多重应力路径下双重孔隙煤体损伤扩容及渗透性演化机制与应用

发布时间：2017-05-05 10:13

  本文关键词：多重应力路径下双重孔隙煤体损伤扩容及渗透性演化机制与应用，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来,随着我国东部各主产矿区相继进入深部开采状态,深部煤层钻孔瓦斯抽采遇到了诸多瓶颈,深部采动应力条件下煤体的基本力学行为和渗透性演化特征仍有待深入研究。为进一步揭示煤体渗透性演化的内在力学机制以及煤层瓦斯运移过程中的物理本质,本文基于实际采动应力条件获得的多重应力路径,分别使用原煤、常规型煤和微扰动软煤试样,较系统的开展了煤样的力学及渗透性演化试验,并综合运用岩体力学、渗流力学、C.D.Martin裂隙应变模型等理论方法研究了煤的力学特性、损伤扩容规律和渗透率演化的内在力学机制。在此基础上,构建了双重孔隙煤体瓦斯运移过程中的气固耦合模型,分别以实验室和工程尺度为背景对瓦斯运移规律开展了模拟研究。取得了以下研究成果:(1)围压卸载对煤体强度起劣化作用。加载条件下,常规型煤和微扰动软煤的内聚力分别为1.72MPa和1.18MPa,内摩擦角均为35.06°;围压卸载条件下,常规型煤和微扰动软煤的内聚力分别为0.95MPa和0.83MPa,内摩擦角分别为38.03°和34.74°。围压卸载下,常规型煤和微扰动软煤内聚力分别劣化约44.77%和29.66%。(2)通过理论分析获得了煤体损伤扩容渐进破坏过程及煤体渗透性演化的内在力学机制。基于试验获得的应力-应变曲线,利用C.D.Martin裂隙应变模型对煤体裂隙发育进行了定量描述,获得了裂隙发育各阶段对应的特征应力。当煤体所处的应力水平达到损伤扩容应力cds时,煤体即产生塑性变形,开始扩容屈服。基于煤体损伤扩容渐进性破坏的力学机制,建立了煤体损伤扩容屈服准则。不同初始损伤程度卸载条件下煤体渗透性测试结果表明,煤样损伤扩容前,煤样渗透率同差应力的关系符合指数函数0 1 3k=kexp[A(s-s)];损伤扩容后,煤样渗透率呈近似线性的快速增长趋势。将煤体裂隙演化规律同渗透性演化规律相结合,揭示了渗透性演化的内在力学机制。(3)开展了静水压条件下原煤和型煤渗透性试验,结果表明,裂隙瓦斯压力能迅速达到目标值,而基质瓦斯压力的增速则非常缓慢;吸附平衡过程中渗透性的演化为有效应力及吸附膨胀变形竞争作用的结果;原煤所需的吸附平衡时间约为型煤的2.7倍;随着围压的增大,煤样的骨架压缩,裂隙宽度减小,渗透率降低,渗透率同有效应力符合形如0 0exp[3()]fk=k-cs-s的函数关系,回归计算获得型煤和原煤的裂隙压缩因子分别为2.34′10-4 psia-1、1.96′10-4 psia-1和1.09′10-3 psia-1,表明原煤的应力敏感性远大于型煤,而两个型煤的应力敏感性则基本相同。(4)使用COMSOL Multiphysics软件调用本文建立的双重孔隙煤体瓦斯运移过程中的渗透率演化模型及气固耦合模型,分别以实验室和工程尺度为背景模拟研究了煤中的瓦斯运移规律。模拟结果表明,裂隙瓦斯压力和基质瓦斯压力对于目标平衡状态的响应速度差别较大,煤样吸附平衡12h时,基质瓦斯压力仍小于吸附平衡1h时的裂隙瓦斯压力。响应速度带来的影响同Klinkenberg效应在同一个数量级,模拟分析时忽略该影响将使得基质瓦斯压力被低估。(5)顺层钻孔常见的失稳破坏模式主要包括零坍塌、局部坍塌、拱形坍塌和塌穿型坍塌。钻孔周围的应力扰动区依次为峰后破碎区、损伤扩容区和弹性变形区。同损伤扩容屈服准则相比,Mohr-Coulomb准则判断煤体是否发生塑性变形时较为“保守”。PVC筛管单向抗挤试验结果表明,2T、1.5T和1T筛管的最大分别能承受约105k N/m、61k N/m和49k N/m的单向外挤力。