混合破碎煤样渗流特性及粒度分布规律研究

论文摘要

在采矿工程中,承压破碎煤体的变形受地下水环境、外部作用荷载以及自身物理特性等多种因素的影响,是诱发巷道突水以及煤与瓦斯突出灾害的主要原因。根据瓦斯或水等流体在承压破碎煤体中的渗流过程,可以分为破碎煤样的压缩过程以及流体在破碎煤样中的渗流两部分内容。随着煤炭资源开采深度的增加,研究破碎煤体在复杂工程环境下的压缩变形以及渗流特性,可以为巷道周边围岩的支护、顶底板突水的预测等保障煤炭资源安全生产的工程提供理论指导。主要研究内容和结论如下:通过不同浸水时间级配破碎煤样的压实试验和级配破碎煤样在复杂循环应力下的压实试验,对破碎煤体的压缩过程进行了研究:采用轴向位移加载的方法,研究了浸水时间对煤样小位移压实的影响,不同浸水时间的级配煤样随每级位移的增加,粒度分布分形维数都逐渐增加;级配一定的破碎煤样在小位移压实过程中,粒度分布分形维数随浸水时间的增加而逐渐减小,两者间满足指数函数拟合;不同浸水时间的级配煤样,其压缩过程中的轴向应力与下压位移间的关系可以分为缓慢增加阶段以及急剧增加阶段,两阶段界限值为15mm;循环加卸载过程中破碎煤样粒度分布分形维数受轴向应力、级配指数与循环加载次数等多种因素的影响,粒度分布分形维数与循环加载次数、级配指数之间满足指数关系;在轴向应力为8MPa时,当n值为0.2、0.4、0.6时,应力占主导因素,而n值为0.8时,煤样孔隙较大,初期的内部结构形式占主导作用;粒度分布分形维数能反映煤样整体的破碎程度,与颗粒尺寸形状、结构及加载方式等相关,并建立了二维情况下煤样颗粒压缩过程中颗粒间的接触模型,得出煤样颗粒的体积、剪切模量变化与孔隙比及颗粒间接触点数有关;开展了不同颗粒组分煤样的渗流特性研究,及其级配指数为0.8时的循环加卸载渗流特性研究:通过混合煤样流量的大小与粒径大小、渗透压呈正相关,而与轴向压缩位移呈负相关;不同粒径组分的混合破碎煤样其渗流过程中,渗透率存在的平稳、波动、急剧下滑等现象,表明粒径组分引起骨架构成形式的不同,而有效孔隙通道随着大颗粒煤样对骨架的支撑以及小颗粒煤样对颗粒之间孔隙的充填变化而变化,20～25mm颗粒煤样对煤样整体的支撑作用明显,5～10mm小颗粒对较大煤样颗粒之间的孔隙具有良好的充填作用,压实渗流过程中都满足Forchheimer方程;细颗粒为主的单级配嵌挤骨架渗流过程呈现出明显的非线性渗流现象,并搭建了关于侧向约束阻力的物理模型;循环加卸载过程中破碎煤样渗透率与粒度分布分形维数具有非线性关系,可以用二次多项式进行拟合,煤样的粒度分布分形维数的增加过程反映了轴向应力与循环次数增加的过程。

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摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 研究背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 破碎煤岩体渗流特性的试验研究

1.2.2 破碎煤岩体渗流理论的研究现状

1.2.3 破碎煤岩体粒度分布特征的试验研究

1.2.4 破碎煤岩体粒度分布特征的理论研究

1.3 本文研究内容与思路

1.3.1 研究方法

1.3.2 研究内容

1.3.3 技术路线图

2 不同浸水时间下的破碎煤样压缩特性

2.1 试验思路及试验内容

2.1.1 试验思路

2.1.2 试验内容

2.2 试验原理及步骤

2.2.1 分形粒子

2.2.2 试验原理

2.2.3 试样准备及试验步骤

2.3 试验结果与分析

2.3.1 轴向压缩位移与分布分形维数

2.3.2 浸水时间与分布分形维数

2.3.3 浸水变形特征

2.4 本章小结

3 破碎煤样粒径组分对其渗透特性的影响规律

3.1 粒径配比方法及试验步骤

3.1.1 粒径配比方法

3.1.2 试验参数选取

3.1.3 试验步骤

3.2 试验结果与分析

3.2.1 轴向压缩位移与流量的关系

3.2.2 孔压梯度与渗流速度

3.2.3 轴向压缩位移与渗透率的关系

3.3 煤样压实渗透过程中的阻力分析

3.4 本章小结

4 循环应力下级配破碎煤样的粒度分布分形特征

4.1 试验方法

4.1.1 试验原理

4.1.2 试验步骤

4.1.3 试样准备

4.2 试验结果与分析

4.2.1 几种常见的分形维数

4.2.2 粒径分布分形维数计算

4.2.3 各因素影响下的粒度分布分形维数

4.2.4 煤样颗粒不均匀系数与曲率系数变化特征

4.2.5 相同条件下的渗透试验参数

4.3 本章小结

5 混合破碎煤样的非线性压实特征

5.1 破碎煤岩的非线性力学问题

5.2 煤样破碎的非线性压实过程

5.2.1 循环荷载下煤样所受的应力及弹性模量随时间变化曲线

5.2.2 煤样破碎结果的进一步分析

5.2.3 基于熵增原理的颗粒破碎演化模型

5.3 基于分形理论下的破碎煤样压实特征分析

5.3.1 煤样粒度分维值与其细观结构的关系

5.3.2 煤样破碎过程中的能量耗散分析

5.4 基于散体结构的颗粒接触模型

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 陈佳伟

导师: 张天军

关键词: 浸水时间,粒径组分,渗流特性,循环应力,分形维数

来源: 西安科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 力学,矿业工程,安全科学与灾害防治

单位: 西安科技大学

基金: 国家自然科学基金(No.51374168,No.51474172)

分类号: TD712;O357.3

总页数: 75

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