煤田火區(qū)煤巖體裂隙滲流的熱-流-固多場耦合力學(xué)特性研究_.pdf

1、煤田火災(zāi)已成為全球性的災(zāi)難,我國煤田火區(qū)分布范圍廣、火災(zāi)程度嚴(yán)重,據(jù)初步調(diào)查,新疆、甘肅、青海、寧夏、陜西、山西、內(nèi)蒙古等七個產(chǎn)煤大省(自治區(qū))現(xiàn)共有200多個煤田火區(qū),火區(qū)總面積達(dá)720km2。露頭煤體經(jīng)自燃而發(fā)展為充分燃燒的火源,繼續(xù)往深部擴(kuò)展,形成大面積煤田火區(qū),這是一個復(fù)雜的多場耦合力學(xué)作用過程。本文圍繞煤田火區(qū)煤巖體裂隙場的形成及分布、氣體滲流的熱-流-固耦合力學(xué)角度開展研究,揭示煤田火區(qū)進(jìn)一步往深部擴(kuò)展的過程,主要研究內(nèi)容和

2、成果如下:
　　煤田火區(qū)發(fā)展和演化過程:煤田火區(qū)煤體由于煤氧復(fù)合作用產(chǎn)生熱效應(yīng),并具備蓄熱環(huán)境,當(dāng)溫度達(dá)到著火點后,煤體開始燃燒,燃燒中心在持續(xù)供氧的條件下,沿著煤層走向往深部擴(kuò)展,同時,高溫致使煤巖體形成熱破壞裂隙,燒過后的煤層形成燒空區(qū),引起上覆巖層垮落形成大范圍的裂隙場,在熱力風(fēng)壓的作用下,裂隙場為地表新鮮空氣向火區(qū)供氧提供了輸運通道,維持煤體的燃燒,同時又為燃燒中心釋放的氣體和熱量向大氣環(huán)境排放提供了暢通路徑,如此形成一個

3、循環(huán)的過程,解釋了煤田火區(qū)煤體燃燒中心進(jìn)一步往深部發(fā)展的規(guī)律。
　　采用μCT225FCB型高精度顯微CT掃描系統(tǒng),實驗研究了煤巖體的熱破壞裂隙擴(kuò)展及分布規(guī)律。在無煙煤試樣從常溫至600℃的升溫過程中,實驗結(jié)果表明:隨著溫度升高,煤樣從200℃時開始形成裂隙,并逐漸增多、加寬、擴(kuò)展,并得出無煙煤試樣的熱破裂閾值為300℃;而泥巖試樣從常溫至600℃熱處理后基本上沒有形成明顯的裂隙,其外觀表現(xiàn)為顏色變淺,形狀變得不規(guī)則。
　　

4、建立了煤田火區(qū)煤巖體破壞的熱-固耦合數(shù)學(xué)模型,基于泛函分析理論,將現(xiàn)有的有限元模型從二維擴(kuò)展至三維,得到了三維環(huán)境下的控制方程。采用數(shù)值方法,研究了煤田火區(qū)煤巖體熱破裂隨溫度的變化關(guān)系。研究結(jié)果表明:隨著溫度升高,煤體、巖體、煤巖組合體的熱破裂率增大,在同樣的溫度值范圍內(nèi),煤體的熱破裂率大于巖體,煤巖組合體的熱破裂率表現(xiàn)出階段性變化,其主要出現(xiàn)在煤巖的交界面處。煤樣過300℃后發(fā)生熱解反應(yīng),在325℃時其熱破裂率達(dá)23.302%,而巖樣

5、在320℃時為12.992%,煤巖組合體在300℃時就達(dá)到12.6258%,并在交界面處發(fā)生熱破壞。
　　采用MTS815.02測試了煤樣、巖樣在單軸、三軸、溫度作用下的三軸全應(yīng)力應(yīng)變過程,得到了相應(yīng)的峰值應(yīng)力值、峰值軸向應(yīng)變值和峰值側(cè)向應(yīng)變值。分析顯示在圍壓的作用下,煤樣、巖樣的峰值應(yīng)力值有所增加,但在溫度作用產(chǎn)生的熱應(yīng)力影響下又有所降低。另外,還進(jìn)行了煤樣的全應(yīng)力應(yīng)變過程滲透特性測定,得出了Darcy流滲透率、非Darcy流滲

6、透率、非Darcy流β因子和加速度系數(shù)。結(jié)果表明實際流動與Darcy流差異大,非Darcy流的滲透率比Darcy流的滲透率低,壓力梯度較大,容易出現(xiàn)滲流失穩(wěn)。在煤田火區(qū)煤巖體中,燃燒中心往前推移,其附近煤巖體受到高溫?zé)釕?yīng)力和圍巖應(yīng)力的共同作用下,大多處于峰后應(yīng)力狀態(tài),而在煤巖體和燒空區(qū)之間形成較大的壓力梯度,由于煤體燒過后引起圍巖壓力加大,加之燃燒中心引起的較大的高溫?zé)釕?yīng)力,使其發(fā)生滲流失穩(wěn)的可能性增大。
　　建立了煤田火區(qū)煤巖體