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煤體瓦斯吸附解吸劣化損傷致突機理 版權信息
- ISBN：9787030694683
- 條形碼：9787030694683 ; 978-7-03-069468-3
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
煤體瓦斯吸附解吸劣化損傷致突機理 內容簡介
本書系統(tǒng)論述了瓦斯吸附與快速卸壓解吸對煤體的裂化損傷作用及其誘發(fā)煤與瓦斯突出的機理。全書共分10章，包括緒論、相關試驗儀器系統(tǒng)研發(fā)、氣體吸附誘發(fā)煤體劣化的試驗研究、基于分形理論的煤體裂隙演化特征分析、氣體吸附與應力加載過程中煤體損傷劣化機制探究及數值驗證、卸壓過程煤體瓦斯解吸-擴散特征、瓦斯卸壓誘發(fā)煤體損傷劣化研究、瓦斯卸壓過程煤體有效應力突變規(guī)律與影響機制、含瓦斯煤體氣固耦合動力學模型及瓦斯卸壓致突數值模擬、結論與展望。 本書可供從事采礦工程、安全技術及工程、防災減災工程與防護工程、巖土工程及相關領域的科研人員、工程技術人員參考使用，也可作為高等院校相關專業(yè)研究生和高年級本科生的教學參考書。
煤體瓦斯吸附解吸劣化損傷致突機理 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 研究背景及意義 1
1.1.1 研究背景 1
1.1.2 研究意義 1
1.2 國內外研究現狀 2
1.2.1 含瓦斯煤體氣固耦合特性測試裝置研發(fā)現狀 2
1.2.2 考慮氣體吸附誘發(fā)煤體損傷劣化現狀 5
1.2.3 峰后煤體力學破壞特性與裂隙演化研究現狀 6
1.2.4 考慮氣體卸壓解吸對煤體損傷劣化研究現狀 8
1.3 研究目標與研究內容 10
1.3.1 研究目標 10
1.3.2 研究內容 10
1.4 研究方法與主要創(chuàng)新 11
1.4.1 研究方法 11
1.4.2 主要創(chuàng)新 11
參考文獻 13
第2章 基礎試驗儀器系統(tǒng)研發(fā) 20
2.1 引言 20
2.2 可視化恒容氣固耦合試驗系統(tǒng)研發(fā) 20
2.2.1 工作原理與功能指標 21
2.2.2 可視化恒容試驗儀設計方案 24
2.2.3 設計強度校核 27
2.2.4 硅酮膠與二氧化碳吸附性能試驗驗證 31
2.2.5 圓柱標準試件環(huán)向變形測試系統(tǒng)設計方案 33
2.2.6 系統(tǒng)安裝與操作 38
2.3 煤粒瓦斯放散測定儀 46
2.3.1 儀器結構與工作原理 46
2.3.2 技術參數與操作方法 48
2.4 巖石三軸力學滲透測試系統(tǒng) 49
2.4.1 系統(tǒng)主要功能與主要技術參數 50
2.4.2 系統(tǒng)構成與各部分關鍵技術 51
2.4.3 試件安裝及更換方法 56
2.4.4 初步應用 57
2.5 本章小結 61
參考文獻 61
第3章 氣體吸附誘發(fā)煤體劣化的試驗研究 64
3.1 引言 64
3.2 型煤標準試件研發(fā)與制作 64
3.2.1 型煤標準試件制作 65
3.2.2 強度與吸附性分析 67
3.3 靜態(tài)加載過程中氣體吸附誘發(fā)煤體劣化試驗研究 68
3.3.1 試驗一：不同性質氣體吸附誘發(fā)煤體劣化試驗研究 70
3.3.2 試驗二：相同吸附量不同吸附壓力中煤體劣化試驗研究 74
