低頻機械振動含瓦斯煤耦合場滲流特性研究.pdf

1、論文題目：低頻機械振動含瓦斯煤耦合場滲流特性研究專業(yè)：安全技術及工程博士生：趙勇（簽名）指導教師：李樹剛（簽名）摘要掘進過程中煤體瓦斯?jié)B流受到機械掘進、鉆探等動態(tài)低頻機械振動載荷影響，研究低頻機械振動影響煤體瓦斯?jié)B流特性，對于認識掘進煤體瓦斯運移，煤與瓦斯突出機理等都具有重要意義。為研究低頻機械振動載荷對煤體瓦斯?jié)B流的影響，本文對低頻機械振動作用下煤體孔隙率、應力應變、瓦斯含量、滲透率進行理論分析，建立了低頻機械振動含瓦斯煤體應力滲流耦

2、合數(shù)學模型，并以山西某突出礦井的四采區(qū)405掘進工作面為工程背景，分析數(shù)學模型嵌入Comsol軟件所建立的數(shù)值模型中各個參量變化。首先，理論分析低頻機械振動影響煤體骨架應變及體積壓縮變化，得到振動煤體骨架應變表達式、振動頻率、振動時間與煤體體積關系表達式，建立振動含瓦斯煤體孔隙率變化方程并進行試驗檢驗。在此基礎上，分析煤體內(nèi)部骨架有效應力，得到振動煤體有效應力關系表達式，利用應力應變本構關系，建立振動含瓦斯煤體體積應變方程，并借助試驗檢

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

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

5、附膨脹及振動擠壓對煤體應變的影響，建立低頻機械振動作用下含瓦斯煤體滲透率表達式。應用滲透率表達式及瓦斯含量方程，依據(jù)滲流過程瓦斯質量守恒，得到低頻機械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