多重應(yīng)力路徑下雙重孔隙煤體損傷擴(kuò)容及滲透性演化機(jī)制與應(yīng)用.pdf

1、近年來，隨著我國東部各主產(chǎn)礦區(qū)相繼進(jìn)入深部開采狀態(tài)，深部煤層鉆孔瓦斯抽采遇到了諸多瓶頸，深部采動(dòng)應(yīng)力條件下煤體的基本力學(xué)行為和滲透性演化特征仍有待深入研究。為進(jìn)一步揭示煤體滲透性演化的內(nèi)在力學(xué)機(jī)制以及煤層瓦斯運(yùn)移過程中的物理本質(zhì)，本文基于實(shí)際采動(dòng)應(yīng)力條件獲得的多重應(yīng)力路徑，分別使用原煤、常規(guī)型煤和微擾動(dòng)軟煤試樣，較系統(tǒng)的開展了煤樣的力學(xué)及滲透性演化試驗(yàn)，并綜合運(yùn)用巖體力學(xué)、滲流力學(xué)、C.D.Martin裂隙應(yīng)變模型等理論方法研究了煤的力

2、學(xué)特性、損傷擴(kuò)容規(guī)律和滲透率演化的內(nèi)在力學(xué)機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了雙重孔隙煤體瓦斯運(yùn)移過程中的氣固耦合模型，分別以實(shí)驗(yàn)室和工程尺度為背景對(duì)瓦斯運(yùn)移規(guī)律開展了模擬研究。取得了以下研究成果：
　　(1)圍壓卸載對(duì)煤體強(qiáng)度起劣化作用。加載條件下，常規(guī)型煤和微擾動(dòng)軟煤的內(nèi)聚力分別為1.72MPa和1.18MPa，內(nèi)摩擦角均為35.06°；圍壓卸載條件下，常規(guī)型煤和微擾動(dòng)軟煤的內(nèi)聚力分別為0.95MPa和0.83MPa，內(nèi)摩擦角分別為38.

3、03°和34.74°。圍壓卸載下，常規(guī)型煤和微擾動(dòng)軟煤內(nèi)聚力分別劣化約44.77％和29.66%。
　　(2)通過理論分析獲得了煤體損傷擴(kuò)容漸進(jìn)破壞過程及煤體滲透性演化的內(nèi)在力學(xué)機(jī)制?；谠囼?yàn)獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，利用C.D.Martin裂隙應(yīng)變模型對(duì)煤體裂隙發(fā)育進(jìn)行了定量描述，獲得了裂隙發(fā)育各階段對(duì)應(yīng)的特征應(yīng)力。當(dāng)煤體所處的應(yīng)力水平達(dá)到損傷擴(kuò)容應(yīng)力σcd時(shí)，煤體即產(chǎn)生塑性變形，開始擴(kuò)容屈服?；诿后w損傷擴(kuò)容漸進(jìn)性破壞的力學(xué)機(jī)制，

4、建立了煤體損傷擴(kuò)容屈服準(zhǔn)則。不同初始損傷程度卸載條件下煤體滲透性測(cè)試結(jié)果表明，煤樣損傷擴(kuò)容前，煤樣滲透率同差應(yīng)力的關(guān)系符合指數(shù)函數(shù)k=koexp[A(σ1-σ2)]；損傷擴(kuò)容后，煤樣滲透率呈近似線性的快速增長趨勢(shì)。將煤體裂隙演化規(guī)律同滲透性演化規(guī)律相結(jié)合，揭示了滲透性演化的內(nèi)在力學(xué)機(jī)制。
　　(3)開展了靜水壓條件下原煤和型煤滲透性試驗(yàn)，結(jié)果表明，裂隙瓦斯壓力能迅速達(dá)到目標(biāo)值，而基質(zhì)瓦斯壓力的增速則非常緩慢；吸附平衡過程中滲透性的

5、演化為有效應(yīng)力及吸附膨脹變形競(jìng)爭(zhēng)作用的結(jié)果；原煤所需的吸附平衡時(shí)間約為型煤的2.7倍；隨著圍壓的增大，煤樣的骨架壓縮，裂隙寬度減小，滲透率降低，滲透率同有效應(yīng)力符合形如k=koexp[-3cf(σ-σ0)]的函數(shù)關(guān)系，回歸計(jì)算獲得型煤和原煤的裂隙壓縮因子分別為2.34×10-4 psia-1、1.96×10-4 psia-1和1.09×10-3 psia-1，表明原煤的應(yīng)力敏感性遠(yuǎn)大于型煤，而兩個(gè)型煤的應(yīng)力敏感性則基本相同。
　　

6、(4)使用COMSOL Multiphysics軟件調(diào)用本文建立的雙重孔隙煤體瓦斯運(yùn)移過程中的滲透率演化模型及氣固耦合模型，分別以實(shí)驗(yàn)室和工程尺度為背景模擬研究了煤中的瓦斯運(yùn)移規(guī)律。模擬結(jié)果表明，裂隙瓦斯壓力和基質(zhì)瓦斯壓力對(duì)于目標(biāo)平衡狀態(tài)的響應(yīng)速度差別較大，煤樣吸附平衡12h時(shí)，基質(zhì)瓦斯壓力仍小于吸附平衡1h時(shí)的裂隙瓦斯壓力。響應(yīng)速度帶來的影響同Klinkenberg效應(yīng)在同一個(gè)數(shù)量級(jí)，模擬分析時(shí)忽略該影響將使得基質(zhì)瓦斯壓力被低估。

7、r>　　(5)順層鉆孔常見的失穩(wěn)破壞模式主要包括零坍塌、局部坍塌、拱形坍塌和塌穿型坍塌。鉆孔周圍的應(yīng)力擾動(dòng)區(qū)依次為峰后破碎區(qū)、損傷擴(kuò)容區(qū)和彈性變形區(qū)。同損傷擴(kuò)容屈服準(zhǔn)則相比，Mohr-Coulomb準(zhǔn)則判斷煤體是否發(fā)生塑性變形時(shí)較為“保守”。PVC篩管單向抗擠試驗(yàn)結(jié)果表明，2吋、1.5吋和1吋篩管的最大分別能承受約105kN/m、61kN/m和49kN/m的單向外擠力。僅當(dāng)鉆孔破壞后無法形成自穩(wěn)的壓力拱，傳遞到篩管上的地應(yīng)力大于其所能承

8、受的最大煤層擠壓力時(shí)，篩管失效。
　　(6)使用COMSOL Multiphysics軟件調(diào)用本文建立的滲透率和氣固耦合模型，模擬研究了丁集礦1331(1)工作面鉆孔及巷道周圍煤體的采動(dòng)應(yīng)力、滲透率及裂隙瓦斯壓力分布特征。模擬結(jié)果表明，鉆孔及巷道的應(yīng)力擾動(dòng)范圍分別為0.27m和18m，區(qū)域內(nèi)煤體滲透率最大值分別為初始值的1550倍和2000倍，最小值分別為初始值的0.5倍和0.2倍。鉆孔局部坍塌后能夠形成自穩(wěn)的壓力拱。鉆孔應(yīng)力擾動(dòng)