礦山工程技術(shù)

煤礦采動(dòng)與地震耦合作用下建筑物災(zāi)變分析

劉書賢，魏曉剛，張弛，等

摘要：目的：隨著煤炭資源高強(qiáng)度、大面積的不斷開采以及其儲(chǔ)量的急劇減少，我國許多新建礦區(qū)以及老礦區(qū)的開采范圍不可避免地延伸到人口和建筑物相對密集的城市、村莊下。由于地下煤炭開采強(qiáng)度和范圍的不斷擴(kuò)大，礦區(qū)出現(xiàn)開采沉陷變形的面積也越來越大，造成建筑物的損害破壞日趨嚴(yán)重。礦區(qū)建筑物不僅受到煤炭開采引起的采動(dòng)損害的影響，還要承受地震所產(chǎn)生的震害。因此煤礦采動(dòng)損害和震害耦合作用下建筑物災(zāi)變過程預(yù)測與控制是迫切需要解決的問題。方法：從采動(dòng)損害與震害耦合角度深入分析建筑物損傷災(zāi)變過程的演化機(jī)制，考慮到煤礦采動(dòng)區(qū)涉及到煤礦巷道、采動(dòng)擾動(dòng)土不連續(xù)地質(zhì)界面以及采動(dòng)土—基礎(chǔ)—上部結(jié)構(gòu)相互作用的動(dòng)接觸力模型，基于局部透射人工邊界和顯式差分方法，建立煤礦采動(dòng)與地震共同作用下建筑物的動(dòng)力方程的顯式有限元方法?；诘卣鸸こ虒W(xué)和開采沉陷學(xué)的原理對煤礦采動(dòng)與地震耦合作用下建筑物損傷災(zāi)變過程進(jìn)行了理論分析，建立煤礦采動(dòng)損害與震害的耦合作用模型和建筑物的運(yùn)動(dòng)方程，量化分析了采動(dòng)區(qū)開采沉陷變形和地震對建筑物的損害程度，提出煤礦采動(dòng)區(qū)建筑物應(yīng)該采用抗開采沉陷變形隔震保護(hù)新體系。結(jié)果：（1）通過對地下煤炭開采后，煤礦采動(dòng)區(qū)巖層結(jié)構(gòu)發(fā)生擾動(dòng)的研究，了解了采動(dòng)區(qū)所特有的局部幾何不規(guī)則和不均勻介質(zhì)條件對地震波動(dòng)效應(yīng)的影響，基于局部透射人工邊界和顯式差分方法，建立了煤礦采動(dòng)與地震共同作用下建筑物的動(dòng)力方程的顯式有限元方法。（2）提出了煤礦采動(dòng)與地震耦合作用下建筑物動(dòng)力學(xué)模型。研究結(jié)果表明：在開采地下煤炭的過程中，地表會(huì)發(fā)生不同程度的移動(dòng)變形，由此對建筑物產(chǎn)生采動(dòng)附加應(yīng)力。在煤礦采動(dòng)附加應(yīng)力作用下，建筑物會(huì)產(chǎn)生不同程度的次生損傷；在地震動(dòng)作用下，建筑物的損傷會(huì)逐漸積累演化，由此嚴(yán)重威脅到對建筑物的整體安全性。（3）開展了煤礦采動(dòng)與地震耦合致災(zāi)災(zāi)變過程中建筑物不同動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析，量化分析了采動(dòng)區(qū)開采沉陷變形和地震對建筑物的損害程度（其中峰值剪力瞬間增加了1052.77 %，峰值彎矩增加了188.13%，其最大位移為0.026 m，應(yīng)該針對煤礦開采沉陷變形和地震不同致災(zāi)機(jī)制、耦合致災(zāi)機(jī)制，開展煤礦采動(dòng)區(qū)建筑物抗開采變形隔震保護(hù)體系的研究工作。結(jié)論：（1）煤礦采空區(qū)巖層的移動(dòng)變形破斷，改變了煤礦采空區(qū)圍巖介質(zhì)的地震波動(dòng)場。礦區(qū)建筑要同時(shí)承受煤礦采動(dòng)引起的開采沉陷和地震的破壞作用，基于局部透射人工邊界和顯式差分方法，考慮到煤礦采空區(qū)特有的局部幾何不規(guī)則和不均勻介質(zhì)條件對地震波動(dòng)效應(yīng)的影響，可以建立煤礦采動(dòng)與地震共同作用下建筑物的動(dòng)力方程的顯式有限元方法，搭建煤礦采動(dòng)損害和地震這兩種災(zāi)害荷載的內(nèi)在聯(lián)系，反映煤礦采動(dòng)對建筑的次生損傷在地震作用下的累積演化過程。（2）地震作用下煤礦采動(dòng)損傷建筑物容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)效應(yīng)，降低了整體結(jié)構(gòu)的抗震性能，嚴(yán)重威脅到對建筑物的整體安全性。建立的煤礦采動(dòng)荷載與地震聯(lián)合作用下建筑物動(dòng)力學(xué)模型，揭示了地震作用下煤礦采動(dòng)損傷建筑物的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，煤礦采動(dòng)損害影響下的建筑物的損傷主要集中于建筑物的下部樓層。（3）煤礦采空區(qū)是涉及到固—液—?dú)馊嗟亩鄨鲴詈蠌?fù)雜惡劣的災(zāi)害系統(tǒng)，地震作用下煤礦采動(dòng)裂隙巖體的動(dòng)力本構(gòu)模型及失穩(wěn)致災(zāi)機(jī)制、煤礦采空區(qū)地震動(dòng)力災(zāi)變評(píng)判準(zhǔn)則以及煤礦采動(dòng)區(qū)建筑物抗開采沉陷變形隔震保護(hù)等相關(guān)理論的深入研究是解決煤礦采動(dòng)損傷建筑地震動(dòng)力災(zāi)變問題的重點(diǎn)研究方向和關(guān)鍵。