3.4 本章小結 87
參考文獻 87
第4章 基于分形理論的煤體裂隙演化特征分析 90
4.1 引言 90
4.2 分形理論簡介 90
4.2.1 分形與分形維數的定義 90
4.2.2 分形理論在巖石力學與工程領域的應用 91
4.3 煤體峰后裂隙的分形幾何研究方法 94
4.3.1 分維數的概念與盒維數法 94
4.3.2 基于分形理論的吸附煤體裂隙量化指標與表征方法 95
4.4 氣體誘發(fā)煤體劣化試驗的峰后裂隙演化特征分析 97
4.4.1 基于MATLAB編程的煤體裂隙發(fā)育度計算方案 97
4.4.2 不同性質氣體吸附誘發(fā)煤體劣化的峰后裂隙演化特征分析 98
4.4.3 不同吸附壓力劣化試驗中煤體峰后裂隙演化特征分析 105
4.5 本章小結 108
參考文獻 109
第5章 氣體吸附與應力加載過程中煤體損傷劣化機制探究及數值驗證 111
5.1 引言 111
5.2 氣體吸附與加載過程中煤體損傷劣化模型研究 112
5.2.1 考慮氣體吸附與外部加載共同作用的煤體損傷劣化本構關系 112
5.2.2 考慮氣體吸附與外部加載共同作用的煤體損傷劣化演化方程 115
5.2.3 氣體吸附誘發(fā)煤體損傷劣化數學模型應用與驗證 116
5.3 氣體吸附誘發(fā)煤體強度劣化的力學分析 120
5.3.1 針對吸附煤體強度劣化的宏觀力學分析 120
5.3.2 基于顆粒離散元方法的劣化作用分析 124
5.4 PFC數值模擬與試驗驗證 132
5.4.1 PFC軟件特點 132
5.4.2 數值試驗方案 134
5.4.3 數值試驗過程與結果分析 137
5.5 本章小結 141
參考文獻 142
第6章 卸壓過程煤體瓦斯解吸-擴散特征 146
6.1 煤體瓦斯解吸擴散機理 146
6.1.1 煤的孔隙特征 146
6.1.2 煤基質瓦斯擴散物理過程 148
6.2 環(huán)境氣壓對煤體瓦斯解吸影響試驗研究 148
6.2.1 試驗方案 148
6.2.2 環(huán)境氣壓對煤體瓦斯擴散動力學影響 149
6.3 煤體損傷對瓦斯解吸影響試驗研究 155
6.3.1 試驗方案 155
6.3.2 煤體損傷對瓦斯解吸影響及機理分析 156
6.4 考慮環(huán)境氣壓和煤體損傷的瓦斯解吸模型 158
6.4.1 模型形式確定 158
6.4.2 模型中環(huán)境氣壓的引入 160
6.4.3 模型中損傷變量的引入 161
6.5 小結 163
參考文獻 163
第7章 瓦斯卸壓誘發(fā)煤體損傷劣化研究 167
7.1 引言 167
7.2 煤體卸氣壓試驗 168
7.2.1 試驗方案 168
7.2.2 試驗步驟 170
7.2.3 試驗結果 171
7.3 氣體卸壓誘發(fā)煤體損傷演化規(guī)律及機理分析 173
7.3.1 煤體損傷程度 174
7.3.2 解吸氣體量 175
7.3.3 氣體卸壓速率 176
7.4 考慮氣體卸壓過程的煤體損傷演化數學模型 177
7.5 小結 180
參考文獻 181
第8章 瓦斯卸壓過程煤體有效應力突變規(guī)律與影響機制 183
8.1 引言 183
8.2 瓦斯卸壓過程煤體有效應力變化規(guī)律試驗研究 183
8.2.1 試驗原理 183
8.2.2 試驗方案 184
8.2.3 試驗步驟 186
8.2.4 試驗結果 187
8.3 氣體卸壓對煤體有效應力影響及機制分析 188
