一种基于空穴聚集的层裂模型

基于如下假设，给出了层裂过程中的应力松弛方程，并建立了一种基于空穴聚集的延性层裂模型:在层裂早期，微空穴的主要效应是减小应力作用面积；在层裂后期，应力按空穴聚集时的应力-空隙度依赖关系减小。把P.F.Thomason、D.L.Tonks等及S.Cochran等给出的依赖于应力（压力）的层裂空隙度方程分别耦合于守恒方程、计及损伤的状态方程及本构方程，建立了求解所有变量包括损伤的封闭方程组。这种基于空穴聚集的层裂模型已被应用于一维层裂试验的数值模拟。模型中的层裂强度及临界损伤度初始可以估计，最终的确定将使数值模拟结果与实测的速度（或应力）剖面以及观测的层裂面上的损伤基本一致。分别基于D.L.Tonk等及S.Cochran等给出的依赖于压力的层裂空隙度方程所作的一维层裂试验数值模拟结果基本一致，而与基于P.F.Thomason给出的依赖于应力的层裂空隙度方程所作的相应数值模拟结果有明显差异。     

层裂微裂纹的形态及层裂程度的表征参量

层裂是冲击载荷造成材料破坏的一种典型方式。文中运用超声Ｃ扫描检测系统对层裂试件的微损伤形态进行检测，确是出在一维应变加载条件下的微裂纹形态呈钱币型；另一方面，根据钱币型微纹形态，通过对层裂损伤演化过程的分析，提出了一个描述层裂程度的无量纲参量，与层裂实验数据的对比说明了这个参量能够很好地描述层裂损伤程度。     

钢纤维混凝土的层裂特征

利用大直径Hopkinson压杆作为实验设备，通过试件后面的吸收杆应变波形分析了钢纤维增强混凝土的层裂特征。实验结果表明，钢纤维混凝土的层裂强度与钢纤维含量、混凝土压缩强度以及加载速率有关，并给出了经验公式。和素混凝土相比，钢纤维混凝土具有更高的层裂强度和更好的阻止损伤演化和裂纹扩展的能力。高速摄影结果表明，钢纤维混凝土层裂时，层裂段的飞离是由于陷在层裂段中应力波的动量效应，而且在层裂段中不易出现再次层裂的现象。这些现象和相同加载条件下素混凝土的层裂破坏有明显差别，说明钢纤维可以很好地提高混凝土抗层裂能力，其结论对相关的数值模拟和防护工程设计有重要意义。     

金属材料层裂破坏的内聚力模型

本文把内聚力单元嵌入到连续介质有限元单元之间，构建了一个层裂破坏的内聚力模型，以计及层裂破坏过程中能量耗散行为。采用该模型对平板撞击条件下的20号钢层裂实验进行了数值模拟研究，重点讨论了内聚力模型特征参数对计算结果的影响规律。研究结果表明采用指数型损伤演化行为的内聚力模型可以较好地描述弹塑性材料层裂破坏过程中的非线性能量耗散行为。利用一发实测自由面速度波剖面对计算结果进行对比校准，可确定内聚力模型特征参数。该特征参数可同样成功地预示不同撞击速度下的层裂实验，获得的模拟曲线与实验曲线之间符合程度很好，特别是自由面速度“回跳”后波形振荡周期和幅值与实验结果非常接近。这表明了内聚力模型在描述层裂过程中能量耗散行为方面具有较好适用性，并且不难由简单实验标定相关的特征参数。     

一维含气多孔介质突然卸载破坏引起渗流变化的实验研究

利用煤激波管进行了一维含气多孔介质在突然卸载条件下的破坏实验,并对破坏的形态(层裂和层松)以及破坏前后气体渗流特性的变化进行了实验研究。实验结果表明:试样的破坏存在层裂和层松两种典型的破坏形式,破坏后煤样渗透率的变化本质上是由层松引起的;渗透率的分布与破坏应变直接相关,而充气压力是决定总体变化的参数;试样开裂破坏后的渗透率是原始渗透率的1～2倍;随充气压力增加.破坏深度按某一特征厚度的倍数增加。     

