裂隙煤岩体的流固耦合精细模型
劳动模范事迹材料
劳动模范事迹材料（经典版）编制人：__________________审核人：__________________审批人：__________________编制单位：__________________编制时间：____年____月____日序言下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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覆岩导气裂隙演化对邻近层瓦斯涌出规律的影响
（ 1 ． School of Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221008 ， China； 2 ． The State Key Laboratory China） of Coal Resources and Safe Mining，Xuzhou 221008 ， Abstract ： The growth of gas transmit fracture in overburden affect directly the dynamic storage and emission laws of gas in adjacent layer in the process of rupturing the rock． Based on the formation mechanism and extension laws of air transmit fracture in overburden， this paper studied the development laws of gas transmit fracture in Shigang 15101 caving face of Yangquan Coal Group and calculated the growth height of gas transmit fracture under normal production conditions． Combined with measured gas emission data of caving face ，the paper studied the dynamic coupling relationship between gas transmit fracture growth and gas emission of adjacent layer under the influence of mining and provided the selection and optimization for gas extraction and management technology in the coal seam and the adjacent layer． Key words： caving face； gas transmits fracture； gas emission of adjacent layer
RFPA软件在岩石破裂过程中的应用
RFPA软件在岩石破裂过程中的应用【摘要】rfpa软件是一个以弹性力学为应力分析工具、以弹性损伤理论及其修正后的coulomb破坏准则为介质变形和破坏分析模块的岩石破裂过程分析系统。
掌握煤田岩石的破坏系统，有效组织装药、放炮、掘进；提高单进水平，加快煤矿联合试运转。
【关键词】weibull；弹性力学；岩石破裂1.rfpa系统简介rfpa是一个以弹性力学为应力分析工具、以弹性损伤理论及其修正后的coulomb破坏准则为介质变形和破坏分析模块的岩石破裂过程分析系统。
其基本思路是：（1）岩石介质模型离散化成有细观基元组成的数值模型，岩石介质在细观上市各向同性的弹-脆性介质；（2）假定离散化后的细观基元的力学性质服从某种统计分布规律（weibull分布），由此建立细观与宏观介质力学性能的联系；（3）引入适当的基元破坏准则（相变准则）和损伤规律，基元的相变临界点用修正的coulomb准则；（4）基元的力学性质随演化的发展是不可逆的；（5）基元相变前后均为线弹性体；（6）岩石介质中的裂纹扩展是一个准静态过程，忽略因快速扩展引起的惯性力的影响。
2.rfpa主要功能岩石破裂过程分析系统rfpa主要功能包括应力分析、破裂分析、热应力分析和流固耦合分析等。
2.1 岩石中的应力分析应力分析是工程设计中的基础，对于复杂的、大型的岩土工程尤其如此。
一般来讲，解析理论只能得到几种简单围岩结构中应力场的理论解。
即使是简单几何形状的巷道断面，如椭圆端面巷道，其应力分布的表达式也极其复杂。
而许多岩体中的开挖工程，涉及到比椭圆断面更为复杂的断面结构。
虽然通过特殊的简化方法我们也能得到一些复杂问题的近似解，但从工程应用来说，寻求一种比解析方法更方便得到的复杂结构中的应力场是十分必要的。
这种必要性还表现在岩体介质往往是层状的，充满结构面，甚至是非均匀的。
解析理论对这种具有复杂结构的介质将显得无能为力。
2.2 岩石破裂过程分析岩石破裂过程分析是rfpa系统的重要组成部分和主要特点。
上保护层开采防突效果区域时空演化规律研究
上保护层开采防突效果区域时空演化规律研究郭怀广【摘要】在煤层群开采中,利用保护层采动作用产生的\"卸压增透\"效应来提高煤层透气性是最具有效的措施.基于理论分析结合数值模拟的方法,研究贵州某矿区上保护层开采后,伏岩应力、应变的区域时空分布规律.结果表明:开采保护层后,伏岩区域存在应力集中区、过渡区和卸压区,根据建立的方程得出卸压区最大变形量为82.7 mm;伏岩部分区域应力(变)及变形量随着保护层开采有所恢复,表明区域增透卸压效果存在时效性和空间差异性;模拟伏岩最大变形量为80 mm,与理论计算结果基本一致.【期刊名称】《煤矿安全》【年(卷),期】2019(050)004【总页数】5页(P186-190)【关键词】保护层开采;时空特征;膨胀变形;渗透特征;防突效果【作者】郭怀广【作者单位】河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作 454003;煤科集团沈阳研究院有限公司,辽宁沈阳110016;煤矿安全技术国家重点实验室,辽宁抚顺113122【正文语种】中文【中图分类】TD713在煤层群开采中，利用保护层采动作用产生的“卸压增透”效应来提高煤层透气性是最具有效的措施[1]。
