基于含水率的固—气耦合模型构建及裂隙瓦斯流动规律研究
发布时间：2022-08-13 13:11
我国是一个经济大国,也是一个能源消费大国,对煤炭资源依存度较高。我国煤炭资源和煤层气资源储量极为丰富,但瓦斯灾害已经成为影响煤矿安全生产最严重的因素之一。因此,煤矿瓦斯抽采和利用将有利于消除瓦斯灾害、安全生产、缓解能源短缺局面,也可以减少温室气体的排放。煤体瓦斯流动规律是研究瓦斯高效抽采和利用的根本,因此,本文以固-气耦合下的瓦斯流动规律为研究主线,以松藻煤矿突出煤层为研究对象,以煤体微观结构为研究基础,以理论建模、试验分析、数值分析为研究手段,利用先进的ESEM分析了水分对煤体微观孔隙结构的影响,并基于孔隙率数学模型,发展了考虑含水率的渗透率模型;讨论了液体润湿性对瓦斯流动影响,进而实验分析了不同改造液对煤体润湿特性以及对煤体表面形貌特征的影响;基于上述研究以及水分对吸附变形影响的实验研究,构建了考虑含水率的固-气耦合模型,并用实验数据进行验证;基于数值分析获得的被保护层应力演化规律,实验分析了循环加卸载轴压和围压条件下瓦斯流动规律;基于随机裂隙网络,构建了含裂隙和基质的双孔-双渗模型,并基于此分析了固-气耦合裂隙网络的瓦斯流动规律。基于以上一系列的研究和分析,获得了以下几方面的结论...
【文章页数】：205 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
中文摘要
英文摘要
1 绪论
1.1 选题背景及研究意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 固-气耦合模型研究
1.2.2 水赋存状态研究
1.2.3 水分对瓦斯流动影响的研究
1.2.4 煤体损伤破坏研究
1.2.5 采动应力演化及裂隙瓦斯流动研究现状
1.3 研究目的、内容、技术路线
1.3.1 研究目的
1.3.2 研究内容
1.3.3 技术路线
2 微细观结构及力学性质
2.1 引言
2.2 试件制备
2.2.1 煤样简介
2.2.2 煤样制备
2.3 煤体微细观结构类型
2.3.1 煤体孔隙结构
2.3.2 煤体裂隙结构特征
2.4 煤体显微结构
2.4.1 煤孔隙表面特征
2.4.2 煤裂隙表面特征
2.4.3 能谱分析（X-ray EDX）
2.5 矿物组分分析
2.6 孔隙特征分析
2.6.1 低温液氮吸附法
2.6.2 NMR特征
2.7 煤岩体应力-裂纹体积应变规律
2.8 本章小结
3 水赋存状态及其对煤孔隙渗透率的影响
3.1 引言
3.2 煤孔隙中水分的赋存状态
3.2.1 基于压汞法的孔隙特征
3.2.2 孔隙表面特征
3.2.3 水分的赋存状态及其演化过程
3.3 水分对渗流影响模型
3.3.1 水分对孔隙率的影响
3.3.2 流体流动规律
3.3.3 渗透率模型
3.3.4 基于含水率的渗透率模型
3.4 液体润湿作用的研究
3.4.1 润湿高度和润湿角度模型
3.4.2 润湿性实验研究
3.5 不同润湿液与煤的润湿特征
3.5.1 不同润湿液接触角变化规律
3.5.2 改造液浸泡作用下润湿性的变化规律
3.5.3 改造液浸泡作用下界面形貌变化
3.6 本章小结
4 含水煤体固-气耦合模型构建及验证
4.1 引言
4.2 水分对煤吸附的影响
4.2.1 水分对吸附量的影响
4.2.2 水分对吸附变形的影响
4.2.3 水分对吸附作用的影响
4.3 水分对瓦斯渗流的影响
4.3.1 实验过程以及测试方案
4.3.2 水分对渗流速度的影响
4.3.3 水分对渗透率的影响
4.4 固-气耦合模型构建
4.4.1 耦合变量
4.4.2 固体变形控制方程
4.4.3 流体运移控制方程
4.5 基于含水率固-气耦合模型的数值模拟分析
4.5.1 含水率对吸附和孔隙率的影响
4.5.2 耦合作用对流动的影响
4.5.3 水分对渗透率的影响
4.6 本章小结
5 采场应力演化规律及其对瓦斯流动的影响
5.1 引言
5.2 数值模型
5.3 三维采场应力分布规律
5.3.1 煤层与顶板应力分布规律
5.3.2 模型倾向和走向应力演化规律
5.4 K_3~b煤体应力时步演化规律
5.4.1 K_2~b煤层开采时K_3~b煤体应力时步演化规律
5.4.2 三层煤开采时K_3~b煤体应力时步演化规律
5.5 煤体应力-应变损伤规律和渗流变化规律
5.5.1 全应力-应变渗流特征与声发射特征
5.5.2 声发射损伤模型
5.6 损伤煤体变形渗流规律
5.6.1 峰后围压循环加卸载瓦斯流动规律
5.6.2 峰后轴压循环加卸载瓦斯流动规律
5.6.3 峰后逐级增围压、轴压循环加卸载瓦斯流动规律
5.6.4 损伤煤体裂隙形态
5.7 本章小结
6 裂隙网络的构建及裂隙场瓦斯抽采
6.1 引言
6.2 Monte-Carlo随机原理
6.3 裂隙网络的构建
6.3.1 不同几何参数的裂隙网络
6.3.2 不同分布函数的裂隙网络
