包邮煤体瓦斯吸附解吸劣化损伤致突机理

第1章 绪论 1.1 研究背景及意义 1.1.1 研究背景 我国煤矿松软低透气性高瓦斯煤层开采约占60%，属极难抽放瓦斯煤层，瓦斯灾害危及我国大部分矿区。“煤矿重特大灾害智能报警方法与技术”入选中国科学技术协会60个重大科学问题和工程技术难题。 随着经济社会的发展，可再生能源在能源结构中的占比进一步提升，但从全球来看，煤炭依然在能源消费结构中占主要比重。其中，中国、印度和南非三个国家的煤炭消费在一次能源消费中的占比高于60%。煤炭作为我国主导能源，预计2050年仍将占能源消耗的50%以上。近年来，我国煤炭开采深度和力度不断加大，矿井地质条件更加复杂，含瓦斯矿井与突出倾向性矿井数量持续增多，发生煤与瓦斯动力现象的突出矿井也将日益增多，煤与瓦斯突出死亡人数比例更是逐年上升，煤岩瓦斯动力灾害已成为煤矿普遍的安全问题，这种工程灾害是煤岩变形破裂与瓦斯运移动态演化共同导致的突发性灾害。尤其高瓦斯矿井发生的煤与瓦斯突出动力灾害危害巨大，常造成重大经济损失和恶劣社会影响，严重制约煤矿安全高效生产。统计表明，2010年左右我国累计矿井煤与瓦斯突出次数占世界40%以上，死亡人数已占到煤矿总死亡人数的1/3[1，2]。煤与瓦斯突出的监测预警与防治已成为世界性难题和研究热点，也成为我国高瓦斯矿井安全生产亟待解决的科学问题，是国家能源安全的重要战略需求和突破方向[3]。 1.1.2 研究意义 含瓦斯煤作为一种复杂的混合介质，其吸附耦合状态直接影响煤体的力学特性。瓦斯赋存于煤体中，在地应力、构造应力的作用下，与煤基质发生吸附解吸作用，共同构成气固耦合作用系统；气体吸附于煤岩颗粒表面，降低了煤岩颗粒表面自由能，导致煤体强度和应力状态的变化，而煤体强度、变形与应力状态的改变导致瓦斯含量、煤体渗透率及瓦斯涌出量的变化，进而影响煤与瓦斯突出的发生、发展与终止全过程，这在研究“煤与瓦斯”体系问题中具有举足轻重的作用[4]，因此研究气体吸附解吸对煤体的耦合作用机制是探索煤与瓦斯突出机理的基础与前提。 近年来，国内外众多专家学者和工程技术人员分别通过现场观测、突出实例统计分析、实验室研究和理论分析等不同研究手段，对含瓦斯煤吸附解吸特性、物理力学特性、损伤劣化及扩容机理方面开展了广泛研究，特别是在煤体瓦斯吸附解吸变形机制、渗流演化机制方面取得了显著的研究成果，但在考虑气固耦合与应力加载共同作用中的煤体强度劣化机制、损伤扩容规律及煤体裂隙演化特征方面，由于缺少气固耦合可视化试验设备和定量描述气体吸附诱发煤体损伤劣化的试验方法，目前研究仍处在“黑匣子”阶段，多数试验只得到了吸附解吸作用对煤体强度弱化的定性结果，而无法捕捉获取煤体在整个耦合-加载过程中的关键参数变化与物理现象规律。 多种工程灾害是煤体受应力扰动后变形破裂与瓦斯吸附解吸运移动态演化的耦合作用结果，因此研究气体吸附以及卸压解吸对煤体的损伤劣化作用机制是探索煤与瓦斯突出机理的基础与必要条件，并且具有十分重大的工程应用价值和社会意义。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 含瓦斯煤体气固耦合特性测试装置研发现状 含瓦斯煤体的加载破坏为高度非线性的气固耦合动力学过程，而其数学模型、本构关系仍不完善，导致其理论分析与数值模拟滞后，在众多研究方法中，室内力学试验具有参数可调、条件可控等优点，是目前的主要科学手段[5-7]。国内外专家学者自20世纪50年代，就试图通过研发含瓦斯煤相关试验装置，在实验室条件下，对煤与瓦斯突出个别环节、突出综合过程以及含瓦斯煤力学特性进行试验设计和测试模拟[8-13]，部分含瓦斯煤试验装置如图1.1所示。Lawson等[9]研究了煤炭开采过程中覆岩特征对动力破坏的影响；Liu等[14]采用自主研发的密封压力系统，对不同瓦斯压力条件下具有爆破倾向的煤样进行了试验研究，得到了冲击能量指数(Ke)和单轴抗压强度(rc)与吸附压力之间的影响规律；孙晓元[15]提出了静压荷载和振动荷载共同作用促进煤体破坏失稳并*终导致煤体动力灾害发生这一论断；Wang(王书刚)等[16]通过自制仪器研究了煤样瓦斯快速减压解吸引起的能量破坏现象。