目前国内外广泛采用现场实测、实验室相似模拟和计算机数值模拟的方法，研究保护层开采后上覆煤岩层变化规律和被保护层的保护范围。
孙培德、鲜学福等人应用瓦斯流的固气耦合理论对上保护层的保护范围进行了固气耦合分析，可动态地定量划分上保护层的保护范围[2]；王永秀等人针对华丰煤矿4号煤层冲击矿压灾害问题，应用FLAC软件模拟分析了6号保护层开采后4号被保护层的卸压效果[3]；石必明、俞启香等人基于岩石破裂损伤理论对远距离保护层开采动态发展过程进行了模拟，得出了覆岩破裂移动规律及随工作面推进时，被保护层应力、变形分布特征[4]；刘林利用三维离散单元法对上保护层开采后，底板煤岩体应力重新分布的规律、底板变形和破坏特征进行了数值模拟研究，从理论上计算了卸压范围向底板方向发展的深度，并得出了模型沿走向、倾向的最大卸压角[5]；刘泽功、涂敏等人数值模拟的方法研究了保护层开采上覆煤岩层变化规律，一致认为随着保护层采煤工作面向前推进，被保护层垂直变形呈现“M”型分布[6-7]；涂敏根据物理模拟试验，研究下保护层煤层工作面推进过程中，采动覆岩结构运动、采动裂隙动态演化与分布特征及被保护层煤层的应力变化和膨胀变形等规律[8]；郭世儒、田富超、孙国文等人研究了保护层开采后，覆（伏）岩应力、应变及岩层渗透特性的变化规律[9-12]。
石门揭煤煤与瓦斯延时突出动力源分析及其控制准则
石门揭煤煤与瓦斯延时突出动力源分析及其控制准则冯涛，叶青，王海桥（煤矿安全开采技术湖南省重点实验室湖南湘潭411201；湖南科技大学能源与安全工程学院，湖南湘潭411201）摘要：基于煤与瓦斯延时突出机理，分析了石门揭煤过程煤与瓦斯延时突出动力源，阐述了地应力、瓦斯压力和煤岩体物理力学性质在延时突出过程中的作用及地应力、瓦斯压力对含瓦斯煤体流变失稳及能量变化关系、并分析了延时突出动力源形成的能量聚集过程.分析结果表明，煤与瓦斯延时突出动力源包括作用力和作用能量，作用力大致有煤层地应力、煤体中的瓦斯压力、外作用等；作用能量大致有瓦斯内能、煤岩体弹性潜能、煤体物理力学性质等，延时突出动力源形成过程是复杂而又多变的，瓦斯、地应力是煤与瓦斯延时突出中的主要作用力，瓦斯内能、地应力积聚的潜能是主要能量.因此降低瓦斯压力、瓦斯内能和地应力是减少煤与瓦斯延时突出的根本办法.在此基础上，提出了防治煤与瓦斯延时突出的三个准则，即分阶段释放动力源原则、应力转移原则和安全防护原则.关键词：石门揭煤；延时突出；动力源；煤与瓦斯突出中图分类号：TD713+.1文献标识码：A文章编号：1674-5876（2009）01-0052-05收稿日期：2009-02-23基金项目：国家自然科学基金重点项目（50674047；50534090；50574093）作者简介：冯涛（1957-），男，重庆人，教授，博士生导师，研究方向：瓦斯灾害防治、岩石力学.石门揭煤煤与瓦斯延时突出是指矿井在掘进石门爆破时不发生突出，而在爆破后一段时间内，发生的煤与瓦斯突出.延时突出的延迟时间无一定的规律，短则几分钟，长则十几个小时，甚至几天.延时突出区别于一般突出特征是其延时性，因此，在进行煤与瓦斯延时突出防治技术和措施研究时，必先讨论延时突出发生准则，而讨论延时突出发生准则时，不仅应了解延时突出煤岩体结构失稳破坏的条件，而且还必须清楚导致煤岩体结构失稳的突出动力来源及其能量积聚的形成过程.基于这样的认识，在石门揭煤过程中，煤岩体是否有能量的积聚，即是否有突出动力源的形成，是判别能否发生突出的准则之一.因此，从力和能量及其平衡条件等方面研究突出动力源的形成过程和发生条件对提出延时突出防治技术措施具有重要理论意义和现实应用价值.1石门揭煤煤与瓦斯延时突出的动力源作用及其能量积聚过程石门揭煤煤与瓦斯延时突出的影响因素非常多、也非常复杂，总的来说，影响因素主要包括四个方面[1-3]：（1）煤层的地质构造；（2）煤层因素及瓦斯参数；（3）矿区或煤层所处的地应力条件；（4）矿山开采的工程因素.井下的地质条件复杂多变，影响煤与瓦斯突出的这些因素在随机演变和组合，不同矿井的煤与瓦斯突出是不一样，同一煤层不同区域所发生的突出类型也不一样；即使同一突出类型，影响突出的因素在不同的地点的作用也不一样，即不同的因素有不同的作用方式，不同因素在突出中的作用不同，所以其影响因素或动力源所起的作用由具体的情况而定.研究表明煤与瓦斯突出固流耦合结构动力失稳是煤岩体结构在原来保持平衡的受力约束条件丧失后，向新的平矿业工程研究Mineral Engineering Research第24卷第1期2009年3月Vol.24No.1M ar .2009衡态的跃迁过程[4].突出作为煤岩体结构的动力失稳现象，必须存在一个动力源，这种动力源的形成及突然作用与突出的形成及发生有内在本质的联系，因此煤与瓦斯延时突出动力源有一个能量形成的积聚和释放的过程，并且会因为作用对象的结构形式不同、作用对象本身的动态响应特性不同以及动力源作用方式的不同而出现不同类型、不同强度的突出.因此，笔者对延时突出动力源的形成过程、作用方式、作用对象等进行分析.1.1石门揭煤煤与瓦斯延时突出动力源的构成从本质上讲，突出或延时突出是煤岩体变形、外力（采动影响）与瓦斯运动耦合作用下，煤体突出破坏的动力过程，也是释放大量积聚能量的一种动力显现过程，这个过程既包含了能量的转换，也包含了力的平衡丧失，所以煤与瓦斯延时突出动力源包括作用力和作用能量两个方面.煤岩体结构的动力失稳动力源主要来自重力场和构造应力场作用下的围岩压力以及由裂纹面上的有效剪应力以及瓦斯压力和瓦斯能量，以及地应力作用下积聚的煤岩体弹性潜能.