含氦泡辐照老化材料层裂损伤计算方法分析

辐照条件下，一些材料内部产生大量的氦泡等微缺陷，氦泡的大小和数密度随着辐照年限的增长而增长。氦泡分布特征的变化不仅影响材料本身的物理、力学性质，而且直接影响材料层裂损伤演化后期材料破坏颗粒度的分布特征。延性材料的层裂损伤演化过程一般包括孔洞的成核、增长和汇合，但因已有孔洞对新成核孔洞存在抑制作用，当初始孔洞数密度达到一定临界值时，材料内部没有新的孔洞成核，因此，层裂损伤的计算可以不考虑新孔洞成核的影响。本文中基于损伤早期演化的特征，给出了这一临界值的计算方法，并进一步探讨了含氦泡辐照老化钚材料层裂损伤的计算方法。同时，在完善孔洞增长(void growth, VG)层裂损伤模型中参数的确定方法的基础上，借助含氦泡常规铝材料的层裂实验结果，对此问题进行了定性的分析：在氦泡尺寸变化不大的情况下，当氦泡浓度低于临界氦泡浓度时，需要考虑初始氦泡以及新增孔洞的综合影响；反之，可以采用简单的层裂损伤模型，不需要计算孔洞成核，但由于增长孔洞之间的相互影响，损伤模型的初始损伤参数需要重新确定。     

混凝土层裂强度测量的新方法

提出了利用Hopkionson压杆测量混凝土层裂强度的新实验方法:用高聚物材料取代传统的金属材料透射杆,混凝土试件为细长杆,由于高聚物波阻抗比混凝土小,试件中压缩波在试件/吸收杆界面反射后形成拉伸波使试件产生层裂破坏,通过吸收杆上透射波形可以确定混凝土层裂强度。由于波在粘弹性材料中的弥散效应,吸收杆中透射波形会发生变化,但三维有限元分析表明,在利用吸收杆上透射波确定混凝土层裂强度时弥散产生的影响可以忽略。按照一维特征线理论,可以由吸收杆上的应变波形确定出混凝土材料的层裂强度。     

一种铝合金层裂破坏的分形形貌与微结构的相关性

针对高速冲击下材料的层裂破坏，用盒子计数法和码尺法计算了一种铝合金的层裂剖面的分形维。结合层裂破坏形貌的微观观测讨论了分形标度区范围。测定了材料的微结构分布，对材料中的二相粒子尺寸，晶粒尺寸以及相邻的二相粒子间距的分布，层裂破坏形貌展示的自相似范围和计算分形维数时的标度区范围进行比较，发现相邻的二相粒子间距的分布范围和层裂破坏形貌的自相似范围以及分形维的标度区范围是相当的。     

钢纤维混凝土层裂强度的实验研究

钢纤维能显著提高混凝土抵抗层裂破坏的能力,但纤维含量、长细比和形状对高应变率下钢纤维混凝土层裂强度的影响仍缺少系统研究.本文利用大直径Hopkinson杆对混凝土细长杆件进行冲击加载,通过放置在试件后方的空心铝合金杆上应变波形确定试件的层裂强度,系统研究了钢纤维含量、长细比和形状对钢纤维混凝土层裂强度的影响.实验结果表明钢纤维混凝土层裂强度具有应变率效应,即应变率越高层裂强度越高.钢纤维对混凝土层裂强度的增加与纤维影响系数α、纤维长细比和纤维含量三者之乘积具有线性关系.动态加载条件下的系数α高于静态,其原因主要是动态加载时纤维快速从基体拔出时动态剪应力增加.波浪形纤维混凝土的系数α比扁头型纤维高.根据实验结果建立了钢纤维混凝土层裂强度经验公式,公式预测结果能与实验结果较好吻合.     

三角波强加载下延性金属多次层裂破坏问题

基于应力瞬时断裂判据和Tuler-Butcher损伤累积判据，分析了没有升压的简单三角波强加载下延性金属的多次层裂破坏问题。分析结果显示:层裂片的厚度随着冲击波宽度与强度的比值的增大而增大，材料的破坏深度小于冲击波宽度的一半；在强冲击加载下，材料的破坏深度约为冲击波宽度的一半。     

判断煤与瓦斯突出危险性的三维模型

根据有效应力原理,建立瓦斯压力和煤体变形之间的耦合关系. 在地应力和瓦斯压力的共同作用下,煤体发生弹脆性破坏,之后发展为层裂-粉化破坏,据此判断发生煤与瓦斯突出的危险性. 根据一维煤激波管瓦斯突出实验,结合一维混相流动模型,进行了数值验证,证实了模型的可靠性.     

