受載含瓦斯煤體流-固耦合模型及其應(yīng)用研究.pdf

1、煤是物理力學(xué)性質(zhì)非常復(fù)雜的介質(zhì)，瓦斯在煤體內(nèi)的流動(dòng)是流-固耦合作用下的瓦斯運(yùn)移，煤與瓦斯突出亦是流-固耦合作用下煤體失穩(wěn)破壞的現(xiàn)象，分析煤體變形與瓦斯運(yùn)移之間的關(guān)系、研究耦合運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律，探索系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，對(duì)于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)受載含瓦斯煤體的突出機(jī)理，并正確的采取防治技術(shù)路徑具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。滲透率作為表征瓦斯在煤體中流動(dòng)難易程度的指標(biāo)和受載含瓦斯煤體流-固耦合模型一起構(gòu)成煤體內(nèi)瓦斯運(yùn)移規(guī)律研究中最基礎(chǔ)也最重

2、要的內(nèi)容，為此，選擇典型礦井的煤樣作為研究對(duì)象，基于滲流力學(xué)、彈塑性理論、流體力學(xué)及模糊數(shù)學(xué)理論等，利用煤巖瓦斯流-固耦合滲流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、大型煤巖瓦斯復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)受載煤體內(nèi)的瓦斯運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究，取得了如下成果：
　?。?）利用煤巖瓦斯流-固耦合滲流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究了圍壓、瓦斯壓力、有效應(yīng)力及含水率對(duì)煤滲透性能的影響，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析，得出了有效應(yīng)力、瓦斯壓力、圍壓及含水率對(duì)原煤試樣瓦斯?jié)B透率的影響規(guī)律；從最小二

3、乘法原理出發(fā)，分別得出了各影響因素與滲透率的函數(shù)關(guān)系，引入耦合因子的概念，提出了根據(jù)模糊互補(bǔ)判斷矩陣確定耦合因子的方法，建立了煤巖瓦斯?jié)B透率與各個(gè)影響因素間的綜合表達(dá)式，并將其用于修正瓦斯運(yùn)移控制方程中的滲透率k。
　　（2）分析了含瓦斯煤巖的孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)特性；依據(jù)受力平衡原理和孔隙率的基本定義，在考慮煤巖吸附瓦斯變形和孔隙氣體壓力壓縮煤巖骨架變形的情況下，給出了孔隙率動(dòng)態(tài)演化方程；基于孔隙率的研究成果，在考慮吸附膨脹應(yīng)力?p與

4、孔隙壓力對(duì)煤巖骨架的壓縮應(yīng)力?f的基礎(chǔ)上，導(dǎo)出了受載含瓦斯煤體總應(yīng)力表達(dá)式。
　　（3）修正了含瓦斯煤巖流-固耦合本構(gòu)方程，其中考慮煤巖變形由煤巖骨架吸附瓦斯膨脹引起的應(yīng)變、游離瓦斯壓縮煤巖骨架引起的應(yīng)變、外部載荷作用產(chǎn)生的應(yīng)變所組成；進(jìn)而基于平衡微分方程、變形協(xié)調(diào)方程及物理方程建立了考慮吸附膨脹應(yīng)力和孔隙瓦斯壓力的以位移表示的含瓦斯煤巖變形場(chǎng)方程；聯(lián)立推導(dǎo)的瓦斯運(yùn)移控制方程、含瓦斯煤巖變形場(chǎng)方程，以瓦斯壓力和有效應(yīng)力為傳遞控制參

5、量建立受載含瓦斯煤體流-固耦合模型；并給出了該流-固耦合模型的應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)邊界條件。
　?。?）利用大型煤巖瓦斯復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行受載含瓦斯煤體內(nèi)瓦斯運(yùn)移規(guī)律及流-固耦合模型的物理模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，監(jiān)測(cè)突出發(fā)生前大型受載含瓦斯煤體內(nèi)的瓦斯壓力變化規(guī)律；以該物理模擬實(shí)驗(yàn)為背景建立數(shù)值計(jì)算模型，將建立的流-固耦合模型嵌入到數(shù)值計(jì)算模型，采用COMSOL-Multiphysic多物理場(chǎng)耦合數(shù)值模擬軟件解算監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的瓦斯壓力變化

6、規(guī)律；從物理實(shí)驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算兩個(gè)方面對(duì)所建流-固耦合模型的正確性進(jìn)行對(duì)比分析驗(yàn)證。
　　（5）以河南能源化工集團(tuán)某礦的22011工作面為例，在現(xiàn)有水力沖孔防突措施實(shí)施之后出現(xiàn)的應(yīng)力集中、瓦斯校檢指標(biāo)超限的工程問(wèn)題，建立了符合該工程實(shí)際情況的三維數(shù)值計(jì)算模型，將受載含瓦斯煤體流-固耦合模型嵌入到該三維幾何模型中，模擬計(jì)算出該礦水力沖孔有效影響半徑與出煤量的定量關(guān)系，用此數(shù)值模擬結(jié)果指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)水力沖孔布孔方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了基于該數(shù)值模