释放的煤岩体结构能量、瓦斯能量用于消耗煤岩体结构破坏之外，多余的能量转换为动能，所以其发生的强度取决于煤岩体积聚能量的释放量与煤岩体破裂失稳所消耗的能量之差，煤岩体能量积聚的程度越高、能量越大，并且煤岩体破裂失稳所消耗的能量越少，则强烈的突出越容易发生.1.2地应力的作用过程在地应力的作用下，煤层积蓄了相当大的储存能.在应力状态变化时，释放出来的能量能否破坏煤体，在很大程度上取决于煤体的物理力学性质.从能量的观点来看，只有释放的能量达到使煤体破碎的某一能量时，才能实现煤与瓦斯突出；否则煤岩体产生流变，在巷道推进过程中，由于放炮等作用，煤层应力状态可能突然改变，它可以引起煤体中储存能的大量释放，突然释放的大量储存能可以转化为煤体的破碎功和移动功，诱导了延时突出的发生.在自然条件下，释放的能量可能是煤体所释放出来的储存能和顶底板相互相向移动时所释放处的围岩动能，即煤层的储存能和围岩的动能是煤体状态改变或完全破碎的能量源泉.所以地应力在延时突出中所起的作用有：（1）地应力的作用使煤体产生流变，并且使其从稳定流变进入到失稳流变，从而使突出延时；（2）地应力促使围岩或煤层的弹性变形潜能做功，使煤体破坏，激发突出；（3）地应力场控制瓦斯压力场，促进瓦斯破坏煤体.在突出发展阶段中，地应力与瓦斯压力梯度联合作用对煤体进行剥离、破碎；（4）地应力影响煤体内部裂隙系统的闭合程度和生成新的裂隙、控制着瓦斯的流动和解吸过程；（5）高地应力决定了煤层的低透气性，以致瓦斯泄露减慢，造成瓦斯梯度增高，煤体一旦破坏对突出有利；（6）地应力（切应力）量级越高，围岩或煤层中的裂纹越易于达到脆断的临界条件，发生突出的可能性越大；（7）地应力量级越高，突出释放的总能量中动能的比例越高，突出越强烈，但这种影响是有限的.1.3瓦斯压力的作用过程煤体具有一个复杂的孔隙系统，瓦斯以吸附和游离形式存在于该孔隙系统中，对煤体形成孔隙瓦斯压力.孔隙瓦斯除了对煤有力学作用外，还对煤体有非力学作用，瓦斯对煤体的纯力学作用是由游离瓦斯产生的，而非力学作用则是由吸附瓦斯的吸附和解吸作用产生的.当煤体吸附瓦斯量达到饱和状态时，其内部吸附和解吸作用与瓦斯压力有关，且微小孔隙压力的变化都将使煤吸附和解吸大量瓦斯，从而使其力学性质和变形特性都发生很大的变化，煤体对瓦斯的吸附量越多，吸附和解吸作用越强.孔隙瓦斯对煤体变形特性的影响主要表现在煤体孔隙中的瓦斯不仅改变了煤体塑性变形阶段和峰值强度后变形阶段的力学性质和力学响应，而且还改变了煤体的弹性变形特性，使得弹性模量、泊松比等力学参数不再为常数[3].当煤层中的瓦斯压力和压力梯度较小时，所产生的最大拉应力和切应力不会超过煤的抗拉强度和抗切强度，煤体仍处于稳定的平衡状态，不发生煤与瓦斯突出；当煤层中的瓦斯压力和压力梯度较大时（例如石门揭煤时），若产生的最大拉应力和切应力超过抗拉强度和抗切强度，在煤层中将产生垂直于该拉应力方向和切应力方向的裂纹，此时煤层将发生拉伸剪切失稳破坏，即发生煤与瓦斯突出.由此可见，瓦斯压力及压力梯度越大，越容易导致突出的发生[5]，所以瓦斯气体增加了煤岩体的突出破坏倾向性，加强了激发突出的潜在可能性.就通常情况而言，石门揭煤巷道前方的煤层（包括岩体）是未受采动影响或受采动影响较小的区域，所以，煤层中的瓦斯含量大、瓦斯压力高，并且煤层中储存了较多的瓦斯内能等.从力学条件来看，游离瓦斯的孔隙压力对煤的力学作用与围压的作用相反，孔隙压力增加，有效应力减小，使煤抵抗破坏的能力降低；吸附瓦斯减小了煤体内部裂隙表面的张力，从而使煤体的骨架部分发生相对膨胀，导致煤体颗粒之间的作用力减弱，被破坏时所需要的表面能减小，同样也削弱了煤体的强度.所以煤体的强度随着瓦斯孔隙压力的增加而降低.而且，原始瓦斯压力越大，裂纹及暴露面裂缝中能够积聚的瓦斯压力就越大，裂纹就越容易撕裂、暴露面就越容易被撕裂，当煤体受到的应力超过其峰值强度，形成宏观裂缝后，裂缝空间迅速被瓦斯气体所充满，增加了煤体的渗透能力，且形成的新的裂隙通道与煤体的其它部分连通，变形剧烈区域有更多的瓦斯涌入，从而使煤体的强度进一步降低，因此瓦斯的作用加速了煤体失稳破坏的进程，所以瓦斯压力是促使煤体向巷道空间抛出的主要动力源.从能量的角度来看，尽管煤层瓦斯压力较小，但其膨胀量大，因此瓦斯的膨胀能大；尽管煤层地应力较大，但其变形量小，因此由地应力引起的弹性潜能小.但在强大地应力作用下，煤体内可以储存较高的瓦斯膨胀能，膨胀能在突出过程中起着使煤岩体破碎、粉化煤体、搬移突出物并使突出不断向煤体深部发展的作用.而且，原始瓦斯压力越大，煤体内单位面积孔隙和裂隙上吸附的瓦斯量就越多，煤体破坏后，释放出来的初始释放瓦斯膨胀能就越大，突出就越容易发生.所以煤层中的原始瓦斯压力越大，越容易发生突出.当不能发生瞬时突出时，就可能产生延时突出.由煤矿生产实际可知，具有突出倾向性的煤岩体中的地应力一般远大于瓦斯压力，但煤岩体中的弹性潜能却一般小于煤层瓦斯的膨胀能.这是因为煤层中的弹性潜能不仅仅与瓦斯和地应力有关，而且还与煤岩体的变形有关.所以，在煤与瓦斯突出过程中，突出的主要能源来自于瓦斯的膨胀能[5].所以瓦斯在延时突出中所起的作用有：（1）由于瓦斯膨胀能较大及其释放的外部环境较差，瓦斯是发生煤与瓦斯延时突出的首要条件；在某些场合，当能形成高瓦斯压力梯度时，可使煤岩体产生流变，并独立激发突出.在自然条件下，由于有地应力配合，可以不需要很高的瓦斯压力梯度就可激发突出；（2）全面压缩煤的骨架，促使煤体产生弹性潜能；（3）吸附在微孔表面的瓦斯分子对微孔起楔子作用，降低煤的强度；（4）发展与实现突出的主要因素，在突出的发展阶段中，瓦斯压力与地应力配合连续地剥离破碎煤体使突出向深部传播；（5）瓦斯是大规模突出的主要动能来源，瓦斯的解吸使煤的破碎和移动进一步加强，并由于瓦斯流不断地把碎煤抛出，使突出空洞壁始终保持着一个较大的地应力梯度和瓦斯压力梯度，为连续剥离煤体准备好必要条件，并使煤的破碎不断向深处发展.