多尺度裂隙煤體氣固耦合行為及機(jī)制研究.pdf

1、深部煤炭開采進(jìn)入“高應(yīng)力、高瓦斯、強(qiáng)吸附、低滲透”的地質(zhì)環(huán)境，煤與瓦斯共采難度增加，固-氣耦合動(dòng)力災(zāi)害嚴(yán)重，災(zāi)變因素眾多且動(dòng)態(tài)耦合，致災(zāi)機(jī)制復(fù)雜多變。本文基于煤體多尺度結(jié)構(gòu)特征和時(shí)空變異性，采用實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，從煤體基巖與裂隙交互作用、含瓦斯煤多相耦合孔隙介質(zhì)力學(xué)特性和含瓦斯煤裂隙損傷滲流耦合行為三個(gè)方面，系統(tǒng)研究并揭示了多尺度裂隙煤體氣固耦合行為及機(jī)制；建立了多尺度裂隙煤體氣固耦合數(shù)學(xué)物理模型（MSFM），

2、基于Comsol Multiphysics模擬軟件和Matlab軟件開發(fā)了適用于大尺度非均質(zhì)煤層與瓦斯耦合分析的應(yīng)力損傷滲流數(shù)值計(jì)算程序，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。
　　開展了煤的壓汞實(shí)驗(yàn)和液氮吸附實(shí)驗(yàn)，研究并揭示了煤體的多尺度結(jié)構(gòu)特征，并采用多重分形規(guī)律對(duì)煤體的孔隙/裂隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了定量化研究，奠定了煤與瓦斯固氣耦合數(shù)學(xué)物理模型的物理構(gòu)架和尺度邊界。
　　實(shí)驗(yàn)研究了不同尺度煤粒的瓦斯吸附解吸與放散規(guī)律。結(jié)果表明，煤粒瓦斯吸附解吸和擴(kuò)

3、散具有尺度特性。從微、細(xì)和宏觀角度揭示了煤粒瓦斯放散的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，建立了適用于大尺度塊煤的瓦斯放散數(shù)值模型，為煤體基巖與裂隙交互作用中源匯項(xiàng)的數(shù)值模擬奠定了理論基礎(chǔ)。
　　開展了含瓦斯煤體單軸壓縮實(shí)驗(yàn)和吸附侵蝕實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，煤吸附瓦斯后改變了煤體基本力學(xué)參數(shù)?；贛ohr-Columb準(zhǔn)則將吸附瓦斯的非力學(xué)作用定量化。根據(jù)斷裂力學(xué)和細(xì)觀損傷力學(xué)，考慮吸附瓦斯的力學(xué)和非力學(xué)作用，建立了含瓦斯煤體各向異性有效應(yīng)力和雙重孔隙損傷本構(gòu)方

4、程，并進(jìn)行了數(shù)值檢驗(yàn)。
　　構(gòu)建了真三軸煤與瓦斯耦合損傷滲流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，模擬深部巖體應(yīng)力環(huán)境，開展了煤體限定圍壓滲流實(shí)驗(yàn)、等效圍壓滲流實(shí)驗(yàn)和真三軸加卸載滲流實(shí)驗(yàn)。研究了裂隙損傷演化和滲流場(chǎng)時(shí)空變異性的耦合關(guān)系，并建立了基質(zhì)孔隙和裂隙系統(tǒng)應(yīng)力損傷滲流耦合方程；開展了不同壓力梯度的氦氣滲流實(shí)驗(yàn)，研究揭示了煤體裂隙損傷演化過程中的滲流機(jī)制。結(jié)果表明，基質(zhì)孔隙通常表現(xiàn)為存在啟動(dòng)壓力的非線性達(dá)西滲流，而裂隙則在低壓段表現(xiàn)出明顯的Klinken

5、berg效應(yīng)，并在高壓力梯度階段表現(xiàn)出冪律滲流規(guī)律。
　　在上述研究的基礎(chǔ)上，建立了多尺度裂隙煤體氣固耦合數(shù)學(xué)物理模型（MSFM），基于Comsol Multiphysics軟件，開發(fā)了適用于大尺度煤層的應(yīng)力損傷滲流耦合數(shù)值計(jì)算程序，并開展了急傾斜煤層下保護(hù)層開采數(shù)值模擬與工程實(shí)踐，并和傳統(tǒng)數(shù)值模型進(jìn)行了對(duì)比分析。研究表明，相比于傳統(tǒng)模型，MSFM模型能有效模擬：1）保護(hù)層開采、鉆孔瓦斯抽采等擾動(dòng)過程中的力學(xué)滲流耦合行為；2）煤層