低頻機(jī)械振動(dòng)含瓦斯煤耦合場滲流特性研究.pdf

1、論文題目：低頻機(jī)械振動(dòng)含瓦斯煤耦合場滲流特性研究專業(yè)：安全技術(shù)及工程博士生：趙勇（簽名）指導(dǎo)教師：李樹剛（簽名）摘要掘進(jìn)過程中煤體瓦斯?jié)B流受到機(jī)械掘進(jìn)、鉆探等動(dòng)態(tài)低頻機(jī)械振動(dòng)載荷影響，研究低頻機(jī)械振動(dòng)影響煤體瓦斯?jié)B流特性，對于認(rèn)識(shí)掘進(jìn)煤體瓦斯運(yùn)移，煤與瓦斯突出機(jī)理等都具有重要意義。為研究低頻機(jī)械振動(dòng)載荷對煤體瓦斯?jié)B流的影響，本文對低頻機(jī)械振動(dòng)作用下煤體孔隙率、應(yīng)力應(yīng)變、瓦斯含量、滲透率進(jìn)行理論分析，建立了低頻機(jī)械振動(dòng)含瓦斯煤體應(yīng)力滲流耦

2、合數(shù)學(xué)模型，并以山西某突出礦井的四采區(qū)405掘進(jìn)工作面為工程背景，分析數(shù)學(xué)模型嵌入Comsol軟件所建立的數(shù)值模型中各個(gè)參量變化。首先，理論分析低頻機(jī)械振動(dòng)影響煤體骨架應(yīng)變及體積壓縮變化，得到振動(dòng)煤體骨架應(yīng)變表達(dá)式、振動(dòng)頻率、振動(dòng)時(shí)間與煤體體積關(guān)系表達(dá)式，建立振動(dòng)含瓦斯煤體孔隙率變化方程并進(jìn)行試驗(yàn)檢驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，分析煤體內(nèi)部骨架有效應(yīng)力，得到振動(dòng)煤體有效應(yīng)力關(guān)系表達(dá)式，利用應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系，建立振動(dòng)含瓦斯煤體體積應(yīng)變方程，并借助試驗(yàn)檢

3、驗(yàn)其規(guī)律性。其次，通過振動(dòng)不同形態(tài)煤體吸附試驗(yàn)，分析振動(dòng)對煤體吸附性能的影響。通過松散煤樣吸附試驗(yàn)，分析未吸附飽和煤體內(nèi)壓突然增加后振動(dòng)吸附特性，得出試驗(yàn)致因是振動(dòng)使松散煤樣內(nèi)部反復(fù)摩擦，加劇氣體分子熱運(yùn)動(dòng)，摩擦面形成短暫的負(fù)電荷層，提高了煤體表面勢能，同時(shí)振動(dòng)不斷撕裂包圍煤基質(zhì)的瓦斯氣膜。以振動(dòng)含瓦斯煤體孔隙率方程為基礎(chǔ)，分析煤體游離態(tài)瓦斯特性，得到煤體游離態(tài)瓦斯含量表達(dá)式，建立煤體振動(dòng)動(dòng)態(tài)瓦斯含量方程，并利用振動(dòng)吸附飽和原煤試件試驗(yàn)

4、檢驗(yàn)方程。通過試驗(yàn)檢驗(yàn)煤體孔隙率方程、體積應(yīng)變方程及瓦斯含量方程，均發(fā)現(xiàn)方程得出的計(jì)算值與實(shí)測值存在一定偏差，但計(jì)算值能較好體現(xiàn)出低頻機(jī)械振動(dòng)影響煤體孔隙、煤與瓦斯系統(tǒng)整體體積應(yīng)變及瓦斯含量的變化規(guī)律。再次，以振動(dòng)煤體骨架應(yīng)變?yōu)榛A(chǔ)，針對地球物理場中振動(dòng)影響煤體應(yīng)變變化特性，利用煤體應(yīng)變表達(dá)式、煤體有效應(yīng)力平衡關(guān)系，建立低頻機(jī)械振動(dòng)含瓦斯煤體應(yīng)力滲流耦合場應(yīng)力控制方程；以KozenyCarman提出的滲透率表達(dá)式為基礎(chǔ)，分析孔隙壓縮、吸

5、附膨脹及振動(dòng)擠壓對煤體應(yīng)變的影響，建立低頻機(jī)械振動(dòng)作用下含瓦斯煤體滲透率表達(dá)式。應(yīng)用滲透率表達(dá)式及瓦斯含量方程，依據(jù)滲流過程瓦斯質(zhì)量守恒，得到低頻機(jī)械Subject：StudyonPropertyofLowFrequencyVibrationtoCoupledFieldsSeepageSpecialty：SafetyTechnologyEngineeringName：ZhaoYong（Signature）Instruct：LiShuga

6、ng（Signature）ABSTRACTDuringtunnelingprocessgasseepageisaffectedbymechanicalvibrationlowfrequentdrillingload.Therefeitisofgreatimptanceofstudyingseepagepropertyaffectedbylowfrequentvibration.Ithelpsunderstgasmovementgasou

7、tburstmechanism.Tostudythelowfrequencydisturbanceloadedoncoalgasseepagethispaperfromtheeticalviewanalyzescoalpositystressgascapacitypermeabilityonconditionofvibration.Onbasisofthatthispaperestablishesamathematicalmodelon

8、basisoflowfrequencymechanicalvibrationstressseepagecoupling.ThistesttakessamplesfromNo.405outburstingminingsiteatatunnelingsectioninShanxiProvince.Thenthemathematicalmodeliswrittenintoeveryparameterrangeprogrammedincomso

9、l.Firstofallontheeticalanalysisofsampleskeletondefmationstresslowfrequencyactualminingvibrationcoalskeletondefmationacteristicsvolumecompressibilityfactexpressionsaredefinedlikevibratedcoalskeletondefmationexpressionsvib

10、ratingfrequencyvibratingtimethoseassociatedwithcoalvolumes.Onbasisofthesethisalsoanalyzeseffectivestressofinnerskeletonastoestablisheffectivestressequation.Takingrelationbetweenstressstrainconstitutivethispaperestablishe

11、svolumestrainequationastoverifyitsregularitybytesting.Secondbyvibratingvarioustypesofsamplestestingtheirabsptioncapacitythispaperanalyzesabsptionpropertyundervibrationaswellasanalyzestheadsptionpropertiesundervibrationin

12、thoseunadsbedcoalsamples.Itfindsthatsampleswithexternalfrictioncanononehaccelerategasmoleculesontheotherfmanegativegelayersothatpotentialonsamplesincreases.Atthesametimetearingoutmatrixfilmthatsurroundscoalmatrix.Basedon

13、dynamicposityequationthispaperanalyzesfreestategaspropertiesestablishingaequationoffreestategascontentindynamicsofvibrationverifyingsaturatedsamples.Bytestifyingposityequationvolumestrainequationcontentequationitfindstha