因此，有足够的瓦斯流把碎煤抛出，并且突出孔道畅通，使空洞壁形成较大的地应力梯度和瓦斯压力梯度，有利于煤体破碎向深部扩展[6].1.4外力的作用过程外力作用是突出的人为条件，如果没有外力作用，不管瓦斯压力、瓦斯内能和地应力等有多大，通常不存在煤与瓦斯突出的问题，更不存在煤与瓦斯延时突出问题.通常外力作用主要有开采强度、爆破、震动和支护等.1.4.1爆破形成裂隙作用炸药在煤岩层钻孔中爆炸后，爆源附近的煤岩体因受高温高压的作用而被压实，强大的压力作用使爆破孔周围形成压应力场，并且引起爆破孔周围压缩变形，使压应力场内的煤岩体产生径向位移，在切向方向上将受到拉应力作用，产生拉伸变形.由于煤岩体的抗拉能力远低于抗压能力，故当拉应变超过破坏应变值时，就会在径向方向上产生裂隙.在不同方向上，由于质点位移不同，各个方向的阻力也不同，因此，必然产生剪切应力.如果剪切应力超过该处煤岩体的抗剪强度，煤岩体则产生剪切破坏，产生径向剪切裂隙.爆炸是一个高温高压过程，随着温度的降低，在冷却作用下，原来由压缩作用引起的单元径向位移必然产生向心运动.于是单元径向呈拉伸状态，产生拉应力.当拉应力大于煤岩体的抗拉强度时，煤岩体将呈现拉伸破坏，在切向方向上形成拉伸裂隙.以上径向裂隙、切向裂隙、剪切裂隙相互交叉贯通，并在瓦斯压力、爆炸气体的膨胀作用下，向爆破孔周围扩展，形成一定的裂隙区域，为煤岩体的流变、突出提供了条件[7].1.4.2外力作用过程具有突出倾向性的煤层一般包含高压瓦斯，在地质构造力、地层自重力以及应力集中等综合作用下，使煤层中储存了强大的瓦斯膨胀能和弹性潜能.根据煤与瓦斯延时突出的激发和发展条件，当掘进工作面接近这些区域时，可得出爆破对于煤与瓦斯延时突出的诱导和作用主要表现在爆破使巷道“瞬间”进入深部煤体，四周煤岩体的应力状态突然改变，煤体由三向受力状态突然改为双向或单向状态，煤体强度骤减；由于煤岩体的抗拉强度一般只为抗压强度的1/10~1/20，以致煤岩体被拉坏；深部煤体的突然暴露，导致煤层中的吸附瓦斯瞬时解吸，并且引起煤体中集聚的高压瓦斯潜能迅速转化和释放，形成很高的瓦斯压力梯度和强大的瓦斯流，使煤体粉化并伴随高压瓦斯气体冲向采掘空间；爆破迫使地应力不断移向煤体内部，继续破坏深部煤体；爆破瞬间的震动能对煤体有极大的破坏作用，由于炸药爆炸产生许多径向裂隙，促使了煤体中瓦斯的解吸、增加了煤体的破碎，并且会使煤体在突然暴露时初始释放的瓦斯膨胀能有所增加.爆破震动将明显减少煤体内部层理面之间、煤体与顶底板界面间的摩擦力，当震动力幅和震动频率达到一定值时，会引起煤体结构振幅的突跳，从而诱发煤与瓦斯突出[1].许多突出现象表明，突出发生首先使得煤壁附近区域受到极大破坏，并在煤体内部形成不规则的突出孔洞，在突出过程中，突出的发展或终止将取决于破碎煤体被运出突出孔的程度，及时而流畅地运走突出物会促进突出的发展，反之突出孔被堵塞时，突出孔壁的瓦斯压力梯度骤降，可以阻止突出的发展，以致使突出停止下来.1.5煤岩体物理力学性质煤岩体物理力学性质对延时突出的作用主要表现在两方面：一方面，煤层顶底板岩石的硬度大和弹性模量较大，煤层顶底板岩石的透气性一般比煤层的透气性差，所以，煤层中的瓦斯不易排放、瓦斯内能的释放也比较困难，特别是在地应力、瓦斯本身的物理化学等作用下，煤层中的瓦斯压力、瓦斯内能以及弹性潜能将会更大，同时，煤层处于紧张的三向受压封闭状态.另一方面，煤层顶底板岩石的瓦斯含量、瓦斯压力以及瓦斯内能一般要比煤层的小得多，所以当石门巷道掘进到煤层附近区域时，尤其是当石门巷道揭开煤层的一瞬间，其瓦斯含量、瓦斯压力以及瓦斯内能等将会发生突变.显然，这种突变十分有利于煤层和岩石的突然破坏、十分有利于弹性潜能和瓦斯内能的不断积聚以及能量的突然、猛烈及高速的释放[2].同时，煤层的三向紧张受压状态突然解除，煤层中的吸附状态瓦斯瞬间解吸，使煤体迅速粉化，导致突出；当三向紧张受压状态解除较缓慢，则煤岩体发生流变，导致延时突出.所以煤岩体的物理力学性质在延时突出中所起作用有：（1）含瓦斯煤体具有流变特性，为突出的延时创造了条件；（2）煤的大分子结构和空隙结构决定了瓦斯含量、瓦斯压力以及瓦斯内能，从而决定了瓦斯膨胀能的大小及释放条件，也是决定煤与瓦斯延时突出的条件之一；（3）前方煤体存在硬煤阻挡层也可能导致发生延时突出.总结前人的研究成果[1，2，8-10]和以上分析可知：煤与瓦斯延时突出是由地应力、煤体中的瓦斯及瓦斯内能、煤的物理力学性质及外作用等耦合作用所产生的非线性动力现象，是它们综合作用的结果，因此其动力源大致有煤层地应力、煤体中的瓦斯压力及瓦斯内能、煤体物理力学性质及外作用等，瓦斯压力及内能、地应力、煤岩体物理力学性质等动力源之间又有相互的耦合作用.2煤与瓦斯延时突出控制准则由前面分析结果可知，延时突出动力源形成过程是复杂而又多变的，瓦斯压力、地应力是煤与瓦斯延时突出中的主要能量，因此降低瓦斯压力、瓦斯内能和地应力，是减少煤与瓦斯延时突出的根本办法.同时大量防突研究成果也证实，只有在瓦斯内能、岩石物理力学性质和煤岩体应力超过临界值时等条件下才可能发生突出，而煤岩体应力本身又取决于多方因素，具有其不均匀性和不确定性.因此，突出控制的基本原则应该从力和能量的角度来考虑，即控制煤岩体应力的集中、能量的积聚.根据《防治煤与瓦斯突出细则》的基本原则，作者认为，延时突出的控制应当遵循如下具体准则：（1）分阶段释放动力源原则，首先在较大区域范围内从根本上消除或减免产生能量积聚和应力集中的条件，如开采保护层等措施；其次，部分排出煤层或采掘工作面前方煤体中的瓦斯，将降低瓦斯压力，减小工作面前方的瓦斯压力梯度，释放瓦斯能量和部分弹性潜能和膨胀能，如预抽瓦斯、超前钻孔、水力冲孔和冲刷、松动爆破等；（2）应力转移原则，首先对已形成突出危险的区域破坏煤岩体结构，部分卸除煤层或采掘工作面前方煤体的应力，使集中应力区移至煤岩体深部，增大卸压区的宽度，形成保护带，再次改变煤岩体的力学性质，增大工作面附近煤体的承载能力和稳定性，使其不易发生动力现象，如煤层注水，煤体湿润、注液冻结减少煤岩体弹性、增大塑性等.