采动煤岩体损伤演化与瓦斯渗流耦合作用分析

发布时间：2017-09-02 03:00

  本文关键词：采动煤岩体损伤演化与瓦斯渗流耦合作用分析

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【摘要】：由于钻孔或煤层开挖扰动影响，周围煤岩体经历了从原始未扰动状态到产生损伤、裂隙扩展直至煤体破碎几个阶段，煤体的结构属性、力学行为和渗流特征都发生了本质性变化，煤体不可单纯的看做某一特定介质，其介质属性与煤岩体损伤大小直接相关。 本文基于岩体损伤力学、渗流力学等相关理论，针对煤岩体损伤破坏特征，引入了以应变为内变量的损伤变量，推导了相应的弹性损伤本构方程，并基于有效应力原理，推导了气固耦合作用下损伤煤岩体变形控制方程。另根据煤岩体损伤度的大小确定煤体中瓦斯运移的基本形态，即扩散运动、渗流运动、扩散渗流耦合运动，建立了气固耦合作用下损伤煤岩体瓦斯渗流控制方程，定义了与损伤变量相关的气固耦合变量。在此理论基础上，论文推导了可计算煤岩体损伤和瓦斯流动的有限元基本方程，，并利用FORTRAN语言完成了相应的损伤煤岩体气固耦合作用分析有限元程序开发。本文利用此程序对三个工程算例进行了数值计算，主要内容及结论如下： （1）对钻孔瓦斯抽放过程进行了数值模拟。计算结果表明：随着瓦斯抽采时间的增加，煤层渗透率逐渐增大，瓦斯逐步向钻孔流出，瓦斯抽采有效半径逐渐增加。 （2）利用开发的有限元程序，对单一煤层开采过程进行了分析。结果表明：随工作面从20m推进到100m，工作面前方煤体损伤范围也由4.3m增加到33.5m，损伤区内渗透率最大可增加2-3个量级；随工作面的推进，瓦斯流动影响范围逐渐增大，工作面前方的瓦斯压力及其梯度逐渐减小。 （3）利用开发的有限元程序，计算分析了乌兰煤矿双保护层条件下被保护层损伤场及渗流场的分布及演化规律。计算结果表明：保护层开采后，采空区下部岩层出现膨胀裂隙，顶板岩层、被保护层出现张拉裂隙，产生较大损伤，煤岩体渗透率显著增大，被保护层瓦斯卸压效果明显，瓦斯逐步由煤层流进岩层，有利于岩层内对瓦斯进行抽采。 总的计算结果表明，本文建立的损伤分区气固耦合理论与实际工程更加相符。
【关键词】：损伤 气固耦合 渗透率 有限元
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TD712
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-15
• 变量注释表15-16
• 1 绪论16-26
• 1.1 研究背景及意义16-17
• 1.2 国内外研究现状17-24
• 1.3 研究内容与方法24-25
• 1.4 研究的技术路线25-26
• 2 含瓦斯损伤煤岩体变形与瓦斯流动气固耦合控制方程26-42
• 2.1 引言26
• 2.2 含瓦斯损伤煤岩体变形场控制方程26-30
• 2.3 含瓦斯损伤煤岩体瓦斯运移规律30-35
• 2.4 气固耦合模型的数值解法35-39
• 2.5 气固耦合作用下损伤煤岩体渗流规律分析有限元程序的开发39
• 2.6 本章小结39-42
• 3 单一煤层采动过程中损伤演化特征及瓦斯流动规律分析42-53
• 3.1 引言42
• 3.2 模型的建立42-45
• 3.3 计算结果及分析45-52
• 3.4 本章小结52-53
• 4 钻孔抽采瓦斯气固耦合分析53-62
• 4.1 引言53
• 4.2 计算模型及参数53-55
• 4.3 计算结果及分析55-61
• 4.4 本章小结61-62
• 5 保护层开采过程中瓦斯流动规律分析62-73
• 5.1 引言62
• 5.2 模型概况62-64
• 5.3 计算结果及分析64-72
• 5.4 本章小结72-73
• 6 结论与展望73-75
• 6.1 结论73-74
• 6.2 展望74-75
• 参考文献75-81
• 作者简历81-83
• 学位论文数据集83

【参考文献】

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本文编号：775957