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(dòng)是流固耦合作用下的瓦斯流動(dòng)，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(biāo)志瓦斯在煤層中流動(dòng)難易程度的指標(biāo)和煤層瓦斯熱-流-固耦合模型一起成為煤層瓦斯運(yùn)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(shí)驗(yàn)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(tuán)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(tuán)一礦戊8煤層和己15煤層所制煤樣作為

2、研究對(duì)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué))的MTS815巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)、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(yàn)臺(tái)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及含瓦斯煤三軸滲透實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等設(shè)備對(duì)煤層瓦斯運(yùn)移規(guī)律及煤與瓦斯突出模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)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(jìn)展：
　　 1)根據(jù)滲透率實(shí)驗(yàn)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(jī)制，建立了壓縮條件下(擴(kuò)容前)的含瓦斯煤孔隙率動(dòng)態(tài)演化模型和吸附熱力學(xué)參數(shù)表達(dá)的有效應(yīng)力方程，經(jīng)現(xiàn)場和已有實(shí)驗(yàn)資料驗(yàn)證，運(yùn)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(duì)較小。
　　 3)基于含瓦斯煤三軸滲透率實(shí)驗(yàn)，分析了有效應(yīng)力、溫度和瓦斯壓力對(duì)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(duì)滲透率的影響機(jī)理，建立了壓縮條件下(擴(kuò)容前)煤滲透率動(dòng)態(tài)演化模型，經(jīng)滲透率實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該模型預(yù)測煤滲透率精度較高，對(duì)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(yàn)臺(tái)”，該試驗(yàn)臺(tái)彌補(bǔ)了國內(nèi)現(xiàn)有突出實(shí)驗(yàn)裝置存在的不足，在結(jié)合相似理論探討該試驗(yàn)臺(tái)的模擬能力的

5、基礎(chǔ)上，進(jìn)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(shí)驗(yàn)，依據(jù)所開展的11次煤與瓦斯突出模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析了煤與瓦斯突出過程中煤體溫度、突出強(qiáng)度、孔洞形態(tài)和突出煤樣粉碎性以及煤粉粒級(jí)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(jìn)行數(shù)值計(jì)算，經(jīng)已有解析解的一維瓦斯?jié)B流算例和煤與瓦