8.3.1 有效應力總體變化規(guī)律 188
8.3.2 煤體損傷對有效應力突增量的影響 189
8.3.3 氣體吸附量對有效應力突增量的影響 190
8.3.4 氣體壓力對有效應力突增量的影響 191
8.3.5 時間對有效應力突增量的影響 192
8.4 瓦斯卸壓過程煤體有效應力數學模型 193
8.4.1 含瓦斯煤有效應力模型研究 193
8.4.2 考慮瓦斯卸壓過程的含瓦斯煤有效應力數學模型 195
8.5 小結 198
參考文獻 199
第9章 含瓦斯煤氣固耦合動力學模型及瓦斯卸壓致突數值模擬 201
9.1 引言 201
9.2 含瓦斯煤氣固耦合動力學模型 202
9.2.1 基本假設 202
9.2.2 裂隙系統(tǒng)瓦斯流動控制方程 204
9.2.3 煤體變形控制方程 205
9.2.4 含瓦斯煤氣固耦合動力學模型的建立 208
9.3 瓦斯卸壓致突數值模擬 209
9.3.1 模擬算例 209
9.3.2 COMSOL Multiphysics軟件介紹 210
9.3.3 模型建立 212
9.3.4 數值計算結果及分析 215
9.4 小結 219
參考文獻 220
第10章 結論與展望 221
10.1 結論 221
10.2 展望 223
前言
第1章 緒論 1
1.1 研究背景及意義 1
1.1.1 研究背景 1
1.1.2 研究意義 1
1.2 國內外研究現狀 2
1.2.1 含瓦斯煤體氣固耦合特性測試裝置研發(fā)現狀 2
1.2.2 考慮氣體吸附誘發(fā)煤體損傷劣化現狀 5
1.2.3 峰后煤體力學破壞特性與裂隙演化研究現狀 6
1.2.4 考慮氣體卸壓解吸對煤體損傷劣化研究現狀 8
1.3 研究目標與研究內容 10
1.3.1 研究目標 10
1.3.2 研究內容 10
1.4 研究方法與主要創(chuàng)新 11
1.4.1 研究方法 11
1.4.2 主要創(chuàng)新 11
參考文獻 13
第2章 基礎試驗儀器系統(tǒng)研發(fā) 20
2.1 引言 20
2.2 可視化恒容氣固耦合試驗系統(tǒng)研發(fā) 20
2.2.1 工作原理與功能指標 21
2.2.2 可視化恒容試驗儀設計方案 24
2.2.3 設計強度校核 27
2.2.4 硅酮膠與二氧化碳吸附性能試驗驗證 31
2.2.5 圓柱標準試件環(huán)向變形測試系統(tǒng)設計方案 33
2.2.6 系統(tǒng)安裝與操作 38
2.3 煤粒瓦斯放散測定儀 46
2.3.1 儀器結構與工作原理 46
2.3.2 技術參數與操作方法 48
2.4 巖石三軸力學滲透測試系統(tǒng) 49
2.4.1 系統(tǒng)主要功能與主要技術參數 50
2.4.2 系統(tǒng)構成與各部分關鍵技術 51
2.4.3 試件安裝及更換方法 56
2.4.4 初步應用 57
2.5 本章小結 61
參考文獻 61
第3章 氣體吸附誘發(fā)煤體劣化的試驗研究 64
3.1 引言 64
3.2 型煤標準試件研發(fā)與制作 64
3.2.1 型煤標準試件制作 65
3.2.2 強度與吸附性分析 67
3.3 靜態(tài)加載過程中氣體吸附誘發(fā)煤體劣化試驗研究 68
3.3.1 試驗一：不同性質氣體吸附誘發(fā)煤體劣化試驗研究 70
3.3.2 試驗二：相同吸附量不同吸附壓力中煤體劣化試驗研究 74
3.4 本章小結 87
參考文獻 87
第4章 基于分形理論的煤體裂隙演化特征分析 90
4.1 引言 90
