多尺度裂隙煤體氣固耦合行為及機制研究.pdf

1、深部煤炭開采進入“高應(yīng)力、高瓦斯、強吸附、低滲透”的地質(zhì)環(huán)境，煤與瓦斯共采難度增加，固-氣耦合動力災(zāi)害嚴重，災(zāi)變因素眾多且動態(tài)耦合，致災(zāi)機制復(fù)雜多變。本文基于煤體多尺度結(jié)構(gòu)特征和時空變異性，采用實驗室實驗、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)值計算程序，并進行了現(xiàn)場驗證。
　　開展了煤的壓汞實驗和液氮吸附實驗，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)律對煤體的孔隙/裂隙結(jié)構(gòu)進行了定量化研究，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。
　　實驗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

3、散具有尺度特性。從微、細和宏觀角度揭示了煤粒瓦斯放散的動力學(xué)機制，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驗和吸附侵蝕實驗。結(jié)果表明，煤吸附瓦斯后改變了煤體基本力學(xué)參數(shù)。基于Mohr-Columb準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，并進行了數(shù)值檢驗。
　　構(gòu)建了真三軸煤與瓦斯耦合損傷滲流實驗系統(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驗、等效圍壓滲流實驗和真三軸加卸載滲流實驗。研究了裂隙損傷演化和滲流場時空變異性的耦合關(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驗，研究揭示了煤體裂隙損傷演化過程中的滲流機制。結(jié)果表明，基質(zhì)孔隙通常表現(xiàn)為存在啟動壓力的非線性達西滲流，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)值計算程序，并開展了急傾斜煤層下保護層開采數(shù)值模擬與工程實踐，并和傳統(tǒng)數(shù)值模型進行了對比分析。研究表明，相比于傳統(tǒng)模型，MSFM模型能有效模擬：1）保護層開采、鉆孔瓦斯抽采等擾動過程中的力學(xué)滲流耦合行為；2）煤層