仅当钻孔破坏后无法形成自稳的压力拱,传递到筛管上的地应力大于其所能承受的最大煤层挤压力时,筛管失效。(6)使用COMSOL Multiphysics软件调用本文建立的渗透率和气固耦合模型,模拟研究了丁集矿1331(1)工作面钻孔及巷道周围煤体的采动应力、渗透率及裂隙瓦斯压力分布特征。模拟结果表明,钻孔及巷道的应力扰动范围分别为0.27m和18m,区域内煤体渗透率最大值分别为初始值的1550倍和2000倍,最小值分别为初始值的0.5倍和0.2倍。钻孔局部坍塌后能够形成自稳的压力拱。钻孔应力扰动对于抽采效果起削弱作用;钻孔稳定情况下筛管护孔也不会削弱其瓦斯抽采效果。通过快速全程筛管护孔工艺同传统护孔工艺抽采效果的对比,验证了上述理论分析和数值模拟结果的合理性和可靠性。
【关键词】：强度劣化 损伤扩容 渗透率演化 气固耦合 瓦斯抽采
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD712
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• 英文摘要7-10
• Extended Abstract10-25
• 变量注释表25-27
• 1 绪论27-43
• 1.1 选题背景及意义27-28
• 1.2 国内外研究现状28-39
• 1.3 需进一步研究的问题39-40
• 1.4 研究内容及技术路线40-43
• 2 多重应力路径下煤体力学特性及损伤扩容机制43-85
• 2.1 试验方法43-51
• 2.2 多重应力路径下煤体的强度与变形特征51-64
• 2.3 煤的本构关系特征分析64-68
• 2.4 瓦斯对煤体力学特性的影响68-71
• 2.5 多重应力路径下煤体宏观破坏特征71-73
• 2.6 多重应力路径下煤体裂隙演化与损伤扩容破坏机制73-83
• 2.7 本章小结83-85
• 3 多重应力路径下双重孔隙煤体渗透特性试验研究85-107
• 3.1 试验方法85-90
• 3.2 静水压条件下煤样的渗透演化特性90-98
• 3.3 有效应力及吸附膨胀变形竞争作用分析98-100
• 3.4 不同初始损伤程度卸载条件下煤体渗透演化特征100-106
• 3.5 本章小结106-107
• 4 双重孔隙煤体瓦斯运移过程中的气固耦合模型107-127
• 4.1 双重孔隙煤体物理结构简化模型及基本假设107-111
• 4.2 双重孔隙煤体瓦斯运移过程中的渗透率演化模型111-118
• 4.3 基于煤体双孔特性的煤与瓦斯气固耦合模型118-125
• 4.4 本章小结125-127
• 5 煤的双孔特性对瓦斯运移影响的多尺度模拟分析127-145
• 5.1 数值试验方法及其可行性分析127-132
• 5.2 吸附平衡过程中煤样孔隙压力及渗透性演化规律132-139
• 5.3 煤的双孔特性对瓦斯抽采效果的影响研究139-144
• 5.4 本章小结144-145
• 6 煤层钻孔渐进性破坏机制与流场特性分析及工程应用145-174
• 6.1 钻孔失稳破坏模式及机制145-156
• 6.2 瓦斯抽采筛管抗挤强度测试及适用性分析156-160
• 6.3 巷道及钻孔周围煤体采动应力与渗透性分布特征及流场特性160-169
• 6.4 快速全程筛管护孔高效瓦斯抽采技术及效果分析169-173
• 6.5 本章小结173-174
• 7 主要结论、创新点及展望174-178
• 7.1 主要结论174-176
• 7.2 创新点176-177
• 7.3 展望177-178
• 参考文献178-194
• 作者简历194-196
• 学位论文数据集196

【参考文献】

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本文编号：346160