4.2 分形理論簡介 90
4.2.1 分形與分形維數的定義 90
4.2.2 分形理論在巖石力學與工程領域的應用 91
4.3 煤體峰后裂隙的分形幾何研究方法 94
4.3.1 分維數的概念與盒維數法 94
4.3.2 基于分形理論的吸附煤體裂隙量化指標與表征方法 95
4.4 氣體誘發(fā)煤體劣化試驗的峰后裂隙演化特征分析 97
4.4.1 基于MATLAB編程的煤體裂隙發(fā)育度計算方案 97
4.4.2 不同性質氣體吸附誘發(fā)煤體劣化的峰后裂隙演化特征分析 98
4.4.3 不同吸附壓力劣化試驗中煤體峰后裂隙演化特征分析 105
4.5 本章小結 108
參考文獻 109
第5章 氣體吸附與應力加載過程中煤體損傷劣化機制探究及數值驗證 111
5.1 引言 111
5.2 氣體吸附與加載過程中煤體損傷劣化模型研究 112
5.2.1 考慮氣體吸附與外部加載共同作用的煤體損傷劣化本構關系 112
5.2.2 考慮氣體吸附與外部加載共同作用的煤體損傷劣化演化方程 115
5.2.3 氣體吸附誘發(fā)煤體損傷劣化數學模型應用與驗證 116
5.3 氣體吸附誘發(fā)煤體強度劣化的力學分析 120
5.3.1 針對吸附煤體強度劣化的宏觀力學分析 120
5.3.2 基于顆粒離散元方法的劣化作用分析 124
5.4 PFC數值模擬與試驗驗證 132
5.4.1 PFC軟件特點 132
5.4.2 數值試驗方案 134
5.4.3 數值試驗過程與結果分析 137
5.5 本章小結 141
參考文獻 142
第6章 卸壓過程煤體瓦斯解吸-擴散特征 146
6.1 煤體瓦斯解吸擴散機理 146
6.1.1 煤的孔隙特征 146
6.1.2 煤基質瓦斯擴散物理過程 148
6.2 環(huán)境氣壓對煤體瓦斯解吸影響試驗研究 148
6.2.1 試驗方案 148
6.2.2 環(huán)境氣壓對煤體瓦斯擴散動力學影響 149
6.3 煤體損傷對瓦斯解吸影響試驗研究 155
6.3.1 試驗方案 155
6.3.2 煤體損傷對瓦斯解吸影響及機理分析 156
6.4 考慮環(huán)境氣壓和煤體損傷的瓦斯解吸模型 158
6.4.1 模型形式確定 158
6.4.2 模型中環(huán)境氣壓的引入 160
6.4.3 模型中損傷變量的引入 161
6.5 小結 163
參考文獻 163
第7章 瓦斯卸壓誘發(fā)煤體損傷劣化研究 167
7.1 引言 167
7.2 煤體卸氣壓試驗 168
7.2.1 試驗方案 168
7.2.2 試驗步驟 170
7.2.3 試驗結果 171
7.3 氣體卸壓誘發(fā)煤體損傷演化規(guī)律及機理分析 173
7.3.1 煤體損傷程度 174
7.3.2 解吸氣體量 175
7.3.3 氣體卸壓速率 176
7.4 考慮氣體卸壓過程的煤體損傷演化數學模型 177
7.5 小結 180
參考文獻 181
第8章 瓦斯卸壓過程煤體有效應力突變規(guī)律與影響機制 183
8.1 引言 183
8.2 瓦斯卸壓過程煤體有效應力變化規(guī)律試驗研究 183
8.2.1 試驗原理 183
8.2.2 試驗方案 184
8.2.3 試驗步驟 186
8.2.4 試驗結果 187
8.3 氣體卸壓對煤體有效應力影響及機制分析 188
8.3.1 有效應力總體變化規(guī)律 188
8.3.2 煤體損傷對有效應力突增量的影響 189
8.3.3 氣體吸附量對有效應力突增量的影響 190