这一原则尤其适用于煤岩体结构失稳破坏型突出，如石门揭煤层突出；（3）安全防护原则，首先改进采掘方法和工艺，加强施工管理，避免外作用诱导突出；其次改变支架与围岩受力关系，增大与保持安全空间，如超前支架、金属骨架、注浆加固煤体等.上述前两个原则的目的是减小发生突出动力现象的动力源，从根本上防止煤与瓦斯动力现象的发生，因此，成为国内外绝大多数防突措施的主要依据.第三个原则的目的是Analysis on control rules and dynamic source of gas andcoal delay outburst in uncovering coal seam in cross-cutFENG Tao ，YE Qing ，Wang Haiqiao（Hunan Provincial Key Laboratory of Safe M ining Technology of Coal M ines ，Xiangtan 411201，China ；School of Energy and Safety Engineering ，Hunan University of Science and Technology ，Xiangtan 411201，China ）Abstract ：Based on the gas and coal delay outburst mechanism ，the dynamic sources of gas and coal delay outburst in uncovering coalseam in cross-cut are analyzed ；The effect of ground stress and gas pressure on delay outburst ，energy change relation and dynamic source formation process are expatiated.From the accidents causes and theoretical analysis ，it shows that the dynamic sources include the coal seam ground stress ，gas pressure ，gas internal energy ，external force and coals'physical-mechanical properties.The formation process of dynamic sources is complex and changeful ，the gas and ground stress are the main energy.Therefore ，decreasing gas pressure ，gas internal energy and ground stress are the basic way to reduce the delay outburst.Based on the analysis ，the three Rules of gas and coal outburst are put forward ，namely ，rule of dynamic sources released by stage ，rule of stress transfer and rule of safety protection.Key words ：gas and coal outburst ；dynamic source ；delay outburst ；uncovering coal seam in cross-cut为了增大发生动力现象时的阻力，实践表明，采用这类方法对于防治小型动力现象特别是倾出类型的动力现象较为有效.3结论1）分析结果表明，煤与瓦斯延时突出动力源包括作用力和作用能量，作用力有煤层地应力、煤体中的瓦斯压力、外作用等；作用能量大致有瓦斯内能、煤岩体弹性潜能、煤体物理力学性质等，延时突出动力源形成过程是复杂而又多变的.瓦斯、地应力是煤与瓦斯延时突出中的主要作用力，瓦斯内能、地应力积聚的潜能是主要能量，因此降低瓦斯压力、瓦斯内能和地应力是减少煤与瓦斯延时突出的根本办法.2）各动力源所起的作用为：煤与瓦斯是突出发生的物质基础，矿区或煤层所处的地应力状态是发生煤与瓦斯突出的动力条件，而爆破及外界扰动激发等工程因素则是煤与瓦斯突出的诱导条件，巷道支护等工程因素是煤与瓦斯突出的抑制条件.瓦斯气体增加了煤岩体的突出破坏倾向性，加强了激发突出的潜在可能性，从而使煤体的强度进一步降低，因此瓦斯的作用加速了煤体失稳破坏的进程，所以瓦斯压力是促使煤体向巷道空间抛出的主要动力源.3）煤与瓦斯延时突出往往是煤岩体流变的结果，而流变过程又和掘进面附近煤岩体的厚度及强度有关.石门揭煤注液冻结技术能增大卸压区的范围和增强煤体强度，防止被揭开的煤体发生流变而导致延时突出.在石门揭煤后，由于冻结液体的解冻，卸压区范围减小、卸压区煤体的强度降低，应迅速支护、防止空顶和冒落导致延时突出的发生.4）延时突出动力源分析结果的基础上，提出了防治煤与瓦斯延时突出的三个准则，即分阶段释放动力源原则、应力转移原则和安全防护原则.参考文献：[1]蒋承林，俞启香.煤与瓦斯突出的球壳失稳机理及防治技术[M ].徐州：中国矿业大学出版社，1998.JIANG Chenglin ，YU Qixiang ，Spherical shell destabilization mechanism and prevention technology [M ].Xuzhou ：China University of M ining and Technology Press ，1998.（in Chinese ）[2]焦作矿业学院瓦斯地质研究室.瓦斯地质概论[M ].北京：煤炭工业出版社，1990.Gas geology research laboratory of Jiao Zuo mining 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cross-cut[J]，China M ining M agazine ，2009，18（1）：101-104.（in Chinese ）。
