矿山工程技术

煤矿采动与地震耦合作用下建筑物灾变分析

刘书贤，魏晓刚，张弛，等

摘要：目的：随着煤炭资源高强度、大面积的不断开采以及其储量的急剧减少，我国许多新建矿区以及老矿区的开采范围不可避免地延伸到人口和建筑物相对密集的城市、村庄下。由于地下煤炭开采强度和范围的不断扩大，矿区出现开采沉陷变形的面积也越来越大，造成建筑物的损害破坏日趋严重。矿区建筑物不仅受到煤炭开采引起的采动损害的影响，还要承受地震所产生的震害。因此煤矿采动损害和震害耦合作用下建筑物灾变过程预测与控制是迫切需要解决的问题。方法：从采动损害与震害耦合角度深入分析建筑物损伤灾变过程的演化机制，考虑到煤矿采动区涉及到煤矿巷道、采动扰动土不连续地质界面以及采动土—基础—上部结构相互作用的动接触力模型，基于局部透射人工边界和显式差分方法，建立煤矿采动与地震共同作用下建筑物的动力方程的显式有限元方法。基于地震工程学和开采沉陷学的原理对煤矿采动与地震耦合作用下建筑物损伤灾变过程进行了理论分析，建立煤矿采动损害与震害的耦合作用模型和建筑物的运动方程，量化分析了采动区开采沉陷变形和地震对建筑物的损害程度，提出煤矿采动区建筑物应该采用抗开采沉陷变形隔震保护新体系。结果：（1）通过对地下煤炭开采后，煤矿采动区岩层结构发生扰动的研究，了解了采动区所特有的局部几何不规则和不均匀介质条件对地震波动效应的影响，基于局部透射人工边界和显式差分方法，建立了煤矿采动与地震共同作用下建筑物的动力方程的显式有限元方法。（2）提出了煤矿采动与地震耦合作用下建筑物动力学模型。研究结果表明：在开采地下煤炭的过程中，地表会发生不同程度的移动变形，由此对建筑物产生采动附加应力。在煤矿采动附加应力作用下，建筑物会产生不同程度的次生损伤；在地震动作用下，建筑物的损伤会逐渐积累演化，由此严重威胁到对建筑物的整体安全性。（3）开展了煤矿采动与地震耦合致灾灾变过程中建筑物不同动力学响应分析，量化分析了采动区开采沉陷变形和地震对建筑物的损害程度（其中峰值剪力瞬间增加了1052.77 %，峰值弯矩增加了188.13%，其最大位移为0.026 m，应该针对煤矿开采沉陷变形和地震不同致灾机制、耦合致灾机制，开展煤矿采动区建筑物抗开采变形隔震保护体系的研究工作。结论：（1）煤矿采空区岩层的移动变形破断，改变了煤矿采空区围岩介质的地震波动场。矿区建筑要同时承受煤矿采动引起的开采沉陷和地震的破坏作用，基于局部透射人工边界和显式差分方法，考虑到煤矿采空区特有的局部几何不规则和不均匀介质条件对地震波动效应的影响，可以建立煤矿采动与地震共同作用下建筑物的动力方程的显式有限元方法，搭建煤矿采动损害和地震这两种灾害荷载的内在联系，反映煤矿采动对建筑的次生损伤在地震作用下的累积演化过程。（2）地震作用下煤矿采动损伤建筑物容易发生扭转振动效应，降低了整体结构的抗震性能，严重威胁到对建筑物的整体安全性。建立的煤矿采动荷载与地震联合作用下建筑物动力学模型，揭示了地震作用下煤矿采动损伤建筑物的动力学响应，煤矿采动损害影响下的建筑物的损伤主要集中于建筑物的下部楼层。（3）煤矿采空区是涉及到固—液—气三相的多场耦合复杂恶劣的灾害系统，地震作用下煤矿采动裂隙岩体的动力本构模型及失稳致灾机制、煤矿采空区地震动力灾变评判准则以及煤矿采动区建筑物抗开采沉陷变形隔震保护等相关理论的深入研究是解决煤矿采动损伤建筑地震动力灾变问题的重点研究方向和关键。

