含瓦斯煤THM耦合模型及煤與瓦斯突出模擬研究.pdf

1、煤是一種孔隙-裂隙雙重介質(zhì)，瓦斯在煤層中的流動是流固耦合作用下的瓦斯流動，煤與瓦斯突出亦是流固耦合作用下的煤體失穩(wěn)破壞現(xiàn)象，而滲透率作為標志瓦斯在煤層中流動難易程度的指標和煤層瓦斯熱-流-固耦合模型一起成為煤層瓦斯運移規(guī)律研究中最基礎(chǔ)也最重要的問題，而煤與瓦斯突出模擬實驗又是煤與瓦斯突出防治研究中最重要的技術(shù)手段。因此，選擇重慶能源投資集團松藻煤電公司打通一礦8＃煤層、石壕礦8＃煤層以及平頂山煤業(yè)集團一礦戊8煤層和己15煤層所制煤樣作為

2、研究對象，以打通一礦8＃煤層和石壕礦8＃煤層為主，利用西南資源開發(fā)及環(huán)境災(zāi)害控制工程教育部重點實驗室(重慶大學(xué))的MTS815巖石力學(xué)試驗機、VEGAⅡ型自帶能譜掃描電鏡、自主研發(fā)的煤與瓦斯突出模擬試驗臺和煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院的HCA型高壓容量法瓦斯吸附實驗系統(tǒng)及含瓦斯煤三軸滲透實驗系統(tǒng)等設(shè)備對煤層瓦斯運移規(guī)律及煤與瓦斯突出模擬實驗進行了系統(tǒng)研究，并結(jié)合巖石力學(xué)和滲流理論從理論層面開展了一些有益的探討，通過以上系統(tǒng)研究，在以下方面

3、取得了一些結(jié)論或進展：
　　 1)根據(jù)滲透率實驗和煤樣掃描電鏡及其表面孔隙分形特征研究，發(fā)現(xiàn)煤滲透率與其分形維數(shù)和孔隙發(fā)育程度成正相關(guān)關(guān)系，與其密度成反相關(guān)關(guān)系。
　　 2)提出了含瓦斯煤在外應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力共同作用下存在結(jié)構(gòu)變形和本體變形兩種變形機制，建立了壓縮條件下(擴容前)的含瓦斯煤孔隙率動態(tài)演化模型和吸附熱力學(xué)參數(shù)表達的有效應(yīng)力方程，經(jīng)現(xiàn)場和已有實驗資料驗證，運用該模型預(yù)測未采區(qū)域含瓦斯煤孔隙發(fā)育程度和應(yīng)力狀態(tài)的誤差

4、相對較小。
　　 3)基于含瓦斯煤三軸滲透率實驗，分析了有效應(yīng)力、溫度和瓦斯壓力對其滲透率的作用規(guī)律，系統(tǒng)探討了有效應(yīng)力、溫度和瓦斯壓力分別對滲透率的影響機理，建立了壓縮條件下(擴容前)煤滲透率動態(tài)演化模型，經(jīng)滲透率實驗驗證，該模型預(yù)測煤滲透率精度較高，對提高瓦斯抽放效果具有理論指導(dǎo)意義。
　　 4)自主研發(fā)了“煤與瓦斯突出模擬試驗臺”，該試驗臺彌補了國內(nèi)現(xiàn)有突出實驗裝置存在的不足，在結(jié)合相似理論探討該試驗臺的模擬能力的

5、基礎(chǔ)上，進行了不同瓦斯壓力、不同突出口徑及不同煤粉粒徑配比等條件下的煤與瓦斯突出模擬實驗，依據(jù)所開展的11次煤與瓦斯突出模擬實驗結(jié)果分析了煤與瓦斯突出過程中煤體溫度、突出強度、孔洞形態(tài)和突出煤樣粉碎性以及煤粉粒級分布的變化規(guī)律。
　　 5)在起紐帶作用的物性參數(shù)耦合方程研究基礎(chǔ)上，建立了體現(xiàn)熱流固三場完全耦合的含瓦斯煤THM耦合模型，經(jīng)二次開發(fā)將耦合模型嵌入多物理場耦合分析軟件進行數(shù)值計算，經(jīng)已有解析解的一維瓦斯?jié)B流算例和煤與瓦