煤与瓦斯突出机理和影响因素及其防治措施
煤与瓦斯突出机理和影响因素及其防治措施摘要：对现有的煤与瓦斯突出机理研究成果进行了评述，阐述了煤与瓦斯突出机理的研究思路与方法和研究现状，分析影响煤与瓦斯突出的各种地质因素。
随着矿井开采深度逐渐增加，煤层瓦斯含量也逐渐增高，煤层的透气性越低，突出危险性也相应增大，所以研究防治突出措施有重要的现实意义，并提出煤与瓦斯突出的防治措施。
关键词：煤与瓦斯突出地质构造防治措施前言：煤与瓦斯突出是采煤过程中发生的严重自然灾害之一，可在极短时间内，由煤体内部向采场、巷道等采掘空间喷出大量的煤和瓦斯，突出物会造成埋人，破坏设施，突出的瓦斯使人窒息，或引起瓦斯爆炸，造成严重的人员伤亡和矿井损毁事故。
我国是世界上煤与瓦斯突出最严重的国家自1950年发生有记载的第一次煤与瓦斯突出现象以来，在安徽、四川、重庆、贵州、江西、湖南、河南、山西、辽宁、黑龙江等省区都发生了煤与瓦斯突出。
因此，解决矿井煤与瓦斯突出灾害问题是实现煤炭工业可持续发展的当务之急。
对于煤与瓦斯突出机理，各国研究者经过长期得到努力提出了包括瓦斯主导作用、地应力主导作用、化学本质作用和综合作用等假说，基本定性的解释了煤与瓦斯突出现象。
1 国内外研究现状1.1 国外研究现状国外关于煤与瓦斯突出机理的研究成果可以归纳为以下4个方面[1~4]：a.瓦斯主导作用假说这类假说认为煤体内存储的高压瓦斯在突出中起主要作用。
其中“瓦斯包”说占重要地位，认为“瓦斯包”是突出的动力来源。
瓦斯主导作用假说主要有：“瓦斯包”说、粉煤带说、煤空隙结构不均匀说、突出波说、裂缝堵塞说、闭合空隙瓦斯释放说、瓦斯膨胀说、卸压瓦斯说、火山瓦斯说、地质破坏带说、瓦斯解吸说等11种假说。
b.地应力主导作用假说这种假说认为煤和瓦斯突出主要是高地应力作用的结果。
高地应力包括2个方面，一方面指自重应力和构造应力，另一方面指工作面前方存在的应力集中。
地应力主导作用假说主要有：岩石变形潜能说、应力集中说、塑性变形说、冲击式移近说、拉应力波说、应力叠加说、放炮突出说、顶板位移不均匀说等8种假说。
【国家自然科学基金】_推流_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140801
科研热词 边界层 流动控制 推-拉 平均静电场力 介质阻隔面放电 黏度时变性 高超声速 驻点热流 风洞实验 非均质性 附加离心力 阻力 钻孔长度 钻孔数 量水槽 逆向喷流+ 连续反应器模型 轴向振动 超声速流 超声 表面波 螺杆 节理岩体 腐蚀产物保护膜 脱氮 能耗 联合状态空间 网络编码 结冰风洞 纳控制 粘性流场 等流时线 符号计算 空港资源 空港综合功能 示踪实验 示踪剂试验 示踪剂 磁流变液阻尼器 破坏 界面 电加热 物理准则 热变形 潜流人工湿地 漏瑞利波 渠道量水 液压驱动 液化后流滑 流态 流固耦合分析 流变模型
2009年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52
梅雨 柔壁流动控制 有限元模型 最小生态流量 无机氮 旋涡分离流 断流河道 数值分析 推流流态容积占有率 推流 拟常曲率流形 拟启动压力梯度 拟detarck流 承压破碎岩体 扩散关系 成肌细胞 形状优化 布朗运动 布局优化 孔隙度 孔隙压力 大冰雹生长区 塔里木河 后向轨迹 同步合成 变形体流体力学 变压器 变分原理 双涡管式结构 压缩蠕变试验 压电分流 励磁涌流 动态性质 刚性承压板 全要素生产率 傅立叶级数及卷积 体积弹性模量 低松弛迭代法 位涡 二次平均法 中气旋 三角形绕组 三体散射 stokes问题 ricci流 petri网 navier-stokes方程. navier-stokes方程 igcc deturck流
科研热词 隧道流与分片折返挤出 透入性韧性剪切 苏鲁超高压变质带 流变模型 俯冲/折返杂岩带 黏弹性有限元 黏弹性分析 黏弹塑性 马赫数 饱和多孔介质 非结构化网格 非定常流 静压气体轴承 雷诺数 钻井液密度 超音速 谱线流量 规范型 蠕变 花岗岩 自旋极化 腐蚀产物保护膜 胞映射方法 耙子型探针 网络演算 网格更新 缩径 绝缘栅型双极晶体管 结构化网格 精度 管涌破坏 等效瞬时漏感 第三纪以来 盐膏层 电流平衡变压器 电压回路方程 生灭模型 生漆 珠江口 王斜78-1井 物质东流 热力耦合作用 滨海软土 滤波器技术 湿沉降 渗流 海底隧道 测量方法 流固耦合 流变模式 流变机制 流变性
FLAC3D基础介绍
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命令栏
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菜单驱动(Plot)
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Case-2 一个最简单的例子
gen zon bri size 3 3 3 ;建立网格
model elas
;材料参数
prop bulk 3e8 shear 1e8
ini dens 2000
;初始条件
fix z ran z -.1 .1
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接触面单元的用途
岩体介质中的解理、断层、岩层面 地基与土体的接触 箱、槽及其内充填物的接触 空间中无变形的固定“障碍”
GeoHohaiΒιβλιοθήκη 39/74接触面的原理
如：井
孔隙压力，孔隙率，饱和度和流体属性的初始分 布可以用INITIAL命令或者PROPERTY命令定义。