6.3.3 不同裂隙组合的裂隙网络
6.4 裂隙网络瓦斯抽采
6.4.1 煤层裂隙网络的构建
6.4.2 固-气耦合抽采模型
6.4.3 耦合的影响
6.4.4 含水率对瓦斯抽采的影响
6.4.5 抽采时间效应的影响
6.5 本章小结
7 结论及展望
7.1 主要结论
7.2 主要创新点
7.3 研究展望
致谢
参考文献
附录
A. 作者攻读博士学位期间发表的论文
B. 作者攻读博士学位期间申请的专利
C. 作者攻读博士学位期间参加的科研项目
D. 作者攻读博士学位期间获得的奖励
本文编号：3677096
【文章页数】：205 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
中文摘要
英文摘要
1 绪论
1.1 选题背景及研究意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 固-气耦合模型研究
1.2.2 水赋存状态研究
1.2.3 水分对瓦斯流动影响的研究
1.2.4 煤体损伤破坏研究
1.2.5 采动应力演化及裂隙瓦斯流动研究现状
1.3 研究目的、内容、技术路线
1.3.1 研究目的
1.3.2 研究内容
1.3.3 技术路线
2 微细观结构及力学性质
2.1 引言
2.2 试件制备
2.2.1 煤样简介
2.2.2 煤样制备
2.3 煤体微细观结构类型
2.3.1 煤体孔隙结构
2.3.2 煤体裂隙结构特征
2.4 煤体显微结构
2.4.1 煤孔隙表面特征
2.4.2 煤裂隙表面特征
2.4.3 能谱分析（X-ray EDX）
2.5 矿物组分分析
2.6 孔隙特征分析
2.6.1 低温液氮吸附法
2.6.2 NMR特征
2.7 煤岩体应力-裂纹体积应变规律
2.8 本章小结
3 水赋存状态及其对煤孔隙渗透率的影响
3.1 引言
3.2 煤孔隙中水分的赋存状态
3.2.1 基于压汞法的孔隙特征
3.2.2 孔隙表面特征
3.2.3 水分的赋存状态及其演化过程
3.3 水分对渗流影响模型
3.3.1 水分对孔隙率的影响
3.3.2 流体流动规律
3.3.3 渗透率模型
3.3.4 基于含水率的渗透率模型
3.4 液体润湿作用的研究
3.4.1 润湿高度和润湿角度模型
3.4.2 润湿性实验研究
3.5 不同润湿液与煤的润湿特征
3.5.1 不同润湿液接触角变化规律
3.5.2 改造液浸泡作用下润湿性的变化规律
3.5.3 改造液浸泡作用下界面形貌变化
3.6 本章小结
4 含水煤体固-气耦合模型构建及验证
4.1 引言
4.2 水分对煤吸附的影响
4.2.1 水分对吸附量的影响
4.2.2 水分对吸附变形的影响
4.2.3 水分对吸附作用的影响
4.3 水分对瓦斯渗流的影响
4.3.1 实验过程以及测试方案
4.3.2 水分对渗流速度的影响
4.3.3 水分对渗透率的影响
4.4 固-气耦合模型构建
4.4.1 耦合变量
4.4.2 固体变形控制方程
4.4.3 流体运移控制方程
4.5 基于含水率固-气耦合模型的数值模拟分析
4.5.1 含水率对吸附和孔隙率的影响
4.5.2 耦合作用对流动的影响
4.5.3 水分对渗透率的影响
4.6 本章小结
5 采场应力演化规律及其对瓦斯流动的影响
5.1 引言
5.2 数值模型
5.3 三维采场应力分布规律
5.3.1 煤层与顶板应力分布规律
5.3.2 模型倾向和走向应力演化规律
5.4 K_3~b煤体应力时步演化规律
5.4.1 K_2~b煤层开采时K_3~b煤体应力时步演化规律
5.4.2 三层煤开采时K_3~b煤体应力时步演化规律
5.5 煤体应力-应变损伤规律和渗流变化规律
5.5.1 全应力-应变渗流特征与声发射特征
5.5.2 声发射损伤模型
5.6 损伤煤体变形渗流规律
5.6.1 峰后围压循环加卸载瓦斯流动规律
5.6.2 峰后轴压循环加卸载瓦斯流动规律
5.6.3 峰后逐级增围压、轴压循环加卸载瓦斯流动规律
5.6.4 损伤煤体裂隙形态
5.7 本章小结
6 裂隙网络的构建及裂隙场瓦斯抽采
6.1 引言
6.2 Monte-Carlo随机原理
6.3 裂隙网络的构建
6.3.1 不同几何参数的裂隙网络
6.3.2 不同分布函数的裂隙网络
6.3.3 不同裂隙组合的裂隙网络
6.4 裂隙网络瓦斯抽采
6.4.1 煤层裂隙网络的构建
6.4.2 固-气耦合抽采模型
6.4.3 耦合的影响
6.4.4 含水率对瓦斯抽采的影响
6.4.5 抽采时间效应的影响
6.5 本章小结
7 结论及展望
7.1 主要结论
7.2 主要创新点
7.3 研究展望
致谢
参考文献
附录
A. 作者攻读博士学位期间发表的论文
B. 作者攻读博士学位期间申请的专利
C. 作者攻读博士学位期间参加的科研项目
D. 作者攻读博士学位期间获得的奖励
本文编号：3677096
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