8.3.4 氣體壓力對有效應力突增量的影響 191
8.3.5 時間對有效應力突增量的影響 192
8.4 瓦斯卸壓過程煤體有效應力數學模型 193
8.4.1 含瓦斯煤有效應力模型研究 193
8.4.2 考慮瓦斯卸壓過程的含瓦斯煤有效應力數學模型 195
8.5 小結 198
參考文獻 199
第9章 含瓦斯煤氣固耦合動力學模型及瓦斯卸壓致突數值模擬 201
9.1 引言 201
9.2 含瓦斯煤氣固耦合動力學模型 202
9.2.1 基本假設 202
9.2.2 裂隙系統(tǒng)瓦斯流動控制方程 204
9.2.3 煤體變形控制方程 205
9.2.4 含瓦斯煤氣固耦合動力學模型的建立 208
9.3 瓦斯卸壓致突數值模擬 209
9.3.1 模擬算例 209
9.3.2 COMSOL Multiphysics軟件介紹 210
9.3.3 模型建立 212
9.3.4 數值計算結果及分析 215
9.4 小結 219
參考文獻 220
第10章 結論與展望 221
10.1 結論 221
10.2 展望 223
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煤體瓦斯吸附解吸劣化損傷致突機理 節(jié)選
第1章 緒論 1.1 研究背景及意義 1.1.1 研究背景 我國煤礦松軟低透氣性高瓦斯煤層開采約占60%，屬極難抽放瓦斯煤層，瓦斯災害危及我國大部分礦區(qū)！懊旱V重特大災害智能報警方法與技術”入選中國科學技術協(xié)會60個重大科學問題和工程技術難題。 隨著經濟社會的發(fā)展，可再生能源在能源結構中的占比進一步提升，但從全球來看，煤炭依然在能源消費結構中占主要比重。其中，中國、印度和南非三個國家的煤炭消費在一次能源消費中的占比高于60%。煤炭作為我國主導能源，預計2050年仍將占能源消耗的50%以上。近年來，我國煤炭開采深度和力度不斷加大，礦井地質條件更加復雜，含瓦斯礦井與突出傾向性礦井數量持續(xù)增多，發(fā)生煤與瓦斯動力現象的突出礦井也將日益增多，煤與瓦斯突出死亡人數比例更是逐年上升，煤巖瓦斯動力災害已成為煤礦普遍的安全問題，這種工程災害是煤巖變形破裂與瓦斯運移動態(tài)演化共同導致的突發(fā)性災害。尤其高瓦斯礦井發(fā)生的煤與瓦斯突出動力災害危害巨大，常造成重大經濟損失和惡劣社會影響，嚴重制約煤礦安全高效生產。統(tǒng)計表明，2010年左右我國累計礦井煤與瓦斯突出次數占世界40%以上，死亡人數已占到煤礦總死亡人數的1/3[1，2]。煤與瓦斯突出的監(jiān)測預警與防治已成為世界性難題和研究熱點，也成為我國高瓦斯礦井安全生產亟待解決的科學問題，是國家能源安全的重要戰(zhàn)略需求和突破方向[3]。 1.1.2 研究意義 含瓦斯煤作為一種復雜的混合介質，其吸附耦合狀態(tài)直接影響煤體的力學特性。瓦斯賦存于煤體中，在地應力、構造應力的作用下，與煤基質發(fā)生吸附解吸作用，共同構成氣固耦合作用系統(tǒng)；氣體吸附于煤巖顆粒表面，降低了煤巖顆粒表面自由能，導致煤體強度和應力狀態(tài)的變化，而煤體強度、變形與應力狀態(tài)的改變導致瓦斯含量、煤體滲透率及瓦斯涌出量的變化，進而影響煤與瓦斯突出的發(fā)生、發(fā)展與終止全過程，這在研究“煤與瓦斯”體系問題中具有舉足輕重的作用[4]，因此研究氣體吸附解吸對煤體的耦合作用機制是探索煤與瓦斯突出機理的基礎與前提。 