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单渗流计算及渗流耦合计算
时间比例 完全耦合分析方法 孔压固定分析(有效应力分析) 单渗流得到孔压分布 无渗流计算——孔压的力学响应 流-固耦合计算
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PROP biot_c 0 (or INI fmod 0)
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无渗流计算——孔压的力学响应
不排水短期响应 两种分析方法：干法和湿法
干法：Ku=K+a2M 两种破坏形式
WATER或INI获得常孔压，不排水的c,φ (孔压改变较小) φ=0,c=cu (M>>K+4/3G)
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FLAC3D的前后处理
命令驱动(推荐)
程序控制 图形界面接口 计算模型输出 指定本构模型及参数 指定初始条件及边界条件，指定结构单元 指定接触面 指定自定义变量及函数(FISH) 求解过程的变量跟踪 进行求解 模型输出
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裂隙煤岩体的流固耦合精细模型谢东海;冯涛;赵延林;万文;朱川曲【摘要】将裂隙煤岩体视为裂隙-孔隙双重介质,以满足某种概率分布的主干裂隙网络描述煤岩体裂隙的分布;将主干裂隙间包含低序次裂隙的基质煤(岩)块视为各向同性孔隙介质,建立裂隙煤岩体的流固耦合精细模型.对不同介质分别进行渗流-应力耦合分析,在应力计算时采用等厚度节理单元进行模拟,在渗流计算时,采用节理单元的中面坐标将节理单元转换为线单元进行模拟的数值技术,解决2类介质耦合求解时存在不同介质间流体的交换问题.研究结果表明:裂隙煤岩体流固耦合的数值实验结果反映了裂隙煤岩体渗流的各向异性,孔隙渗流滞后裂隙渗流现象,体现了煤岩体贯通主干裂隙网络对渗流场分布起控制作用；数值实验结果较真实地模拟了煤岩体应力分布的复杂性,体现了孔隙单元的有效体积应力和裂隙单元的有效法向应力随渗流发展的时效演化规律.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(044)005【总页数】8页(P2014-2021)【关键词】岩石力学;裂隙;煤岩体;流固耦合【作者】谢东海;冯涛;赵延林;万文;朱川曲【作者单位】中南大学资源与安全工程学院,湖南长沙,410083;湖南科技大学能源与安全工程学院,湖南湘潭,411201;中南大学资源与安全工程学院,湖南长沙,410083;湖南科技大学能源与安全工程学院,湖南湘潭,411201;湖南科技大学能源与安全工程学院,湖南湘潭,411201;湖南科技大学能源与安全工程学院,湖南湘潭,411201;湖南科技大学能源与安全工程学院,湖南湘潭,411201【正文语种】中文【中图分类】TD713;O357.3裂隙煤岩体由裂隙(如节理、断层等)和其间的孔隙岩块构成的空隙结构，裂隙导气，渗流具有定向性，孔隙岩块储气，渗流具有均质各向同性[1-2]。
目前，裂隙煤岩体流固耦合研究领域主要有2种类型流固耦合理论：其一为拟连续介质流固耦合理论。
这一理论主要是把不连续煤岩体裂隙的力学作用和渗流作用等各种作用进行综合，建立了等效连续本构模型及相关参数计算，直接使用了连续介质力学的基本结论和基本方法，解决了求解非连续问题的困难[3-4]。
Oda[5]在裂隙煤岩体中根据裂隙大小、方向以及张开度的概率密度分布，推导了裂隙煤岩体等效各向异性的弹性矩阵张量、渗透系数张量。
王媛等[6]提出了采用拟连续介质耦合模型提出了裂隙煤岩体渗流与应力耦合的“四自由度全耦合分析方法”。
其二为离散介质的流固耦合理论，该理论通过构建离散裂隙网络，研究裂隙渗流和裂隙变形之间耦合作用，采用离散元等数值计算手段来研究煤岩体的渗流及力学特性[7-8]。
柴军瑞[9]建立了煤岩体渗流场与应力场耦合分析的多重裂隙网络模型研究大坝及其周围地质体的稳定性。
Jing等[10]研究了岩体裂隙渗流和变形之间的耦合关系，建立了离散裂隙渗流-变形的DDA法耦合模型。
离散裂隙网络模型具有精确表征小尺度上裂隙煤岩体耦合特征。
以上均只考虑了1种介质的裂隙渗流和裂隙变形之间的耦合问题，没有考虑在存在2种介质接触结合点处的气压差、位移连续性问题，这就是全面流固耦合问题。
将拟连续介质的流固耦合模型和离散裂隙介质的流固耦合模型结合起来，研究裂隙-孔隙煤岩体的流固耦合响应是目前岩石力学热点研究方向[11-12]。
本文将裂隙煤岩体视为裂隙-孔隙双重介质，用满足某种概率分布的主干裂隙网络来描述煤岩体裂隙分布，将主干裂隙间包含低序次裂隙的基质煤岩块视为各向同性孔隙介质，建立裂隙-孔隙精细煤岩体介质的流固耦合模型。
在裂隙-孔隙煤岩体介质流固耦合模型中，煤岩体和瓦斯2种介质耦合求解时都不同程度地存在介质间气量交换问题，2种介质接触结合点处的气压差、位移连续性问题。
本文作者通过探讨裂隙-孔隙煤岩体介质流固耦合精细模型，对于裂隙介质在应力计算时采用等厚度节理单元进行模拟，在渗流计算时采用节理单元的中面坐标，将节理单元转换为线单元进行模拟的数值技术，较好地解决上述问题。
1 裂隙-孔隙精细煤岩体介质流固耦合理论裂隙煤岩体中将那些控制渗流总体分布且起主导渗透作用的大裂隙定义为裂隙煤岩体中的主干裂隙网络，而将主干裂隙网络间的含低序次的裂隙网络的裂隙岩块视为孔隙介质。
由主干裂隙网络和其间的裂隙岩块(孔隙介质)所构成的具有相对导气和贮气作用的瓦斯地质体称为裂隙-孔隙煤岩体介质，如图1所示。
图1 裂隙-孔隙煤岩体介质示意图Fig.1 Schematic diagram of fluid-solid coupling model of fine rock mass medium1.1 基本假设(1) 裂隙煤岩体是由满足某种分布函数的主干裂隙网络和含低序次的裂隙网络的裂隙岩块组成；裂隙煤岩体被单相气饱和。
