩动态损伤演化规律研究

随着煤矿开采深度的加大和自然条件的更加复杂化，煤矿企业发生的重特大事故居高不下，煤岩动力灾害特别是煤与瓦斯突出灾害的预测和防治，已成为工业安全领域的研究重点。研究煤与瓦斯突出的基本问题是研究含瓦斯煤岩在复杂环境下的物理力学性质及动力响应，建立含瓦斯煤岩体三轴流变力学特性及本构方程。本项目通过现场煤岩力学及瓦斯参数测定并采集煤岩试样,在实验室进行试件加工,分别对含瓦斯煤岩试样进行单轴、三轴循环加载试验、蠕变试验、渗流试验；综合分析试验数据和现场测试结果，得到不同加载条件下损伤与应力应变、渗透率之间的关系及其演化规律；通过理论分析，建立含瓦斯煤岩的动态损伤演化本构方程，结合工程实际验证理论模型的正确性。考虑瓦斯压力和含量、地应力、采掘活动等因素的影响，综合分析实验室试验结果、理论分析结果和现场监测数据，探讨煤与瓦斯突出主控因素的定性或定量关系，为预测和防治煤与瓦斯突出提供理论指导。

在青年基金的支持下，本项目开展了“含瓦斯煤岩动态损伤演化规律研究”，主要工作包括：①实验设备：考虑目前岩石蠕变系统加载存在的弊端，提出采用重力液压机械式加载，设计并完成了重力恒载蠕变渗流实验系统的研制工作；考虑煤体受采掘影响其吸附特性的改变，设计了受载煤岩恒压瓦斯吸附解吸实验系统；②实验研究：利用研制的重力恒载蠕变渗流实验系统开展了不同围压条件下煤岩分级加载蠕变试验，不同渗流介质参与不同围压下煤岩分级加载蠕变渗流试验，得到了不同围压及不同渗流介质参与条件下煤岩的蠕变及蠕变渗流规律；利用声发射和电磁辐射测试手段，开展了煤岩单轴加载损伤演化试验研究，得到了煤岩加载损伤变形与声发射电磁辐射能量累积试验结果；③理论研究：假定含瓦斯煤岩单位体积瓦斯吸收外力功率恒定，利用热力学基本理论推导得到了含瓦斯煤岩非线性损伤演化理论模型，进而假定含瓦斯煤岩为“三相介质体”推导获得了含瓦斯煤岩各向同性损伤演化理论模型；在广义Kelvin蠕变模型的基础上，考虑煤岩受载损伤和非线性变形特性，改进广义Kelvin模型理论推导得到了煤岩动态损伤演化模型；在改进广义Kelvin蠕变损伤模型基础上，考虑含瓦斯煤岩受载变形的黏滑效应，理论推导得到了含瓦斯煤岩动态损伤模型；利用声发射、电磁辐射煤岩加载试验结果，应用热力学及损伤力学基本理论推导获得了煤岩损伤与声发射、电磁辐射能量累积关系；考虑煤与瓦斯突出发生的主控影响因素，初步解释了煤与瓦斯突出基本过程，并给出了煤与瓦斯突出发生判据式。. 在基金的支持下，项目取得了以下成果：申请发明专利5项，授权4项；发表学术论文11篇，其中SCI检索3篇、EI检索3篇、ISTP检索2篇；完成重力恒载蠕变渗流实验系统的研制和受载煤岩恒压瓦斯吸附解吸实验系统的设计等。