煤系页岩瓦斯吸附?解吸迟滞效应核磁共振谱实验研究

煤系页岩瓦斯主要以吸附态和游离态形式存在, 其解吸过程相对吸附过程具有普遍滞后现象, 因此从微细观角度定量研究其吸附?附解吸迟滞规律对页岩气井后期稳产增产具有重要意义. 在前人研究基础上结合核磁共振谱理论推导出能够准确表征煤系页岩瓦斯吸附?解吸迟滞效应微细观评价模型, 并采用核磁共振谱测试技术, 以双鸭山盆地东保卫煤矿三采区36# 煤层底板煤系页岩为研究对象, 进行煤系页岩瓦斯吸附?解吸迟滞效应核磁共振谱实验, 模拟不同储层原位应力状态煤系页岩瓦斯迟滞效应发生全过程, 进一步对吸附态瓦斯、游离态瓦斯以及微细观方法测定的宏观瓦斯迟滞规律进行定量化研究, 并对其发生机理以及其对深部煤系页岩瓦斯开采影响进行了初步探究. 结果表明: 应力状态下吸附态和游离瓦斯均有滞后效应; 瓦斯宏观迟滞系数与平均有效应力呈幂函数关系, 而瓦斯宏观迟滞效应中由吸附态或游离态瓦斯引起的迟滞系数与平均有效应力关系均可采用二次多项式拟合; 孔裂隙应力损伤和微孔隙瓦斯扩散受限耦合或许是煤系页岩瓦斯吸附?解吸迟滞效应产生根本原因之一.      

Nano-scale pore distribution characterisation of coal using small angle X-ray scattering

In the process of coal seam fracturing with liquid nitrogen (LN₂), the change of coal pore structure has an important influence on the efficiency of coalbed methane (CBM) extraction. The nano-scale pore size distribution (PSD) in coal particles before and after freezing with LN₂ are experimentally studied in this work. Coal samples are collected from four coal mines, where coal and gas outburst accidents have occurred. Small angle X-ray scattering technology (SAXS) and scanning electron microscopy (SEM) are used to study the pore structure changes of coal samples quantitatively and qualitatively. It is found that the scattering intensity of coal samples increases after freezing. The PSD of all samples significantly changes in the range of 0.8–7 nm, showing new pore spaces in 0.8–4 nm and fewer pores in the 4–7 nm range. Both the pore fractal dimension and the radius of gyration of coal samples increase after freezing and are mainly affected by the changes in pores and the anisotropy of the coal matrix. Crack expansion and pore connections are observed in the surface structure of the coal sample using SEM. This study provides a better understanding of the nano-scale mechanism of coal seam fracturing with LN₂ for the prevention of coal and gas outbursts.     

RESEARCH OF STEPPING PRESSURE AND CONTROL OF NEAR FIELD ROOF OF TASHAN COAL MINE BASED ON NUMERICAL SIMULATION1)

煤层坚硬顶板采用水力压裂技术进行定向弱化可有效控制来压步距,降低事故风险。基于黏聚力模型,利用有限元二次开发建立了压裂前后煤层开采数值计算模型,模拟分析了顶板垮落规律及影响因素,优化裂缝间距设计。结果表明：来压跨距与顶板厚度、强度呈正相关性,与埋深呈负相关性。预制裂缝在拉应力集中区可促进起裂扩展,应全面勘测各岩层位地质参数,利用计算出的应力集中区位置设计裂缝间距,实现经济有效地控制来压步距。     

One-dimensional flow model for coal-gas outbursts and initiation criterion

This paper discribes a one-dimensional flow model to explain the basic mechanism of coal-gas outbursts. A break-start criterion of coal, as the elementary outburst criterion, is given approximately. In this ideal model, the tectonic pressure before excavation, as a load on coal body, affects the break-start and then the flow field. The flow field is decoupled with the stress field, so that the gas seepage through unbroken coal body, break-start and consequent two-phase flow, and pure gas flow can be analysed independently of the stress field. The tunnelling, an external disturbance that makes the seepage intensify relatively, is an essential factor for initiating outburst. Under steady tunnelling, seepage ought to tend to be steadily progressive. From its asymptotic solution initiation criterion is obtained. This is described by three conditions, possibility condition —tectonic pressure condition, incubation condition—tunnelling or gas condition and triggering condition —seepage velocity condition. The project supported by the National Natural Science Foundation of China     

含气多孔介质的卸压破坏及突出的极强破坏准则

用简单的一维刚骨架破坏失效模型描述受压含气多孔介质在界面突然卸压下的拉伸破坏，这类破坏具有不发散传播的特性，可用稀疏间断波来表示，即破坏波．存在有极强破坏波，它由类似于定常爆燃的Ｃ Ｊ条件确定．提出了临界突出的极强破坏准则．     

Flow of Coal-Bed Methane to a Gallery

Coal-seam methane reservoirs have a number of unique feature compared to conventional porous or fractured gas reservoirs. We propose a simplified mathematical model of methane movement in a coal seam taking into account the following features: a relatively regular cleat system, adsorptive methane storage, an extremely slow mechanism of methane release from the coal matrix into cleats and a significant change of permeability due to desorption.Parameters of the model have been combined into a few dimensionless complexes which are estimated to an order of magnitude. The simplicity of the model allows us to fully investigate the influence of each parameter on the production characteristics of the coal seam. We show that the reference time of methane release from the coal matrix into cleats – the parameter which is most poorly investigated – may have a critical influence on the overall methane production.     

