采动影响下煤体瓦斯宏细观尺度通道演化机理研究

发布时间：2017-09-04 06:30

  本文关键词：采动影响下煤体瓦斯宏细观尺度通道演化机理研究

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【摘要】：煤炭是我国的主题能源。随着采矿活动往深部的进行,煤与瓦斯共采课题有着重要意义。根据瓦斯在裂隙中的流动状态,裂隙可分为不同类型的瓦斯通道,本文以裂隙隙宽为基础提出了瓦斯通道的判据;根据断裂力学理论,建立了裂隙发育的力学模型;同时,通过实验室、现场实测和数值模拟三种研究方法相结合,根据裂隙发育特征,对采煤工作面支承压力区重新分区,研究了不同区域内瓦斯通道、渗透率、孔隙率、瓦斯速度场、压力场、浓度场的演化规律,为实现煤与瓦斯科学共采提供决策依据。1)瓦斯通道煤是一种具有孔隙和裂隙双重结构特征的各向异性的多孔介质材料。裂隙是瓦斯运移的主要通道,瓦斯流动状态为线性层流的裂隙为细观瓦斯通道,瓦斯流动状态为过渡流的裂隙为过渡瓦斯通道,瓦斯流动状态为紊流的裂隙为宏观瓦斯通道;通过雷诺数计算公式量化了不同通道类型的尺寸,在定义瓦斯宏细观通道时,裂隙宽度并不是一个确定的值,与煤体渗透率、初始瓦斯压力等有关。2)裂隙发育与裂隙闭合度力学模型根据断裂力学理论建立工作面前方煤岩体裂隙发育力学模型与裂隙闭合度模型,研究工作面前方不同距离处的裂隙发育与闭合度的演化规律。理论研究表明:在工作面前方支承压力区弹性区内,煤岩体原生裂纹经历了裂纹的剪切滑移—自相似扩展—弯折扩展—剪切扩展的发育过程;在峰值点,裂纹发生宏观的剪切破坏;在极限平衡区,裂纹主要发生反向滑移扩展;裂隙的闭合度变化与原岩应力大小还有应力的变化速度紧密相关:如果原岩应力比较大,则原生裂纹都处于闭合状态,靠近工作面的过程中,裂纹逐渐张开,在极限平衡区,所有裂纹快速张开;如果原岩应力比较小,则原生裂纹都处于张开状态,在峰值点附近部分裂纹逐渐闭合,极限平衡区裂纹又全部快速张开。3)实验室研究论文采用宏细观结合的实验研究方法研究了煤体裂隙发育的全过程,图示了煤体损伤—断裂—破坏的全过程;对煤中原生裂隙和次生裂隙分开研究,发现了二者各自的发育特点和联系;定义了煤样应力应变曲线上的弯曲点,并发现了弯曲点与横向裂纹发育的关系。(1)细观实验中发现:在弹性阶段前中期,原始损伤已经开始发育;次生裂纹是由于煤基质原始损伤的发育形成的;次生裂纹经常产生在原生裂纹附近是因为原生裂纹附近煤基质原始损伤严重;裂纹在扩展的路径中,与附近的损伤连接并易于朝向损伤严重的方向产生分支。(2)宏观实验中发现:(1)在煤样应力应变曲线中,塑性点之前存在一个弯曲点,弯曲点的斜率略小于塑性点的斜率,其应力平均值是峰值点的0.77。弯曲点之后,横向次生裂纹开始发育;(2)在煤样应力应变曲线中,原生裂纹在弹性阶段前期发生剪切滑移,随后稳定弯折扩展直到塑性点;塑性阶段,原生裂纹转为剪切扩展,煤体开始发生侧向移动;峰值点,原生裂纹扩展形成宏观剪切破坏面,导致整体发生剪切破坏;原生裂纹的扩展方向近似竖直方向。(3)次生裂纹的产生取决于原始损伤程度与损伤发育。塑性点之前,竖直或倾斜的次生裂纹慢速独立发育,横向次生裂纹很少发育;弯曲点之后横向次生裂纹开始发育;在塑性点之后,横向和竖向次生裂纹快速大量发育贯通。次生裂纹通常在原生裂纹附近发育,也通常伴随着原生裂纹的剪切滑移出现在剪切滑移面附近;次生裂纹倾向于自相似扩展,当附近有其他裂纹,则优先朝着与其他裂纹贯通的方向扩展。4)支承压力区分区与现场实测在理论研究和实验室研究的基础上,根据裂纹发育的类型将支承压力区细分为:初始裂纹区、裂纹剪切滑移与自相似扩展区、裂纹弯折扩展区、横向裂纹发育区、裂纹剪切扩展区、裂纹剪切破坏区和裂纹反向滑移区。同时通过支承压力公式与裂隙发育力学条件,计算出了不同区域与工作面的距离。在以上分区的基础上,对裂隙的发育特征进行了现场实测研究,结果与理论分析和实验室研究结果相吻合。