Yin等[17]利用自行研制的“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置”，进行不同初始围压和不同瓦斯压力组合条件下，不同卸围压速率对含瓦斯煤岩力学和瓦斯渗流特性的影响试验研究；袁瑞甫等[18]研制了含瓦斯煤动态破坏模拟试验设备，得到不同强度煤体在应力-瓦斯压力作用下的破坏条件和规律；田坤云等[19]研制了高压水及负压加载状态下三轴应力渗流试验装置，装置含有水力压裂控制系统能够模拟抽采钻孔负压状态下煤体内的瓦斯运移规律及考察高压水对煤体的压裂效果；徐佑林等[20]采用含瓦斯煤热流固三轴伺服试验系统进行不同瓦斯压力、围压和卸围压速率组合条件下的卸围压试验；潘一山等[21]利用自主研发的含瓦斯或水煤岩三轴压缩破裂电荷监测装置，对标准型煤试样进行含瓦斯煤岩围压卸荷瓦斯渗流及电荷感应试验，得到瓦斯渗流特性及电荷感应规律与煤岩的变形损伤过程的影响关系；Chen(陈海栋)等[22]采用煤岩应力-渗透率耦合试验装置，研究了卸荷下的被保护层煤岩渗透性分布特性和时空演化规律。尹光志和许江、蒋承林、潘一山、王汉鹏和袁亮等先后研发了从一维到三维的煤体气固耦合力学试验装置，并开展了不同诱导方式条件下含瓦斯煤岩气固耦合试验和模拟试验，详尽分析了应力、吸附压力和煤体强度之间的影响规律作用关系[23-26]。 图1.1 含瓦斯煤试验装置 此外，在含瓦斯煤耦合加载过程变形监测方面，1807年Thomas Young在拉伸和压缩试验中，发现了材料纵向变形的同时伴随着横向变形的产生；1829年Simeon Denis Poisson提出弹性常数概念，即泊松比[27]，研究表明单轴压缩时岩样环向变形比轴向变形更早、更快地偏离与轴向应力的线性关系[28-30]，但对于峰后阶段，特别是多相耦合加载过程的环向变形监测困难，研究程度较低，有必要进一步加强[31，32]。岩石力学试验采用的轴向和环向变形的测量方法与原理分为非接触法测量和接触法测量两类。非接触法测量主要为光干涉测量法、光导热塑全息照相法、数字散斑面内相关法(digital spackle correlation method，DSCM)等光学法[33，34]。例如，Widdle等[35]提出了一种非接触式的激光散斑应变计；郭文婧等[36]基于数字散斑相关方法发展了一种虚拟引伸计测量方法，给出了虚拟引伸计的原理和实现方法，并用试验验证了虚拟引伸计的可靠性；马永尚等[37]利用三维数字图像相关技术得到单轴压缩状态下带中心圆孔花岗岩岩板破坏全过程，以及岩石破坏过程中观测面的三维位移和应变，直观地反映岩石表面裂隙的产生、扩展及相互连通的演化过程。但此类方法系统成本较高，且精度受光线、环境、操作等外界因素影响。接触法作为环向变形测试的主流方法，以机械法、电测法、引伸计法为代表[38，39]。机械法主要采用机械式千分表顶在试件表面，直接获取测点位移，操作简单，但通过若干点的变形表征环向变形存在一定误差；电测法主要在试件上粘贴纵向和横向电阻应变片，通过应变仪采集微应变间接测量环向变形。例如，李顺群等[40]设计了一种接触式三维应变花，建立了三维应变花各测试数据与常规应变之间的转换矩阵，并给出了求解该问题的必要条件。但应变片的粘贴增加了试件的局部刚度，测量误差大，而且无法测量峰后位移，操作不便且为一次性使用。引伸计法是将制作的成套传感器安装在试件表面，配合二次仪表采集数据获得纵横向应变数据，从而测得环向位移计算泊松比。国内外研发了不同的引伸计，MTS系统公司研发了链式引伸计环向位移测试方法与仪器[41]；王伟等[42]研制了轴向、径向变形引伸计，并开发了配套软件，综合性能良好。