高瓦斯低透气性煤层聚能爆破增透机制

为解决常规爆破增透煤层过程中煤体粉碎严重而裂隙发育不佳的难题，进行了聚能爆破煤层增透技术研究。开展了聚能爆破与常规爆破的混凝土致裂实验，对比分析了爆破后混凝土裂隙开裂程度，同时利用超动态应变仪采集了应变砖应变随时间变化的数据。利用ANSYS/LS-DYNA数值模拟再现了聚能罩压垮运移、聚能射流侵彻混凝土的过程，对比分析了聚能爆破与常规爆破应力波传播特征及内部裂隙扩展过程。最后在平煤十矿进行了聚能爆破与常规爆破的煤层增透试验，对比了爆破后抽采孔瓦斯的体积分数。研究结果表明：聚能爆破后，聚能方向上混凝土的裂纹宽度为1.1 cm，垂直聚能方向上混凝土的裂纹宽度为0.4 cm，而常规爆破后混凝土形成的4条主裂纹的宽度均为约0.3 cm。数值模拟结果显示：聚能爆破混凝土的粉碎区呈“哑铃型”，常规爆破混凝土的粉碎区呈圆形，且聚能爆破混凝土的粉碎区面积小于常规爆破的；而裂隙区呈“纺锤型”，且聚能爆破混凝土的裂隙区面积大于常规爆破的，说明聚能爆破技术可有效解决爆破增透过程中煤体粉碎区严重而裂隙区发育不佳的难题，更有利于致裂增透高瓦斯低透气性煤层。现场试验结果同样显示聚能爆破后瓦斯抽采浓度明显高于常规爆...     

Mathematical Model of Coalbed Gas Flow with Klinkenberg Effects in Multi-Physical Fields and its Analytic Solution

The deep-mining coal seam impacted by high in situ stress, where Klinkenberg effects for gas flow were very obvious due to low gas permeability, could be regarded as a porous and tight gas-bearing media. Moreover, the Klinkenberg effects had a significant effect on gas flow behavior of deep-mining coal seam. Based on the gas flow properties of deep-mining coal seams affected by in situ stress field, geothermal temperature field and geo-electric field, a new mathematical model of coalbed gas flow, which reflected the impact of Klinkenberg effects on coalbed gas flow properties in multi-physical fields, was developed by establishing the flow equation, state equation, and continuity equation and content equation of coalbed gas. The analytic solution was derived for the model of one-dimensional steady coalbed gas flow with Klinkenberg effects affected by in situ stress field and geothermal temperature field, and a sensitivity analysis of its physical parameters was carried out by comparing available analytic solutions and the measured values. The results show that the analytic solutions of this model of coalbed gas flow with Klinkenberg effects are closer to the measured values compared to those without Klinkenberg effects, and this model can reflect more accurately gas flow of deep-mining coal seams. Moreover, the analytic solution of this model is more sensitive to the change of Klinkenberg factor b and temperature grad G than depth h.     

超临界CO2气爆煤体致裂机理实验研究

为提高超临界CO₂气爆低渗透煤层增透技术的应用水平，进一步研究超临界CO₂气爆煤体致裂机理，利用自主研发的超临界CO₂气爆装置，在多通道电液伺服相似材料试验台上，对原煤和混凝土大试件(1 m×1 m×0.5 m)进行了超临界CO₂气爆实验，用动态应变仪采集试件内部监测点处的变形和破坏信息，并用工业窥镜对爆破孔内裂隙分布进行了观测。分析气爆应力波的变化规律和气爆后试件的破坏形貌特征可知，距离气爆孔由近及远依次分为粉碎区、裂隙区和震动区，其形成机理为:超临界CO₂冲击气爆孔周围介质并形成远超介质抗压强度的球面纵波，介质在径向压应力作用下发生粉碎性破坏，形成粉碎区；应力波传播能量逐步衰减，不足以使介质产生压缩破坏，然而脆性材料抗压不抗拉，其产生的环向应力仍然使介质产生径向裂隙，应力波之后具有准静态加载作用的高压CO₂气体进入裂隙形成气楔，促使裂隙进一步发育和扩展，形成裂隙区；裂隙区以外的介质在低能量应力波的作用下只发生震动，未发生明显破坏，即震动区。裂隙的扩展速度与其到气爆孔距离符合“S”形曲线衰减，裂隙的高速扩展发生在粉碎区，低速扩展发生在裂隙区；距离气爆孔越远，测点的峰值应变越小，相同距离内节理裂隙等结构面越复杂，峰值应变减小的幅度越大且应变波形差别越大。