煤礦采動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：隨著煤炭資源高強度、大面積的不斷開采以及其儲量的急劇減少，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度和范圍的不斷擴大，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重。礦區(qū)建筑物不僅受到煤炭開采引起的采動損害的影響，還要承受地震所產(chǎn)生的震害。因此煤礦采動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)變過程的演化機制，考慮到煤礦采動區(qū)涉及到煤礦巷道、采動擾動土不連續(xù)地質(zhì)界面以及采動土—基礎(chǔ)—上部結(jié)構(gòu)相互作用的動接觸力模型，基于局部透射人工邊界和顯式差分方法，建立煤礦采動與地震共同作用下建筑物的動力方程的顯式有限元方法。基于地震工程學和開采沉陷學的原理對煤礦采動與地震耦合作用下建筑物損傷災(zāi)變過程進行了理論分析，建立煤礦采動損害與震害的耦合作用模型和建筑物的運動方程，量化分析了采動區(qū)開采沉陷變形和地震對建筑物的損害程度，提出煤礦采動區(qū)建筑物應(yīng)該采用抗開采沉陷變形隔震保護新體系。結(jié)果：（1）通過對地下煤炭開采后，煤礦采動區(qū)巖層結(jié)構(gòu)發(fā)生擾動的研究，了解了采動區(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，建立了煤礦采動與地震共同作用下建筑物的動力方程的顯式有限元方法。（2）提出了煤礦采動與地震耦合作用下建筑物動力學模型。研究結(jié)果表明：在開采地下煤炭的過程中，地表會發(fā)生不同程度的移動變形，由此對建筑物產(chǎn)生采動附加應(yīng)力。在煤礦采動附加應(yīng)力作用下，建筑物會產(chǎn)生不同程度的次生損傷；在地震動作用下，建筑物的損傷會逐漸積累演化，由此嚴重威脅到對建筑物的整體安全性。（3）開展了煤礦采動與地震耦合致災(zāi)災(zāi)變過程中建筑物不同動力學響應(yīng)分析，量化分析了采動區(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)機制、耦合致災(zāi)機制，開展煤礦采動區(qū)建筑物抗開采變形隔震保護體系的研究工作。結(jié)論：（1）煤礦采空區(qū)巖層的移動變形破斷，改變了煤礦采空區(qū)圍巖介質(zhì)的地震波動場。礦區(qū)建筑要同時承受煤礦采動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)條件對地震波動效應(yīng)的影響，可以建立煤礦采動與地震共同作用下建筑物的動力方程的顯式有限元方法，搭建煤礦采動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損傷建筑物容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動效應(yīng)，降低了整體結(jié)構(gòu)的抗震性能，嚴重威脅到對建筑物的整體安全性。建立的煤礦采動荷載與地震聯(lián)合作用下建筑物動力學模型，揭示了地震作用下煤礦采動損傷建筑物的動力學響應(yīng)，煤礦采動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—氣三相的多場耦合復(fù)雜惡劣的災(zāi)害系統(tǒng)，地震作用下煤礦采動裂隙巖體的動力本構(gòu)模型及失穩(wěn)致災(zāi)機制、煤礦采空區(qū)地震動力災(zāi)變評判準則以及煤礦采動區(qū)建筑物抗開采沉陷變形隔震保護等相關(guān)理論的深入研究是解決煤礦采動損傷建筑地震動力災(zāi)變問題的重點研究方向和關(guān)鍵。

來源出版物：中國礦業(yè)大學學報, 2013, 42(4)：526-534

入選年份：2016

煤粒瓦斯解吸擴散規(guī)律實驗

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、孔隙壓力等都會逐漸升高，煤層瓦斯解吸及流動會受到影響。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驗，研究了煤體瓦斯解吸初始有效擴散系數(shù)。方法：利用菲克擴散方程，采用自主研制的溫控吸附—解吸實驗系統(tǒng)對采集煤樣制備成的煤粒分成4組進行解吸擴散實驗研究，4組煤粒依次編號1#，2#，3#，4#。該項實驗系統(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)、解吸擴散集氣系統(tǒng)、供氣及氣體控制系統(tǒng)及其它輔助裝置。實驗選定20，30，40℃這3個不同的解吸實驗溫度，主要進行了不同粒徑煤樣、不同溫度和不同吸附平衡壓力條件下的等溫吸附－解吸實驗。通過對解吸實驗前600 s實驗數(shù)據(jù)的甲烷解吸率和線性擬合，并結(jié)合計算得到了煤粒甲烷的初始有效擴散系數(shù)和擴散動力學參數(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，擬合得到的正比例函數(shù)直線斜率為0.0263。當吸附平衡壓力為0.5 MPa時，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，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的計算結(jié)果證明了初始有效擴散系數(shù)與k2成正比，所以在相同條件下，吸附平衡壓力越大，初始有效擴散系數(shù)越大。30℃時，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，當解吸時間相同時，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散系數(shù)實驗結(jié)果，在其他條件相同時，甲烷的初始有效擴散系數(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，動力學擴散參數(shù)增大。當實驗外部條件及解吸時間相同時，溫度越高解吸率越大。當解吸時間較小時，與基本呈線性變化關(guān)系，但解吸時間較大時，不再遵循該規(guī)律。30℃條件下，1#～4#煤樣在吸附平衡壓力點0.3，0.5，1.0和1.7 MPa的初始有效擴散系數(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散系數(shù)愈大，而動力學擴散參數(shù)越小。計算得粒徑越大的煤樣，在相同溫度梯度下，甲烷擴散所需的活化能越大，動力學擴散參數(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間變化曲線。相同解吸溫度和吸附平衡壓力條件下，當解吸時間相同時，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，得到了初始有效擴散系數(shù)及擴散動力學參數(shù)的計算方法。并結(jié)合對前600 s的解吸數(shù)據(jù)進行Qt/Q∞和作圖，通過線性擬合，計算得到了各實驗條件下的甲烷初始有效擴散系數(shù)和擴散動力學參數(shù)。（2）吸附平衡壓力越大，初始有效擴散系數(shù)越大，瓦斯解吸率越大；溫度越高，初始有效擴散系數(shù)和擴散動力學參數(shù)也越大；煤樣的粒徑愈大初始有效擴散系數(shù)愈大，而動力學擴散參數(shù)越小，相同解吸時間內(nèi)的甲烷解吸率越小。（3）通過Arrhenius方程得到了甲烷解吸擴散活化能的表達式，通過處理數(shù)據(jù)得到1#和3#煤樣的解吸擴散活化能分別為14.38 kJ/mol和 9.99 kJ/mol。

來源出版物：中國礦業(yè)大學學報, 2013, 42(6)：975-981

入選年份：2016