工作面前方煤体变形破坏和渗透率演化及其应用研究

发布时间：2017-08-24 17:49

  本文关键词：工作面前方煤体变形破坏和渗透率演化及其应用研究

  更多相关文章： 煤体卸压 孔隙结构 基质收缩 弹塑性变形 渗透率演化 抽采钻孔

【摘要】：目前,厚煤层开采的主要方法为综放采煤法,高瓦斯矿井综放工作面普遍存在瓦斯涌出量偏大的现象,不仅制约着工作面的高效生产,还给采煤工作面带来危险。一方面是因为煤层软煤较发育,煤体渗透率较低,瓦斯抽采效率较低;另一方面因为工作面的开采强度大,工作面抽采工作不到位,比如煤层瓦斯预抽时间较短,边采边抽瓦斯抽采设计没有充分考虑卸压区煤体的瓦斯抽采。工作面前方卸压瓦斯抽采可以有效增加煤层开采过程中边采边抽的瓦斯抽采效果,所以加强工作面前方煤体的破坏变形和渗透率演化研究,对于工作面煤体瓦斯的卸压高效抽采设计和解决工作面瓦斯涌出异常有着重要的理论指导意义。本文以余吾煤业回采工作面为研究对象,选取不同破坏类型的煤样(原煤和型煤),基于岩石力学、弹塑性力学和渗流力学等理论,采用现场应力测试、工作面前方煤体变形三轴模拟试验、渗透率演化模型的建立和COMSOL数值模拟以及现场抽采工程应用的综合方法,分析了不同煤体结构特征和瓦斯吸附-解吸特征对煤体变形的影响,研究了工作面前方煤体的应力-应变-渗透率变化特征,得出工作面变形破坏机理和渗透率演化规律,本文主要研究如下:(1)煤体孔隙结构及瓦斯吸附解吸特征研究通过对比分析软煤和硬煤的挥发分、瓦斯含量、吸附常数(a、b值),可知软煤相对于硬煤具有孔隙较发育、变质程度稍高以及吸附性较强的特点,这是软煤的瓦斯含量高于硬煤的根本原因。采用压汞法分析了实验地点型煤和原煤的孔隙结构特征,型煤中中孔占比85.87%,而微孔和过渡孔所占14.13%,相应的原煤数据为8.29%和91.71%。原煤和型煤分形维数D原=2.69,D型=2.92,说明型煤的孔隙结构复杂程度大于原煤的;型煤的孔隙体积、孔隙度分别为原煤的6.24、6.89倍,型煤的渗透率为原煤的41倍,充分说明了型煤的孔隙较发育,有效渗流通道大于原煤,其渗透性远远强于原煤的。硬煤相比软煤较快达到解吸过程的稳定阶段(解吸量达到最终解吸量的80~90%),但是硬煤的稳定阶段持续时间很长,这是因为原煤中的微孔给瓦斯解吸和扩散造成障碍,延迟了瓦斯完全解吸所需时间。软煤吸附性较强,相对于硬煤具有较多的解吸量和较快的解吸速度,主要因为原煤孔隙结构以微孔和过渡孔为主,型煤孔隙结构以中孔为主,比表面积较大,此外,软煤在形成过程中经历了构造动力变质作用,致使其变质程度稍高于硬煤。通过试验研究发现原煤吸附-解吸变形过程依次为抽真空收缩阶段、充气压缩阶段、吸附膨胀阶段、卸压膨胀阶段、弹性恢复阶段和解吸收缩阶段;型煤只有抽真空收缩阶段、吸附膨胀阶段、解吸收缩阶段。这是因为型煤和原煤的孔隙-裂隙结构的不同,型煤煤体不存在煤体骨架应力,即不存在充气压缩变形和卸压弹性变形阶段。(2)原煤和型煤的常规三轴渗流实验研究原煤常规三轴渗流实验过程包括压密阶段,线弹性变形阶段,塑性屈服阶段,应力跌落阶段,残余破坏阶段,型煤的试验过程包括压密阶段,线弹性变形阶段,塑性屈服阶段,塑性软化阶段。在相同轴压和围压条件下,2种煤样渗透率都随着孔隙压力的变化呈现‖V‖字形变化,二者间呈现二次多项式的函数关系,这是由于煤体发生的吸附膨胀效应、克林伯格效应和基质收缩效应共同作用的结果。在固定轴压和孔隙压力条件下,煤样渗透率随与围压之间呈现指数函数关系。对比分析了型煤和原煤模拟试验的全应力应变曲线,原煤发生明显的宏观破坏,并且在破坏点处渗透率出现了激增,型煤沿轴向和径向应变明显大于原煤,但不存在明显的宏观破坏。通过对比分析孔隙压力对原煤和型煤的影响可知,原煤的发生克林伯格效应的临界压力为1.1MPa,型煤则为1.4MPa,说明除了加载应力和孔隙压力,煤样自身的孔隙裂隙结构在煤体渗流特性中也起着重要作用。