目前，应用成熟的环向变形测试方法与仪器主要有四柱悬臂式引伸计、MTS链式引伸计，以及GDS公司的LVDT引伸计等。其中，MTS链式引伸计所测为环形整体变形，通过引伸计转换位移，精度和可靠度好，但价格较高。除此之外，李铀[43]提出利用电容原理测量试件横向变形的想法，但未能实施。van Paepegem、Yilmaz等[44，45]采用光栅传感器测试了材料横向-竖向变形数据及泊松比；汪斌等[46]基于MTS815配置的轴向和链式侧向变形引伸计测试技术改进了原有的侧向应变计算方法，建立了一套专门针对变形传感器的多功能标定器具和标定方法。 上述研究内容在含瓦斯煤力学试验仪器的功能开发和监测采集升级改造等方面取得了显著成效，但存在以下不足：①加载方式以静态加载为主，无法实现气固耦合条件下的动静联合加载；②在充入吸附性气体环境下，加载过程中加载室内容积不恒定，即因加载压头下压造成试验空间容积减小，导致气压升高，进而提高了气体吸附容量，干扰了试验结果并降低了加载精度；③无法实现煤体在气固耦合与应力加载条件下的试验全程可视化实时监测，试验装置体积庞大、操作烦琐；④开展三轴试验时，试件围压加载多以油压为主，无法实现围压的高速卸载；⑤含瓦斯煤耦合加载过程中环向变形监测困难[47-49]；⑥解吸环境以大气压为主，无法实现解吸环境气压的任意调节；⑦现有渗透率测试仪器操作复杂，且无法实现煤体全应力-应变过程中渗透率实时测试。 1.2.2 考虑气体吸附诱发煤体损伤劣化现状 Kassner等[50]认为，要更深入地研究岩石的破坏机制，应当将宏、细观尺度结合起来多角度研究岩石损伤劣化过程。根据相关文献资料所述[51-54]，在岩石力学领域，损伤劣化主要是指煤体或岩体在受到气体-液体侵蚀、冻胀和外部荷载等外界作用后，发生变色、龟裂、强度降低等物理或化学性能变化的现象。这些外部条件在一定的耦合作用下，能引起煤体内部结构变化且性能降低。而针对煤体吸附与加载耦合作用下的损伤劣化是指气体吸附后，煤体将产生吸附应变，吸附应变通过使煤微观结构重新排列从而诱发煤损伤，宏观层面导致其力学性质劣化，主要表现为吸附与加载过程，相比于同条件不吸附的煤体，其弹性模量和强度降低。 近年来，国内外专家学者采用理论分析、室内试验、数值仿真等手段对气体吸附状态中煤体的损伤劣化物理力学性质进行深入研究，取得了丰硕成果。Larsen[55，56]研究得出，煤体吸附瓦斯气体后体积发生少量膨胀，内部结构发生细观变化，这种变化将煤岩孔隙内表面自由能降到*低，从而保持整个煤岩-瓦斯系统的稳定。Majewska等[57]通过声发射试验发现了气体吸附对煤样的损伤。姚宇平等[58]总结了三种具有代表性的假说：①瓦斯分子较深进入了煤体超微孔隙，吸附过程中导致煤体膨胀；②瓦斯分子进入超微孔隙并楔开孔隙；③瓦斯进入煤体碳分子内部，使分子间距变大，同时楔开与瓦斯分子尺寸相近的孔隙，并通过Bangham方程定性描述了吸附膨胀变形的力学关系。祝捷等[59]优化了有效应力系数，考虑了时变性，建立了煤岩吸附/解吸气体的劣化模型。 Ranjith、Viete等[60，61]通过试验分析指出，气体吸附对煤岩的影响可以通过宏观强度和弹性模量来表征；Larsen[56]认为，任意可以被煤样吸附和溶解的流体，如CO2、CH4和N2等，其吸附过程均具有降低煤体自由能、释放煤颗粒膨胀诱发煤体应变的力学特性。何学秋等[62]通过开展含瓦斯煤岩力学特征试验研究阐述了孔隙吸附瓦斯对煤岩的破坏作用过程，并运用表面物理化学原理解释了孔隙瓦斯对煤岩的“蚀损”机理；尹光志等[63]从内时理论出发，利用连续介质不可逆热力学的基本原理推导出含瓦斯煤岩的内时损伤本构方程；程远平等[64]考虑了有效应力和瓦斯吸附/解吸变形等因素，以应变为变量来研究煤体的卸荷损伤性质。刘力源等[65]基于损伤力学理论与有效应力原理研究了煤岩吸附瓦斯的特征。黄达等[66]利用PFC颗粒流程序软件探讨了初始单轴静态压缩的细观损伤程度对单轴动态压缩时单裂隙岩样力学性质的