近年來，國內外眾多專家學者和工程技術人員分別通過現場觀測、突出實例統(tǒng)計分析、實驗室研究和理論分析等不同研究手段，對含瓦斯煤吸附解吸特性、物理力學特性、損傷劣化及擴容機理方面開展了廣泛研究，特別是在煤體瓦斯吸附解吸變形機制、滲流演化機制方面取得了顯著的研究成果，但在考慮氣固耦合與應力加載共同作用中的煤體強度劣化機制、損傷擴容規(guī)律及煤體裂隙演化特征方面，由于缺少氣固耦合可視化試驗設備和定量描述氣體吸附誘發(fā)煤體損傷劣化的試驗方法，目前研究仍處在“黑匣子”階段，多數試驗只得到了吸附解吸作用對煤體強度弱化的定性結果，而無法捕捉獲取煤體在整個耦合-加載過程中的關鍵參數變化與物理現象規(guī)律。 多種工程災害是煤體受應力擾動后變形破裂與瓦斯吸附解吸運移動態(tài)演化的耦合作用結果，因此研究氣體吸附以及卸壓解吸對煤體的損傷劣化作用機制是探索煤與瓦斯突出機理的基礎與必要條件，并且具有十分重大的工程應用價值和社會意義。 1.2 國內外研究現狀 1.2.1 含瓦斯煤體氣固耦合特性測試裝置研發(fā)現狀 含瓦斯煤體的加載破壞為高度非線性的氣固耦合動力學過程，而其數學模型、本構關系仍不完善，導致其理論分析與數值模擬滯后，在眾多研究方法中，室內力學試驗具有參數可調、條件可控等優(yōu)點，是目前的主要科學手段[5-7]。國內外專家學者自20世紀50年代，就試圖通過研發(fā)含瓦斯煤相關試驗裝置，在實驗室條件下，對煤與瓦斯突出個別環(huán)節(jié)、突出綜合過程以及含瓦斯煤力學特性進行試驗設計和測試模擬[8-13]，部分含瓦斯煤試驗裝置如圖1.1所示。Lawson等[9]研究了煤炭開采過程中覆巖特征對動力破壞的影響；Liu等[14]采用自主研發(fā)的密封壓力系統(tǒng)，對不同瓦斯壓力條件下具有爆破傾向的煤樣進行了試驗研究，得到了沖擊能量指數(Ke)和單軸抗壓強度(rc)與吸附壓力之間的影響規(guī)律；孫曉元[15]提出了靜壓荷載和振動荷載共同作用促進煤體破壞失穩(wěn)并*終導致煤體動力災害發(fā)生這一論斷；Wang(王書剛)等[16]通過自制儀器研究了煤樣瓦斯快速減壓解吸引起的能量破壞現象。Yin等[17]利用自行研制的“含瓦斯煤熱流固耦合三軸伺服滲流試驗裝置”，進行不同初始圍壓和不同瓦斯壓力組合條件下，不同卸圍壓速率對含瓦斯煤巖力學和瓦斯?jié)B流特性的影響試驗研究；袁瑞甫等[18]研制了含瓦斯煤動態(tài)破壞模擬試驗設備，得到不同強度煤體在應力-瓦斯壓力作用下的破壞條件和規(guī)律；田坤云等[19]研制了高壓水及負壓加載狀態(tài)下三軸應力滲流試驗裝置，裝置含有水力壓裂控制系統(tǒng)能夠模擬抽采鉆孔負壓狀態(tài)下煤體內的瓦斯運移規(guī)律及考察高壓水對煤體的壓裂效果；徐佑林等[20]采用含瓦斯煤熱流固三軸伺服試驗系統(tǒng)進行不同瓦斯壓力、圍壓和卸圍壓速率組合條件下的卸圍壓試驗；潘一山等[21]利用自主研發(fā)的含瓦斯或水煤巖三軸壓縮破裂電荷監(jiān)測裝置，對標準型煤試樣進行含瓦斯煤巖圍壓卸荷瓦斯?jié)B流及電荷感應試驗，得到瓦斯?jié)B流特性及電荷感應規(guī)律與煤巖的變形損傷過程的影響關系；Chen(陳海棟)等[22]采用煤巖應力-滲透率耦合試驗裝置，研究了卸荷下的被保護層煤巖滲透性分布特性和時空演化規(guī)律。尹光志和許江、蔣承林、潘一山、王漢鵬和袁亮等先后研發(fā)了從一維到三維的煤體氣固耦合力學試驗裝置，并開展了不同誘導方式條件下含瓦斯煤巖氣固耦合試驗和模擬試驗，詳盡分析了應力、吸附壓力和煤體強度之間的影響規(guī)律作用關系[23-26]。 