(3)工作面前方煤体变形破坏模拟实验研究通过在N1102工作面展开钻孔应力测试和数值模拟而得出工作面原岩应力区的垂向应力为10.23MPa,应力集中系数为2.23,根据不同区域应力变化情况划分出缓慢增压区、应力集中区和常压区,并且给出了不同区域内的垂向应力和水平应力的理论公式,从而制定出精确的轴、围压加卸载方案,保证实验结果与现场应力的一致性。本文通过对原煤和型煤展开模拟试验,得出在原岩应力区原煤的非线性压密阶段和线弹性变形阶段区分很明显,而型煤在该区整体上呈现为非线性变形,这主要跟原煤和型煤的孔隙结构有关;在应力集中区型煤和原煤整体上都是逐渐由压缩变形转向膨胀变形,但原煤变形小于型煤变形;在卸压区,原煤和型煤具有本质区别,原煤发生了明显的宏观破坏,具有清晰的剪切裂纹,而型煤逐步进入蠕变阶段,慢慢呈现出剪胀性破坏,整体破坏并不明显。然后对比常规三轴渗流实验结果,发现了模拟试验中的煤体破坏比常规三轴更剧烈,能量更大,并且原煤的卸围压效应系数大于型煤的,型煤破坏能量小于原煤的,说明了软煤的始突能量值较低,故容易发生煤与瓦斯突出。基于煤体孔隙-裂隙等效力学模型,笔者提出了原煤煤体变形可分为基质变形、孔隙变形和表面裂隙变形,并考虑了瓦斯吸附解吸效应,推导出含瓦斯原煤煤体在弹性和塑性变形阶段的各向变形的本构方程;型煤煤体变形主要有基质变形和孔隙变形,考虑瓦斯吸附解吸效应,推导出含瓦斯型煤煤体在弹性和塑性变形阶段的各向变形的本构方程。(4)工作面前方煤体渗透率演化模型及数值模拟在工作面前方煤体变形模拟试验中,煤样变形是受本体有效应力、结构有效应力和损伤有效应力的综合作用的结果,但在模拟实验的不同阶段中占主导作用的有效应力有所不同,通过分析发现煤体渗透率与煤体所受等效有效应力存在一定的对应关系,即非线性压密和线弹性阶段有效应力系数趋于原始孔隙率ф,屈服和塑性软化阶段有效应力系数范围为(ф,фd),残余破坏阶段有效应力系数范围为(фd,фc)。考虑了煤体应力应变变形、孔隙压力压缩变形和瓦斯解吸收缩变形,分别推导出了工作面前方煤体孔隙率和渗透率的数学方程:应用Comsol软件对工作面前方煤体的应力分布、瓦斯压力分布和渗透率分布进行了分析,数值模拟的应力分布规律与现场钻孔应力测试结果基本一致,应力集中峰值基本在6.7m附近;瓦斯压力随着工作面距离增加而逐渐趋于原始瓦斯压力,并在应力集中区和卸压区的过渡区域发生骤降,产生较大的瓦斯压力梯度;渗透率在应力峰值处达到最低,卸压区最大渗透率约为原岩应力区渗透率的2.5倍。(5)现场抽采工程验证分析根据卸压区处于极限应力状态煤体的应力平衡方程,借鉴不同学者对于卸压区宽度计算理论研究,基于前方煤体受力状态推导出包含瓦斯压力的卸压区宽度计算公式,进一步分析不同元素对于卸压区宽度影响。由N1102回采工作面相关地质参数等计算卸压区宽度约为4.6m,依据回采时具体参数不同取值现场回采时卸压区宽度为4~5m。依据主动测压法相关理论,设计顺层钻孔注氮试验,距工作面不同距离钻孔前期卸压速率、稳压压力值差异明显,间接反应采煤工作面前方煤体 三区‖所受应力状态、煤体裂隙发育状况、渗透率变化趋势等,且不同区域的范围与理论计算值相吻合,为不同区域瓦斯抽采设计提供现场理论依据。基于理论计算、现场钻孔注氮试验以及N1102工作面瓦斯抽采现状,设计顺层钻孔卸压区瓦斯抽放钻孔,计算钻孔卸压区有效抽放长度并优化钻孔布置,得到工作面向前推进期间,抽放钻孔不同抽放期间抽放瓦斯流量变化。卸压区瓦斯抽采流量约为原岩应力区2.8倍,因此,优化卸压区的瓦斯抽采设计具有较高的应用价值。
【关键词】：煤体卸压 孔隙结构 基质收缩 弹塑性变形 渗透率演化 抽采钻孔
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD712
【目录】：