观测结果表明:随着与工作面距离的减小,煤岩体的采动裂隙逐渐增加,裂纹类型逐渐由孤立型、网络状转变;次生横向裂隙在与工作面近距离处逐渐增多、贯通发展成为密集网状分布;煤样沿倾向和水平方向的裂隙的发育不显著,沿垂直方向分布的裂隙大量发育;在构造裂隙发育的区域,煤层瓦斯易于流动和富集,此处的透气性最好。现场同时进行了钻孔瓦斯抽采验证了瓦斯通道演化规律的正确性。5)瓦斯流动状态与渗透率演化根据支承压力区的分区特点,分析工作面前方不同区域内的瓦斯流动状态与渗透率演化规律。(1)瓦斯在煤体内的流动状态可用雷诺数准则来判断,支承压力区弹性区内,瓦斯流动符合达西定律;极限平衡区内,瓦斯流动符合非线性渗流定律,可用forhheimer方程描述。(2)以往研究结果表明,煤岩体渗透率在岩石应力应变曲线孔隙压密阶段稍微减小,在塑性阶段以后快速增大,在应变软化阶段达到峰值。塑性流动阶段跟围压有关,若围压大,则渗透率减小幅度较大;若围压小,则渗透率减小幅度较小;煤岩体渗透率受到有效应力,岩石性质,围压,裂隙方向等因素的影响。煤体的渗透率变化存在着尺度效应,工程尺度内,煤体并没有经历实验室尺度内的初始压密阶段的渗透率减小阶段,煤体在峰值点以后继续快速增加,没有呈现处实验室尺度内的峰值后渗透率减小的现象。6)数值模拟研究利用comsol数值模拟软件,建立瓦斯在煤层中流动的气固耦合模型。考虑瓦斯非线性渗流,建立煤岩体塑性应变与瓦斯流动状态的关系;研究了工作面前方的瓦斯速度场、浓度场、压力场、渗透率和孔隙率的演化规律。主要结论如下:(1)随工作面推进,工作面前方应力集中系数逐渐增大,采动影响范围逐渐增大;前方煤岩体塑性区随工作面的推进而同步迁移,塑性应变值逐渐增大。(2)工作面前方煤岩体10~15m范围内,渗透率急剧增大。随时间推移,渗透率分布发生变化:15~25m的范围内,渗透率逐渐减小,但渗透率的增加区域基本稳定在前方10~15m范围内;孔隙率的变化规律与渗透率一致。(3)煤层开挖后,煤层深部瓦斯向工作面流动。靠近工作面处的瓦斯流动速度大;靠近工作面处的瓦斯压力很小,往煤层深部瓦斯压力逐渐增大,随时间的推移,瓦斯压力减小区域逐渐往深部扩展;瓦斯浓度分布则相反,靠近工作面的煤体瓦斯浓度很大,往深处瓦斯浓度逐渐减小,随着时间的推移,瓦斯浓度增大区域逐渐往深部发展。(4)工作面前方10~15m范围内,瓦斯流动属于非线性渗流。
【关键词】：瓦斯通道 采动影响 宏细观 气固耦合
【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5-8
• Abstract8-15
• 1 绪论15-25
• 1.1 选题背景15-16
• 1.1.1 问题的提出15
• 1.1.2 研究意义15-16
• 1.2 国内外研究现状及存在问题16-22
• 1.2.1 细观尺度采场裂隙研究现状16-18
• 1.2.2 宏观尺度采场裂隙研究现状18-19
• 1.2.3 瓦斯流动及卸压抽采研究现状19-21
• 1.2.4 存在问题21-22
• 1.3 主要研究内容与方法22-25
• 1.3.1 主要研究内容22
• 1.3.2 技术路线图22-25
• 2 采动煤岩体瓦斯通道分类及其形成机制25-49
• 2.1 煤体微结构25-27
• 2.1.1 孔隙结构特征25-26
• 2.1.2 裂隙结构特征26-27
• 2.1.3 影响煤体微结构的主要因素27
• 2.2 煤岩体瓦斯通道27-31
• 2.2.1 煤岩体瓦斯通道类型27-28
• 2.2.2 宏细观瓦斯通道判据28-31
• 2.3 煤岩体瓦斯通道空间分布31-34
• 2.3.1 垂直方向上煤岩体瓦斯通道分布32-33
• 2.3.2 推进方向上煤岩体瓦斯通道分布33-34
• 2.4 工作面超前支承压力分布规律34-38
• 2.4.1 支承压力演化规律34-35
• 2.4.2 支承压力表达公式35-38
• 2.5 工作面前方煤岩体瓦斯通道形成机制38-46
• 2.5.1 弹性区细观瓦斯通道形成机制38-42