圖1.1 含瓦斯煤試驗裝置 此外，在含瓦斯煤耦合加載過程變形監(jiān)測方面，1807年Thomas Young在拉伸和壓縮試驗中，發(fā)現了材料縱向變形的同時伴隨著橫向變形的產生；1829年Simeon Denis Poisson提出彈性常數概念，即泊松比[27]，研究表明單軸壓縮時巖樣環(huán)向變形比軸向變形更早、更快地偏離與軸向應力的線性關系[28-30]，但對于峰后階段，特別是多相耦合加載過程的環(huán)向變形監(jiān)測困難，研究程度較低，有必要進一步加強[31，32]。巖石力學試驗采用的軸向和環(huán)向變形的測量方法與原理分為非接觸法測量和接觸法測量兩類。非接觸法測量主要為光干涉測量法、光導熱塑全息照相法、數字散斑面內相關法(digital spackle correlation method，DSCM)等光學法[33，34]。例如，Widdle等[35]提出了一種非接觸式的激光散斑應變計；郭文婧等[36]基于數字散斑相關方法發(fā)展了一種虛擬引伸計測量方法，給出了虛擬引伸計的原理和實現方法，并用試驗驗證了虛擬引伸計的可靠性；馬永尚等[37]利用三維數字圖像相關技術得到單軸壓縮狀態(tài)下帶中心圓孔花崗巖巖板破壞全過程，以及巖石破壞過程中觀測面的三維位移和應變，直觀地反映巖石表面裂隙的產生、擴展及相互連通的演化過程。但此類方法系統(tǒng)成本較高，且精度受光線、環(huán)境、操作等外界因素影響。接觸法作為環(huán)向變形測試的主流方法，以機械法、電測法、引伸計法為代表[38，39]。機械法主要采用機械式千分表頂在試件表面，直接獲取測點位移，操作簡單，但通過若干點的變形表征環(huán)向變形存在一定誤差；電測法主要在試件上粘貼縱向和橫向電阻應變片，通過應變儀采集微應變間接測量環(huán)向變形。例如，李順群等[40]設計了一種接觸式三維應變花，建立了三維應變花各測試數據與常規(guī)應變之間的轉換矩陣，并給出了求解該問題的必要條件。但應變片的粘貼增加了試件的局部剛度，測量誤差大，而且無法測量峰后位移，操作不便且為一次性使用。引伸計法是將制作的成套傳感器安裝在試件表面，配合二次儀表采集數據獲得縱橫向應變數據，從而測得環(huán)向位移計算泊松比。國內外研發(fā)了不同的引伸計，MTS系統(tǒng)公司研發(fā)了鏈式引伸計環(huán)向位移測試方法與儀器[41]；王偉等[42]研制了軸向、徑向變形引伸計，并開發(fā)了配套軟件，綜合性能良好。目前，應用成熟的環(huán)向變形測試方法與儀器主要有四柱懸臂式引伸計、MTS鏈式引伸計，以及GDS公司的LVDT引伸計等。其中，MTS鏈式引伸計所測為環(huán)形整體變形，通過引伸計轉換位移，精度和可靠度好，但價格較高。除此之外，李鈾[43]提出利用電容原理測量試件橫向變形的想法，但未能實施。van Paepegem、Yilmaz等[44，45]采用光柵傳感器測試了材料橫向-豎向變形數據及泊松比；汪斌等[46]基于MTS815配置的軸向和鏈式側向變形引伸計測試技術改進了原有的側向應變計算方法，建立了一套專門針對變形傳感器的多功能標定器具和標定方法。 