来源出版物：中国矿业大学学报, 2013, 42(4)：526-534

入选年份：2016

煤粒瓦斯解吸扩散规律实验

聂百胜，杨涛，李祥春，等

摘要：目的：随着煤炭资源的开采，我国煤层开采向深部转移成为大趋势。随深度的增加，地温、围岩应力、孔隙压力等都会逐渐升高，煤层瓦斯解吸及流动会受到影响。本文通过对不同粒度煤样在不同温度、吸附平衡压力下的解吸实验，研究了煤体瓦斯解吸初始有效扩散系数。方法：利用菲克扩散方程，采用自主研制的温控吸附—解吸实验系统对采集煤样制备成的煤粒分成4组进行解吸扩散实验研究，4组煤粒依次编号1#，2#，3#，4#。该项实验系统主要包括温度控制系统、吸附解吸系统、数据采集与处理系统、解吸扩散集气系统、供气及气体控制系统及其它辅助装置。实验选定20，30，40℃这3个不同的解吸实验温度，主要进行了不同粒径煤样、不同温度和不同吸附平衡压力条件下的等温吸附－解吸实验。通过对解吸实验前600 s实验数据的甲烷解吸率和线性拟合，并结合计算得到了煤粒甲烷的初始有效扩散系数和扩散动力学参数。结果：拟合结果可知，1#煤样在30℃条件下，吸附平衡压力为0.3 MPa时，拟合得到的正比例函数直线斜率为0.0263。当吸附平衡压力为0.5 MPa时，正比例直线斜率为0.0359。同样，在吸附平衡压力分别为1.0 MPa和1.7 MPa时，拟合斜率k分别为0.0473和0.0530。因此，对同一煤样而言，吸附平衡压力越大，拟合直线的斜率k值越大。表3的计算结果证明了初始有效扩散系数与k2成正比，所以在相同条件下，吸附平衡压力越大，初始有效扩散系数越大。30℃时，在不同压力条件下，1#煤样甲烷解吸率随变化曲线。相同外部条件下，当解吸时间相同时，随吸附平衡压力的增加，解吸率增大。研究发现，2#，3#和 4#煤样也符合该规律。不同温度下初始有效扩散系数实验结果，在其他条件相同时，甲烷的初始有效扩散系数随温度升高而增大。1#煤样求解活化能的阿仑尼乌斯（Arrhenius）图，随温度升高，动力学扩散参数增大。当实验外部条件及解吸时间相同时，温度越高解吸率越大。当解吸时间较小时，与基本呈线性变化关系，但解吸时间较大时，不再遵循该规律。30℃条件下，1#～4#煤样在吸附平衡压力点0.3，0.5，1.0和1.7 MPa的初始有效扩散系数。各煤样的粒径大小关系依次是1#，2#，3#，4#，在相同温度和压力条件下，煤样的粒径愈大初始有效扩散系数愈大，而动力学扩散参数越小。计算得粒径越大的煤样，在相同温度梯度下，甲烷扩散所需的活化能越大，动力学扩散参数越小，甲烷分子越难从煤粒中解吸出来。不同粒径煤样30℃，1.0 MPa条件下的解吸率随解吸时间变化曲线。相同解吸温度和吸附平衡压力条件下，当解吸时间相同时，煤样粒径越小解吸率越大，且初始解吸速率越大。结论：（1）通过理论分析，得到了初始有效扩散系数及扩散动力学参数的计算方法。并结合对前600 s的解吸数据进行Qt/Q∞和作图，通过线性拟合，计算得到了各实验条件下的甲烷初始有效扩散系数和扩散动力学参数。（2）吸附平衡压力越大，初始有效扩散系数越大，瓦斯解吸率越大；温度越高，初始有效扩散系数和扩散动力学参数也越大；煤样的粒径愈大初始有效扩散系数愈大，而动力学扩散参数越小，相同解吸时间内的甲烷解吸率越小。（3）通过Arrhenius方程得到了甲烷解吸扩散活化能的表达式，通过处理数据得到1#和3#煤样的解吸扩散活化能分别为14.38 kJ/mol和 9.99 kJ/mol。

来源出版物：中国矿业大学学报, 2013, 42(6)：975-981

入选年份：2016