论文中文题名: | CO2气爆下空孔效应影响的煤岩体裂纹扩展规律 |
姓名: | |
学号: | 18220214069 |
保密级别: | 公开 |
论文语种: | chi |
学科代码: | 085224 |
学科名称: | 工学 - 工程 - 安全工程 |
学生类型: | 硕士 |
学位级别: | 工程硕士 |
学位年度: | 2021 |
培养单位: | 西安科技大学 |
院系: | |
专业: | |
研究方向: | 矿山灾害力学 |
第一导师姓名: | |
第一导师单位: | |
论文提交日期: | 2021-06-15 |
论文答辩日期: | 2021-05-30 |
论文外文题名: | The law of coal and rock mass crack propagation under the influence of empty hole effect under CO2 gas blasting |
论文中文关键词: | |
论文外文关键词: | CO2 blasting ; Stress wave ; Blasting gas ; Empty hole effect ; Crack propagation |
论文中文摘要: |
深部煤层具有高瓦斯、低透气性特点,CO2气爆作为煤层增透的有效手段之一,可显著提高瓦斯抽采效率,故探究CO2气爆的作用机理,能够指导该方法在保障安全生产的前提下最大限度的提升经济效益。本文基于弹性力学与断裂力学,构建CO2气爆煤岩体裂纹扩展力学模型,描述了应力波强弱与裂纹扩展迹长的关系,说明了爆生气体的能量加持作用。不含空孔煤岩体受到CO2气体冲击时,煤岩体爆孔孔周在应力波作用下,于边界处产生四周均布的拉应力载荷,致使煤层自中心处环向开裂。爆生气体在吸收冲击波能量后发生膨胀并释放一定的能量,对应力波产生协同作用,促使煤岩体爆孔孔周裂纹得到充分发展。考虑到自由面对裂纹扩展的影响,引入空孔效应,分别开展了不含空孔与含空孔试样的CO2气爆物理试验。利用光学非接触式应变测量系统(VIC-3D)观测试样表面位移变化,分析煤岩体爆孔孔周裂纹扩展规律,并通过超声波监测系统收集爆破过程中的波幅,计算衰减系数以反映煤岩体内部损伤情况。 CO2气爆过程中两次超声波波幅的出现并非偶然,其反映了爆生气体协同应力波促进裂纹扩展的实质性。应力大小可以反映应力波与爆生气体协同作用的强弱,应力越大,协同作用越强,裂纹扩展越充分。应力与衰减系数在峰值时间段的重合现象,说明该时间段应力波与爆生气体的协同作用最强。对角线方向上应力强度因子的水平分量与竖直分量基本持平且试样的裂纹扩展最深,说明水平分量与竖直分量越接近煤岩体越容易开裂。自由面的增加诱发了空孔效应,CO2气爆过程中压缩波与反射波迭加产生径向拉应力,突破煤岩体抗压强度后,发生破碎,爆腔内压力逐渐达到峰值,在爆孔与空孔之间形成一条近似直线的主裂纹通道,对煤岩体裂纹扩展起导向作用。此时,应力与衰减系数均达到峰值,煤岩体内部损伤最为剧烈。 采用LS-DYNA软件,分别在不含空孔和含空孔条件下,模拟研究CO2气爆后煤岩体爆孔孔周裂纹扩展规律,具象化反映空孔的导向性。数值模拟CO2气爆下含空孔煤岩体裂纹扩展特征演变情况,发现0.13s主裂纹通道形成,0.18s煤岩体应力达到峰值且能量耗散最大。能量与应力的负相关关系与试验结果一致,表明CO2气爆过程中,空孔效应为煤岩体裂纹扩展提供了良好的导向作用。本文将理论分析、试验探究及数值模拟有机结合,完善了CO2气爆致裂的基础理论体系,阐明了爆生气体对应力波的协同作用,反映了空孔效应影响的煤岩体裂纹扩展特征规律,能够指导CO2气爆技术安全高效的应用于煤矿生产现场,对进一步强化煤层增透效果、提高瓦斯抽采效率具有重要现实意义。 |
论文外文摘要: |
Deep coal seam has the characteristics of high gas and low permeability. As one of the effective means to increase the permeability of coal seam, CO2 gas blasting can significantly improve the efficiency of gas drainage. Therefore, exploring the mechanism of CO2 gas blasting can ensure the safety and economy of this method applied in coal mine production sites. Based on elastic mechanics and fracture mechanics, the crack propagation mechanical model of CO2 gas blasting coal mass is constructed in this paper. The relationship between the stress wave intensity and the crack propagation trace length is described, and the energy addition effect of blasting gas is explained. When the coal and rock mass without void is impacted by CO2 gas, the tensile stress load distributed around the boundary is produced under the action of stress wave, which causes the coal seam to crack in the circumferential direction from the center. After absorbing the energy of the shock wave, the blasting gas expands and releases a certain amount of energy, which produces a synergistic effect on the stress wave, which promotes the full development of cracks around the blasting hole in coal and rock mass. The void effect is introduced to consider the influence of freedom on crack propagation. The physical tests of CO2 gas blasting with and without voids were carried out respectively. The surface displacement of the sample was observed by an optical non-contact strain measurement system (VIC-3D), and the law of crack propagation around the burst hole in coal and rock mass was analyzed. The amplitude in the