受载含瓦斯煤体流—固耦合模型及其应用研究

发布时间：2018-03-07 21:15

本文选题：含瓦斯煤岩　切入点：模拟实验　出处：《河南理工大学》2014年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：煤是物理力学性质非常复杂的介质,瓦斯在煤体内的流动是流-固耦合作用下的瓦斯运移,煤与瓦斯突出亦是流-固耦合作用下煤体失稳破坏的现象,分析煤体变形与瓦斯运移之间的关系、研究耦合运动的基本规律,探索系统的运动稳定性和结构稳定性,对于进一步认识受载含瓦斯煤体的突出机理,并正确的采取防治技术路径具有重要的理论意义和工程实用价值。渗透率作为表征瓦斯在煤体中流动难易程度的指标和受载含瓦斯煤体流-固耦合模型一起构成煤体内瓦斯运移规律研究中最基础也最重要的内容,为此,选择典型矿井的煤样作为研究对象,基于渗流力学、弹塑性理论、流体力学及模糊数学理论等,利用煤岩瓦斯流-固耦合渗流实验平台、大型煤岩瓦斯复合动力灾害模拟实验系统对受载煤体内的瓦斯运移规律进行了系统研究,取得了如下成果:(1)利用煤岩瓦斯流-固耦合渗流实验平台,研究了围压、瓦斯压力、有效应力及含水率对煤渗透性能的影响,对实验数据回归分析,得出了有效应力、瓦斯压力、围压及含水率对原煤试样瓦斯渗透率的影响规律;从最小二乘法原理出发,分别得出了各影响因素与渗透率的函数关系,引入耦合因子的概念,提出了根据模糊互补判断矩阵确定耦合因子的方法,建立了煤岩瓦斯渗透率与各个影响因素间的综合表达式,并将其用于修正瓦斯运移控制方程中的渗透率k。(2)分析了含瓦斯煤岩的孔隙、裂隙结构特性;依据受力平衡原理和孔隙率的基本定义,在考虑煤岩吸附瓦斯变形和孔隙气体压力压缩煤岩骨架变形的情况下,给出了孔隙率动态演化方程;基于孔隙率的研究成果,在考虑吸附膨胀应力p?与孔隙压力对煤岩骨架的压缩应力f?的基础上,导出了受载含瓦斯煤体总应力表达式。(3)修正了含瓦斯煤岩流-固耦合本构方程,其中考虑煤岩变形由煤岩骨架吸附瓦斯膨胀引起的应变、游离瓦斯压缩煤岩骨架引起的应变、外部载荷作用产生的应变所组成;进而基于平衡微分方程、变形协调方程及物理方程建立了考虑吸附膨胀应力和孔隙瓦斯压力的以位移表示的含瓦斯煤岩变形场方程;联立推导的瓦斯运移控制方程、含瓦斯煤岩变形场方程,以瓦斯压力和有效应力为传递控制参量建立受载含瓦斯煤体流-固耦合模型;并给出了该流-固耦合模型的应力场与渗流场边界条件。(4)利用大型煤岩瓦斯复合动力灾害模拟实验系统,进行受载含瓦斯煤体内瓦斯运移规律及流-固耦合模型的物理模拟实验验证,监测突出发生前大型受载含瓦斯煤体内的瓦斯压力变化规律;以该物理模拟实验为背景建立数值计算模型,将建立的流-固耦合模型嵌入到数值计算模型,采用COMSOL-Multiphysic多物理场耦合数值模拟软件解算监测点处的瓦斯压力变化规律;从物理实验与数值计算两个方面对所建流-固耦合模型的正确性进行对比分析验证。(5)以河南能源化工集团某矿的22011工作面为例,在现有水力冲孔防突措施实施之后出现的应力集中、瓦斯校检指标超限的工程问题,建立了符合该工程实际情况的三维数值计算模型,将受载含瓦斯煤体流-固耦合模型嵌入到该三维几何模型中,模拟计算出该矿水力冲孔有效影响半径与出煤量的定量关系,用此数值模拟结果指导现场水力冲孔布孔方案的优化设计,验证了基于该数值模拟结果所设计的水力冲孔方案的实施效果,解决了矿方以前水力冲孔过后留有空白带、瓦斯预测指标超限的问题,从而也间接验证和完善了本文所推导理论模型的合理性。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：河南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TD712

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