• 摘要4-8
• Abstract8-17
• 1 绪论17-29
• 1.1 选题背景和意义17-18
• 1.2 国内外研究现状综述18-26
• 1.2.1 煤体内部结构与吸附-解吸作用19-20
• 1.2.2 煤体瓦斯渗流理论20-21
• 1.2.3 煤与瓦斯的气固耦合作用21-23
• 1.2.4 采动裂隙变形对瓦斯渗流的影响23-26
• 1.2.5 存在问题26
• 1.3 本文研究内容26-27
• 1.4 本文技术路线27-29
• 2 煤体孔隙-裂隙结构及瓦斯吸附-解吸特性29-49
• 2.1 煤样来源及工程背景29-32
• 2.2 煤体孔隙-裂隙特征32-43
• 2.2.1 煤孔隙-裂隙结构及分类32-36
• 2.2.2 煤孔隙-裂隙表征参数36-38
• 2.2.3 煤体孔隙测量方法38-39
• 2.2.4 实验区煤体孔隙-裂隙特征39-43
• 2.3 煤体瓦斯吸附-解吸特征43-47
• 2.3.1 煤体吸附解吸机理43-44
• 2.3.2 软、硬煤吸附解吸特征44-45
• 2.3.3 煤体吸附-解吸对变形的影响45-47
• 2.4 本章小结47-49
• 3 软、硬煤的常规三轴渗流实验49-67
• 3.1 概述49-50
• 3.2 实验系统及准备工作50-55
• 3.2.1 实验系统50-53
• 3.2.2 渗透率测试方法53
• 3.2.3 实验准备工作53-55
• 3.3 型煤和原煤的三轴渗流实验55-57
• 3.3.1 实验目的55
• 3.3.2 实验方案55-56
• 3.3.3 实验步骤56-57
• 3.4 原煤和型煤常规三轴渗流实验结果分析57-66
• 3.4.1 原煤和型煤的全应力-应变曲线57
• 3.4.2 围压对渗透率的影响57-60
• 3.4.3 轴压对渗透率的影响60-62
• 3.4.4 孔隙压力对渗透率的影响62-66
• 3.5 本章小结66-67
• 4 工作面前方煤体变形破坏模拟实验研究67-99
• 4.1 概述67-68
• 4.2 实验系统68-70
• 4.2.1 实验系统组成68-69
• 4.2.2 实验系统的主要性能参数69-70
• 4.3 实验方案的确定70-76
• 4.3.1 现场调研70-71
• 4.3.2 数值模拟71-75
• 4.3.3 实验方案与步骤75-76
• 4.4 实验结果的分析76-87
• 4.4.1 原煤实验结果的分析76-81
• 4.4.2 型煤实验结果的分析81-85
• 4.4.3 与常规三轴实验结果相比85-86
• 4.4.4 原煤和型煤变形破坏特征总结86-87
• 4.5 两种煤体破坏变形本构方程87-97
• 4.5.1 煤体孔隙-裂隙等效力学模型的建立87-88
• 4.5.2 原煤的弹塑性本构方程88-94
• 4.5.3 型煤的弹塑性本构方程94-97
• 4.6 本章小结97-99
• 5 工作面前方煤体渗透率演化模型及数值模拟99-117
• 5.1 概述99-101
• 5.2 动态渗透率模型101-107
• 5.2.1 有效应力变形量101-104
• 5.2.2 孔隙压力压缩变形量104
• 5.2.3 基质收缩变形量104-105
• 5.2.4 动态渗透率模型105-107
• 5.3 工作面前方煤体瓦斯流动方程107-109
• 5.4 工作面前方煤体瓦斯渗流数值模拟109-114
• 5.4.1 模拟软件109-110
• 5.4.2 数值模拟过程110-111
• 5.4.3 数值模拟结果分析111-114
• 5.5 本章小结114-117
• 6 现场抽采工程验证117-129
• 6.1 卸压区宽度的理论计算117-120
• 6.1.1 卸压区宽度计算方程推导117-119
• 6.1.2 N1102工作面卸压区宽度计算119-120
• 6.2 卸压区宽度现场实测120-125
• 6.2.1 实验方案120-121
• 6.2.2 钻孔压力观测结果分析121-125
• 6.3 卸压区钻孔瓦斯流量现场实测125-128
• 6.3.1 实验方案125-126
• 6.3.2 钻孔流量测定结果分析126-128
• 6.4 本章小结128-129
• 7 结论与展望129-133
• 7.1 结论129-130
• 7.2 本文创新点130-131
• 7.3 需要进一步研究的问题131-133
• 参考文献133-147
• 致谢147-149
• 作者简介149-150

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本文编号：732703