blasting process is collected by the ultrasonic monitoring system, and the attenuation coefficient is calculated to reflect the internal damage of coal and rock mass. The appearance of two ultrasonic amplitudes in the process of CO2 gas blasting is not accidental, which reflects the substance of crack propagation promoted by the synergistic stress wave of detonating gas. The magnitude of stress can reflect the synergistic effect of stress waves and blasting gas. The greater the stress is, the stronger the synergistic effect is and the more sufficient the crack propagation is. The characteristic coincidence phenomenon of stress and attenuation coefficient in the peak period shows that the synergistic effect of stress wave and blasting gas is the strongest in this period. In the diagonal direction, the horizontal component of the stress intensity factor is basically the same as the vertical component, and the crack propagation of the specimen is the deepest, indicating that the closer the horizontal component is to the vertical component, the easier it is to crack. The void effect is induced by the increase of the free surface. In the process of CO2 gas blasting, the superposition of compression wave and reflected wave produces radial tensile stress, which breaks through the compressive strength of rock mass. The pressure in the blasting cavity gradually reaches the peak, and an approximately straight line main crack channel is formed between the blasting hole and the empty hole. It plays a guiding role in the crack propagation of coal and rock mass. At this time, the stress and attenuation coefficient reach the peak, and the internal damage of coal and rock mass is the most severe. Under the condition of no empty hole and empty hole, LS-DYNA software is used to simulate and study the law of crack propagation around the blasting hole in coal and rock mass after CO2 gas blasting, which vividly reflects the orientation of the empty hole. The evolution of crack propagation characteristics of coal and rock mass with holes under CO2 gas blasting is numerically simulated. It is found that the main crack channel is formed in 0.13s, the stress of coal and rock mass reaches the peak value and the energy dissipation reaches the maximum in 0.18s. The negative correlation between energy and stress is consistent with the experimental results, which show that the void effect provides good guidance for the crack propagation of coal seam in the process of CO2 gas blasting. With the organic combination of theoretical analysis, experimental exploration, and numerical simulation, this paper improves the basic theoretical system of CO2 gas blasting, expounds the synergistic effect of blasting gas on stress waves, and reflects the characteristic law of crack propagation in coal seam affected by void effect, which can guide the safe and efficient application of CO2 gas blasting technology in coal mine production site, and has important practical significance to further strengthen the permeability enhancement effect of coal seam and improve the efficiency of gas extraction. |
参考文献: |
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中图分类号: | TD712 |
开放日期: | 2021-06-15 |