來源出版物：中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 42(4)：526-534

入選年份：2016

煤粒瓦斯解吸擴(kuò)散規(guī)律實(shí)驗(yàn)

聶百勝，楊濤，李祥春，等

摘要：目的：隨著煤炭資源的開采，我國煤層開采向深部轉(zhuǎn)移成為大趨勢。隨深度的增加，地溫、圍巖應(yīng)力、孔隙壓力等都會(huì)逐漸升高，煤層瓦斯解吸及流動(dòng)會(huì)受到影響。本文通過對不同粒度煤樣在不同溫度、吸附平衡壓力下的解吸實(shí)驗(yàn)，研究了煤體瓦斯解吸初始有效擴(kuò)散系數(shù)。方法：利用菲克擴(kuò)散方程，采用自主研制的溫控吸附—解吸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對采集煤樣制備成的煤粒分成4組進(jìn)行解吸擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)研究，4組煤粒依次編號(hào)1#，2#，3#，4#。該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括溫度控制系統(tǒng)、吸附解吸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、解吸擴(kuò)散集氣系統(tǒng)、供氣及氣體控制系統(tǒng)及其它輔助裝置。實(shí)驗(yàn)選定20，30，40℃這3個(gè)不同的解吸實(shí)驗(yàn)溫度，主要進(jìn)行了不同粒徑煤樣、不同溫度和不同吸附平衡壓力條件下的等溫吸附－解吸實(shí)驗(yàn)。通過對解吸實(shí)驗(yàn)前600 s實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的甲烷解吸率和線性擬合，并結(jié)合計(jì)算得到了煤粒甲烷的初始有效擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)參數(shù)。結(jié)果：擬合結(jié)果可知，1#煤樣在30℃條件下，吸附平衡壓力為0.3 MPa時(shí)，擬合得到的正比例函數(shù)直線斜率為0.0263。當(dāng)吸附平衡壓力為0.5 MPa時(shí)，正比例直線斜率為0.0359。同樣，在吸附平衡壓力分別為1.0 MPa和1.7 MPa時(shí)，擬合斜率k分別為0.0473和0.0530。因此，對同一煤樣而言，吸附平衡壓力越大，擬合直線的斜率k值越大。表3的計(jì)算結(jié)果證明了初始有效擴(kuò)散系數(shù)與k2成正比，所以在相同條件下，吸附平衡壓力越大，初始有效擴(kuò)散系數(shù)越大。30℃時(shí)，在不同壓力條件下，1#煤樣甲烷解吸率隨變化曲線。相同外部條件下，當(dāng)解吸時(shí)間相同時(shí)，隨吸附平衡壓力的增加，解吸率增大。研究發(fā)現(xiàn)，2#，3#和 4#煤樣也符合該規(guī)律。不同溫度下初始有效擴(kuò)散系數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在其他條件相同時(shí)，甲烷的初始有效擴(kuò)散系數(shù)隨溫度升高而增大。1#煤樣求解活化能的阿侖尼烏斯（Arrhenius）圖，隨溫度升高，動(dòng)力學(xué)擴(kuò)散參數(shù)增大。當(dāng)實(shí)驗(yàn)外部條件及解吸時(shí)間相同時(shí)，溫度越高解吸率越大。當(dāng)解吸時(shí)間較小時(shí)，與基本呈線性變化關(guān)系，但解吸時(shí)間較大時(shí)，不再遵循該規(guī)律。30℃條件下，1#～4#煤樣在吸附平衡壓力點(diǎn)0.3，0.5，1.0和1.7 MPa的初始有效擴(kuò)散系數(shù)。各煤樣的粒徑大小關(guān)系依次是1#，2#，3#，4#，在相同溫度和壓力條件下，煤樣的粒徑愈大初始有效擴(kuò)散系數(shù)愈大，而動(dòng)力學(xué)擴(kuò)散參數(shù)越小。計(jì)算得粒徑越大的煤樣，在相同溫度梯度下，甲烷擴(kuò)散所需的活化能越大，動(dòng)力學(xué)擴(kuò)散參數(shù)越小，甲烷分子越難從煤粒中解吸出來。不同粒徑煤樣30℃，1.0 MPa條件下的解吸率隨解吸時(shí)間變化曲線。相同解吸溫度和吸附平衡壓力條件下，當(dāng)解吸時(shí)間相同時(shí)，煤樣粒徑越小解吸率越大，且初始解吸速率越大。結(jié)論：（1）通過理論分析，得到了初始有效擴(kuò)散系數(shù)及擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算方法。并結(jié)合對前600 s的解吸數(shù)據(jù)進(jìn)行Qt/Q∞和作圖，通過線性擬合，計(jì)算得到了各實(shí)驗(yàn)條件下的甲烷初始有效擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)參數(shù)。（2）吸附平衡壓力越大，初始有效擴(kuò)散系數(shù)越大，瓦斯解吸率越大；溫度越高，初始有效擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)參數(shù)也越大；煤樣的粒徑愈大初始有效擴(kuò)散系數(shù)愈大，而動(dòng)力學(xué)擴(kuò)散參數(shù)越小，相同解吸時(shí)間內(nèi)的甲烷解吸率越小。（3）通過Arrhenius方程得到了甲烷解吸擴(kuò)散活化能的表達(dá)式，通過處理數(shù)據(jù)得到1#和3#煤樣的解吸擴(kuò)散活化能分別為14.38 kJ/mol和 9.99 kJ/mol。

來源出版物：中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 42(6)：975-981

入選年份：2016