• 2.5.2 峰值点宏观瓦斯通道形成机制42
• 2.5.3 极限平衡区宏观瓦斯通道形成机制42-43
• 2.5.4 工作面前方煤岩体裂隙闭合度力学分析43-46
• 2.6 本章小结46-49
• 3 煤体宏细观尺度裂隙发育实验室研究49-75
• 3.1 实验设计49-52
• 3.1.1 实验目的49
• 3.1.2 宏观实验49
• 3.1.3 细观实验49-50
• 3.1.4 实验组数与样品尺寸50
• 3.1.5 实验误差说明50-52
• 3.1.6 细观实验研究对象52
• 3.2 细观实验结果分析52-62
• 3.2.1 煤体的微结构及原始损伤52-54
• 3.2.2 原始损伤发育54-57
• 3.2.3 原始损伤发育—次生裂纹的形成57-58
• 3.2.4 原生裂纹的变化58-60
• 3.2.5 裂纹的发育特征60-62
• 3.3 宏观实验结果分析62-74
• 3.3.1 弯曲点与横向次生裂纹的联系62-63
• 3.3.2 应力应变全曲线过程中裂纹发育特征63-71
• 3.3.3 原生裂纹与次生裂纹的发育特点71-74
• 3.4 本章小结74-75
• 4 工作面前方瓦斯通道分区及瓦斯流态75-105
• 4.1 工作面前方瓦斯通道分区75-80
• 4.2 采动裂隙闭合区域分析80-82
• 4.3 采动煤岩体瓦斯通道现场观测研究82-92
• 4.3.1 采动煤岩体细观瓦斯通道现场观测82-87
• 4.3.2 采动煤岩体宏观瓦斯通道现场观测87-88
• 4.3.3 采动煤岩体瓦斯通道演变机制88-90
• 4.3.4 瓦斯通道的现场观测验证90-92
• 4.4 瓦斯流动状态92-96
• 4.4.1 瓦斯在孔隙系统中的扩散定律92
• 4.4.2 瓦斯在裂隙系统的渗流规律92-95
• 4.4.3 工作面前方采动煤岩体内瓦斯流动状态95-96
• 4.5 煤岩体渗透率演化规律96-103
• 4.5.1 渗透率演化规律实验室研究97-98
• 4.5.2 渗透率演化规律现场实测研究98-100
• 4.5.3 渗透率的影响因素100-102
• 4.5.4 渗透率计算模型102-103
• 4.6 本章小结103-105
• 5 煤岩体瓦斯流动气固耦合数值模拟研究105-135
• 5.1 煤岩应力场模型105-107
• 5.1.1 煤岩应力平衡方程105-106
• 5.1.2 煤岩几何方程106
• 5.1.3 煤岩线弹性本构方程106-107
• 5.1.4 煤岩体屈服条件107
• 5.1.5 煤岩残余流动理论107
• 5.2 瓦斯运移模型107-114
• 5.2.1 瓦斯运动方程107-108
• 5.2.2 气体状态方程108-109
• 5.2.3 瓦斯含量方程109-110
• 5.2.4 连续性方程110-111
• 5.2.5 瓦斯流动数学模型111-112
• 5.2.6 孔隙率和渗透率演化模型112-114
• 5.2.7 流固耦合模型114
• 5.3 工作面前方煤岩体瓦斯流动气固耦合数值模拟分析114-134
• 5.3.1Comsol Multiphysics软件简介114-116
• 5.3.2 模型建立与基本假设116-117
• 5.3.3 数值模拟模块的应用117-119
• 5.3.4 数值模拟结果分析119-132
• 5.3.5 达西流与非达西流对比分析132-134
• 5.4 本章小结134-135
• 6 结论与展望135-139
• 6.1 结论135-137
• 6.2 创新点137
• 6.3 展望137-139
• 参考文献139-147
• 致谢147-149
• 作者简介149
• 在学期间发表的学术论文149
• 在学期间参加科研项目149
• 主要获奖149

【参考文献】

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本文编号：789902