(2) 裂隙渗流服从达西定律，渗透系数满足立方定律；裂隙变形规律服从Goodman节理模型。
(3) 含低序次的裂隙网络的裂隙岩块视为多孔介质，渗流规律在微段压力梯度上遵循达西定律。
孔隙介质在流体作用下，遵循修正太沙基有效应力规律。
1.2 孔隙介质气体力学模型将主干裂隙网络间含低序次的裂隙网络的裂隙岩块视为孔隙介质，孔隙介质渗流服从达西定律。
按照质量守恒定律，研究任一表征体积单元的质量守恒，可以得到如下方程：考虑煤岩体变形的孔隙介质渗流控制方程为：式中：wρ为瓦斯的密度；qi为气体相对于固体颗粒的比流量；φ为煤岩体孔隙率；K为孔隙介质的渗透系数；W为源汇项；βw为瓦斯的压缩系数；e为体积变形；Θ为体积应力；a，b和c为耦合系数；t为时间。
煤岩体应力平衡方程为式中：u为位移；F为外力；α为等效孔隙压系数；λ和μ为拉梅常数。
孔隙介质渗流离散方程为为体积变形，采取对时间的差分形式，可以写为对于固体变形的离散方程可写成式中：[K]为固体刚度矩阵；{U}为固体位移矩阵；{F}分别为固体体积力、表面力、气压梯度引起的外载荷项，与一般的弹性力学有限元方程相比，多了气压梯度引起的外加载荷。
1.3 裂隙介质气体力学模型裂隙二维渗流分析在局部坐标系下采用简化Wittke模型，裂隙介质的渗流控制方程为：考虑裂隙的渗透系数：式中：φ为空隙度；s为线元坐标；p为裂隙气压；kf为裂隙的渗透系数；μ为气体的运动黏滞系数；δn为裂隙法向位移增量。
裂隙介质的变形方程服从Goodman节理模型：裂隙介质的有效应力原理为：式中：b为裂隙宽度；β为裂隙面连通系数；Kn和Ks分别为裂隙的法向和切向刚度；σn和σs分别为裂隙的法向和切向应力；nσ′和sσ′分别为裂隙的有效法向和有效切向应力。
裂隙流的控制方程为[T]，[S]和[Q]分别为传导矩阵、储量矩阵与列矢量，其相应的单元矩阵元素为：1.4 耦合单元2类不同介质的模型进行耦合时，先将2种介质的模型进行单独求解，再进行迭代耦合。
为此，采用耦合单元的概念，统一包含节理单元、裂隙单元、孔隙介质单元、线单元等。
在迭代过程中，必须考虑 2个问题：一是2种不同介质间存在气量交换；二是2类不同介质接触处气压差、位移连续等问题。
为此，本文作者开发了裂隙-孔隙煤岩体介质流固耦合程序采用等厚度节理单元(Goodman节理模型)并结合线单元对裂隙介质进行离散，裂隙单元的应力分析采用等厚度节理单元进行离散，裂隙渗流分析则采用线单元进行离散。
裂隙介质在应力计算时采用等厚度节理单元，节理单元基本参数为式(13)中法向刚度Kn、切向刚度Ks和单元厚度 e，如图 2(a)所示；裂隙介质在渗流分析时采用线单元，如图2(b)所示。
图2 裂隙介质有限元网格示意图Fig.2 FEM sketch maps of discontinuities medium图2(a)中3个单元中，Ⅰ号和Ⅲ号单元是孔隙介质单元，Ⅱ号单元是节理单元。
表1所示为应力计算时节点码和渗流分析时节点码分布表。
表1 单元定义Table 1 Definition list of elements单元号应力计算时节点码渗流分析时节点码Ⅰ 2，3，6，5 1，2，4，3Ⅱ 1，2，3，4 1，2Ⅲ 1，4，8，7 1，2，6，5讨论上述3个单元之间的气量交换问题：计算Ⅱ号单元节点1的渗透压时需用节点1的流量Q1，而节点1共同属于Ⅰ～Ⅲ号共3个单元，因此，Q1既包括Ⅱ号裂隙单元在节点1上的流量，同时还包括Ⅰ号和Ⅲ号单元位于节点1上的流量，此正好反映了孔隙介质与裂隙介质之间交换的流量。
由于节点1是同属于2种不同介质，保证了2种介质接触处节点1渗透压平衡，即渗透压相等；尽管图2(b)中的线单元没有厚度，但计算裂隙渗透矩阵时，应赋予厚度。
与应力场耦合计算时，其厚度由时步应力场计算裂隙张开度而获得。
在裂隙-孔隙精细煤岩体介质流固耦合计算中同时具有节点、单元2套信息：一套用于应力计算，另一套用于渗流分析。
但这2套信息中相同单元号表征的计算区域是相同的，如图2(b)中的Ⅱ号单元在1号和Ⅲ号2个单元信息中所表征的均为裂隙单元，这就确保各耦合参量能在全部单元内随计算时步准确传递。
裂隙介质应力分析时采用等厚度节理单元，考虑了节理的空间分布，在渗流分析分析时采用线单元，考虑沿裂隙面的渗流。
1.5 求解策略将孔隙介质和裂隙介质的变形与渗流方程分别看作两大系统，耦合求解。
计算ti时刻孔隙介质和裂隙介质的渗流场 p(ti)，调用应力计算子程序，计算孔隙介质的变形、体积应力Θ ( ti)、孔隙压p(ti)、体积应变e(ti)、各裂隙单元的法向变形Δb和法向应力σ′n，将计算结果代入渗透系数方程，再调用渗流计算子程序，求得时刻的渗透压p(ti+1)；将渗透压p(ti+1)代入固体和裂隙的变形方程，求得固体和裂隙变形。
如此对时间序列进行循环，即可求得在该研究区域与时段内的煤岩体和裂隙变形与流体运移的相互作用规律[13]。
为保证求解精度，可采用2种方法：(1) 将时间区段细分，即适当选择时间增量；(2) 在同一时段内，2组方程迭代求解多次，再进行下一个时间增量段计算[14]。
按以上方法给出计算程序coupling.for的设计框图，如图3所示。
图3 裂隙-孔隙煤岩体流固耦合coupling.for的设计框图Fig.3 Design diagram of fluid-solid coupling model coupling for of fine rock mass medium2 裂隙-孔隙煤岩体介质流固耦合精细模型的数值实验2.1 精细模型的建立采用 Monte-Coarl法模拟煤岩体主干裂隙网络，通过对研究区域内主干裂隙面的形态、迹长、密度及张开度进行测量，获得结构面的产状参数，建立主干裂隙面各参数(均值、标准差)的概率模型。
通过计算机产生随机数，进而产生符合上述概率模型的随机变量，模拟主干裂隙面各要素及分布，从而产生煤岩体的主干裂隙网络系统。