含瓦斯煤体损伤破坏特征及瓦斯运移规律研究

发布时间：2020-10-10 05:30

　　通过实验研究、理论分析、数值模拟并结合现场实践的方法，进行了含瓦斯煤体损伤破坏特征及瓦斯运移规律研究。首先利用压汞和扫描电镜等手段研究不同煤阶煤样孔隙结构特征，并结合等温吸附试验分析了瓦斯气体在不同煤阶储层中的赋存状态，确定了瓦斯含量计算方法；然后在气固耦合作用下完成了两种含瓦斯煤的力学特性、吸附膨胀及全应力应变过程的渗流演化实验，建立了简单煤基质裂隙系统模型，确定煤基质在平衡、低压以及超压等三种状态时变形特征，并推导出孔隙率和渗透率公式；在全应力应变原煤煤样失稳破坏过程，完成渗流及声发射参数同步监测，阐述了含瓦斯煤岩体声发射发生机理并推导了含瓦斯煤介质损伤方程，基于煤岩破裂过程中声发射特性及时空演化机制掌握了含瓦斯煤岩损伤变形规律，构建了含瓦斯煤统计损伤本构模型；建立了气-固-损伤耦合模型并植入多物理场耦合分析软件中，研究埋深和瓦斯压力对深部煤层的瓦斯运移影响规律。
【学位单位】：中国矿业大学（北京）
【学位级别】：博士
【学位年份】：2013
【中图分类】：TD712
【部分图文】：

动力灾害,深部煤

1 绪论1 绪论1.1 选题的背景及意义1.1.1 煤岩动力灾害危险源煤炭是我国的基础能源，但煤炭资源赋存条件较差，90%以上的煤炭产量自于地下开采，煤矿瓦斯、水、火、粉尘等灾害形成因素多，致灾机理复杂，得矿山安全生产形式异常严峻。煤岩动力灾害（例如煤与瓦斯突出、冲击地压瓦斯爆炸、顶板事故、突出等）特别是冲击地压和煤与瓦斯突出事故会严重地坏生产系统，引起人员伤亡，造成巨大的经济损失，严重制约着煤矿安全高效产，如图 1-1 所示。

曲线,吸附等温线

图 1-2 Bruhauer 的五种吸附等温线Fig.1-2 Bruharer’s five different types of isothermal adsorption curvesⅡ BET 模型：该模型是基于在单分子层吸附理论的基础上所提出的多附理论，在利用气体吸附法测定煤的比表面积时常常使用。Ⅲ Freundlich 模型：是研究多孔介质吸附气体的一个经验模型，同时体和气体。对于煤介质的吸附性能研究者们主要开展了以下几个方面的研究工作吴俊等人[15]的研究结果则表明，煤的气体吸附容量与煤挥发分的关系线，并在 Vdaf = 23%~28%之间有一极小值，这一现象与煤的比表面积。有学者[16-18]研究煤介质在平衡水条件下的吸附及演化规律，发现 La仅在0,maxR 大约为 4.5%附近达到最大值，呈现两段式演化模型。同时muir 体积极大值位置滞后于煤化作用阶跃期。Ettinger[19]通过研究发现质组煤的吸附能量在中级煤范围内高于富镜质组煤，而在高变质程度煤成分吸附能力相同。梁冰[20]基于实验研究了温度和瓦斯压力对煤的瓦斯的影响规律，得出随温度和瓦斯压力发生变化时煤的瓦斯吸附曲线以及变化规律；刘保县等[21]研究了地球物理场对煤吸附瓦斯特性的影响，重

砂质泥岩,泥岩,煤样,煤层底板

2 含瓦斯煤层孔隙结构特征及瓦斯赋存规律煤是一种由孔隙和裂隙组成的双重裂隙结构多孔介质。煤的双重孔隙结构是由煤基质中多种尺度的微小孔隙和裂隙组成，前者是瓦斯主要储集空间，而后者则主要是瓦斯的渗流通道。煤基质中的孔隙和裂隙形态、结构以及孔径分布等特征不仅直接决定着煤层瓦斯的吸附-解析、扩散及渗流特性，煤吸附瓦斯能力的强弱是划定煤层是否具有煤岩动力灾害的重要参考依据。因此，本章围绕透射电镜、扫描电镜、压汞等实验，研究煤体的宏、细观结构特征；以煤对瓦斯的等温吸附试验为基础，分析瓦斯气体在煤储层中的赋存状态、吸附解吸规律。2.1 实验煤样成煤环境及工程背景2.1.1 煤样成煤环境实验所采用煤样主要采用了晋煤集团长畛矿3#煤层、峰峰集团羊东矿2#煤层、山西潞安集团余吾煤业3#煤层、开滦集团唐山矿9#煤、北京木城涧矿大台井3#煤层、忻州窑矿11#煤等样品，位置关系图见下图所示。

【参考文献】