上述研究內容在含瓦斯煤力學試驗儀器的功能開發(fā)和監(jiān)測采集升級改造等方面取得了顯著成效，但存在以下不足：①加載方式以靜態(tài)加載為主，無法實現氣固耦合條件下的動靜聯(lián)合加載；②在充入吸附性氣體環(huán)境下，加載過程中加載室內容積不恒定，即因加載壓頭下壓造成試驗空間容積減小，導致氣壓升高，進而提高了氣體吸附容量，干擾了試驗結果并降低了加載精度；③無法實現煤體在氣固耦合與應力加載條件下的試驗全程可視化實時監(jiān)測，試驗裝置體積龐大、操作煩瑣；④開展三軸試驗時，試件圍壓加載多以油壓為主，無法實現圍壓的高速卸載；⑤含瓦斯煤耦合加載過程中環(huán)向變形監(jiān)測困難[47-49]；⑥解吸環(huán)境以大氣壓為主，無法實現解吸環(huán)境氣壓的任意調節(jié)；⑦現有滲透率測試儀器操作復雜，且無法實現煤體全應力-應變過程中滲透率實時測試。 1.2.2 考慮氣體吸附誘發(fā)煤體損傷劣化現狀 Kassner等[50]認為，要更深入地研究巖石的破壞機制，應當將宏、細觀尺度結合起來多角度研究巖石損傷劣化過程。根據相關文獻資料所述[51-54]，在巖石力學領域，損傷劣化主要是指煤體或巖體在受到氣體-液體侵蝕、凍脹和外部荷載等外界作用后，發(fā)生變色、龜裂、強度降低等物理或化學性能變化的現象。這些外部條件在一定的耦合作用下，能引起煤體內部結構變化且性能降低。而針對煤體吸附與加載耦合作用下的損傷劣化是指氣體吸附后，煤體將產生吸附應變，吸附應變通過使煤微觀結構重新排列從而誘發(fā)煤損傷，宏觀層面導致其力學性質劣化，主要表現為吸附與加載過程，相比于同條件不吸附的煤體，其彈性模量和強度降低。 近年來，國內外專家學者采用理論分析、室內試驗、數值仿真等手段對氣體吸附狀態(tài)中煤體的損傷劣化物理力學性質進行深入研究，取得了豐碩成果。Larsen[55，56]研究得出，煤體吸附瓦斯氣體后體積發(fā)生少量膨脹，內部結構發(fā)生細觀變化，這種變化將煤巖孔隙內表面自由能降到*低，從而保持整個煤巖-瓦斯系統(tǒng)的穩(wěn)定。Majewska等[57]通過聲發(fā)射試驗發(fā)現了氣體吸附對煤樣的損傷。姚宇平等[58]總結了三種具有代表性的假說：①瓦斯分子較深進入了煤體超微孔隙，吸附過程中導致煤體膨脹；②瓦斯分子進入超微孔隙并楔開孔隙；③瓦斯進入煤體碳分子內部，使分子間距變大，同時楔開與瓦斯分子尺寸相近的孔隙，并通過Bangham方程定性描述了吸附膨脹變形的力學關系。祝捷等[59]優(yōu)化了有效應力系數，考慮了時變性，建立了煤巖吸附/解吸氣體的劣化模型。 Ranjith、Viete等[60，61]通過試驗分析指出，氣體吸附對煤巖的影響可以通過宏觀強度和彈性模量來表征；Larsen[56]認為，任意可以被煤樣吸附和溶解的流體，如CO2、CH4和N2等，其吸附過程均具有降低煤體自由能、釋放煤顆粒膨脹誘發(fā)煤體應變的力學特性。何學秋等[62]通過開展含瓦斯煤巖力學特征試驗研究闡述了孔隙吸附瓦斯對煤巖的破壞作用過程，并運用表面物理化學原理解釋了孔隙瓦斯對煤巖的“蝕損”機理；尹光志等[63]從內時理論出發(fā)，利用連續(xù)介質不可逆熱力學的基本原理推導出含瓦斯煤巖的內時損傷本構方程；程遠平等[64]考慮了有效應力和瓦斯吸附/解吸變形等因素，以應變?yōu)樽兞縼硌芯棵后w的卸荷損傷性質。劉力源等[65]基于損傷力學理論與有效應力原理研究了煤巖吸附瓦斯的特征。黃達等[66]利用PFC顆粒流程序軟件探討了初始單軸靜態(tài)壓縮的細觀損傷程度對單軸動態(tài)壓縮時單裂隙巖樣力學性質的
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