我國是一個經(jīng)濟大國,也是一個能源消費大國,對煤炭資源依存度較高。我國煤炭資源和煤層氣資源儲量極為豐富,但瓦斯災害已經(jīng)成為影響煤礦安全生產(chǎn)最嚴重的因素之一。因此,煤礦瓦斯抽采和利用將有利于消除瓦斯災害、安全生產(chǎn)、緩解能源短缺局面,也可以減少溫室氣體的排放。煤體瓦斯流動規(guī)律是研究瓦斯高效抽采和利用的根本,因此,本文以固-氣耦合下的瓦斯流動規(guī)律為研究主線,以松藻煤礦突出煤層為研究對象,以煤體微觀結構為研究基礎,以理論建模、試驗分析、數(shù)值分析為研究手段,利用先進的ESEM分析了水分對煤體微觀孔隙結構的影響,并基于孔隙率數(shù)學模型,發(fā)展了考慮含水率的滲透率模型;討論了液體潤濕性對瓦斯流動影響,進而實驗分析了不同改造液對煤體潤濕特性以及對煤體表面形貌特征的影響;基于上述研究以及水分對吸附變形影響的實驗研究,構建了考慮含水率的固-氣耦合模型,并用實驗數(shù)據(jù)進行驗證;基于數(shù)值分析獲得的被保護層應力演化規(guī)律,實驗分析了循環(huán)加卸載軸壓和圍壓條件下瓦斯流動規(guī)律;基于隨機裂隙網(wǎng)絡,構建了含裂隙和基質(zhì)的雙孔-雙滲模型,并基于此分析了固-氣耦合裂隙網(wǎng)絡的瓦斯流動規(guī)律。基于以上一系列的研究和分析,獲得了以下幾方面的結論... 

【文章頁數(shù)】：205 頁

【學位級別】：博士

【文章目錄】：
中文摘要
英文摘要
1 緒論
    1.1 選題背景及研究意義
    1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.2.1 固-氣耦合模型研究
        1.2.2 水賦存狀態(tài)研究
        1.2.3 水分對瓦斯流動影響的研究
        1.2.4 煤體損傷破壞研究
        1.2.5 采動應力演化及裂隙瓦斯流動研究現(xiàn)狀
    1.3 研究目的、內(nèi)容、技術路線
        1.3.1 研究目的
        1.3.2 研究內(nèi)容
        1.3.3 技術路線
2 微細觀結構及力學性質(zhì)
    2.1 引言
    2.2 試件制備
        2.2.1 煤樣簡介
        2.2.2 煤樣制備
    2.3 煤體微細觀結構類型
        2.3.1 煤體孔隙結構
        2.3.2 煤體裂隙結構特征
    2.4 煤體顯微結構
        2.4.1 煤孔隙表面特征
        2.4.2 煤裂隙表面特征
        2.4.3 能譜分析（X-ray EDX）
    2.5 礦物組分分析
    2.6 孔隙特征分析
        2.6.1 低溫液氮吸附法
        2.6.2 NMR特征
    2.7 煤巖體應力-裂紋體積應變規(guī)律
    2.8 本章小結
3 水賦存狀態(tài)及其對煤孔隙滲透率的影響
    3.1 引言
    3.2 煤孔隙中水分的賦存狀態(tài)
        3.2.1 基于壓汞法的孔隙特征
        3.2.2 孔隙表面特征
        3.2.3 水分的賦存狀態(tài)及其演化過程
    3.3 水分對滲流影響模型
        3.3.1 水分對孔隙率的影響
        3.3.2 流體流動規(guī)律
        3.3.3 滲透率模型
        3.3.4 基于含水率的滲透率模型
    3.4 液體潤濕作用的研究
        3.4.1 潤濕高度和潤濕角度模型
        3.4.2 潤濕性實驗研究
    3.5 不同潤濕液與煤的潤濕特征
        3.5.1 不同潤濕液接觸角變化規(guī)律
        3.5.2 改造液浸泡作用下潤濕性的變化規(guī)律
        3.5.3 改造液浸泡作用下界面形貌變化
    3.6 本章小結
4 含水煤體固-氣耦合模型構建及驗證
    4.1 引言
    4.2 水分對煤吸附的影響
        4.2.1 水分對吸附量的影響
        4.2.2 水分對吸附變形的影響
        4.2.3 水分對吸附作用的影響
    4.3 水分對瓦斯?jié)B流的影響
        4.3.1 實驗過程以及測試方案
        4.3.2 水分對滲流速度的影響
        4.3.3 水分對滲透率的影響
    4.4 固-氣耦合模型構建
        4.4.1 耦合變量
        4.4.2 固體變形控制方程
        4.4.3 流體運移控制方程
    4.5 基于含水率固-氣耦合模型的數(shù)值模擬分析
        4.5.1 含水率對吸附和孔隙率的影響
        4.5.2 耦合作用對流動的影響
        4.5.3 水分對滲透率的影響
    4.6 本章小結
5 采場應力演化規(guī)律及其對瓦斯流動的影響
    5.1 引言
    5.2 數(shù)值模型
    5.3 三維采場應力分布規(guī)律
        5.3.1 煤層與頂板應力分布規(guī)律
        5.3.2 模型傾向和走向應力演化規(guī)律
    5.4 K_3~b煤體應力時步演化規(guī)律
        5.4.1 K_2~b煤層開采時K_3~b煤體應力時步演化規(guī)律
        5.4.2 三層煤開采時K_3~b煤體應力時步演化規(guī)律
    5.5 煤體應力-應變損傷規(guī)律和滲流變化規(guī)律
        5.5.1 全應力-應變滲流特征與聲發(fā)射特征
        5.5.2 聲發(fā)射損傷模型
    5.6 損傷煤體變形滲流規(guī)律
        5.6.1 峰后圍壓循環(huán)加卸載瓦斯流動規(guī)律
        5.6.2 峰后軸壓循環(huán)加卸載瓦斯流動規(guī)律
        5.6.3 峰后逐級增圍壓、軸壓循環(huán)加卸載瓦斯流動規(guī)律
        5.6.4 損傷煤體裂隙形態(tài)
    5.7 本章小結
6 裂隙網(wǎng)絡的構建及裂隙場瓦斯抽采
    6.1 引言
    6.2 Monte-Carlo隨機原理
    6.3 裂隙網(wǎng)絡的構建
        6.3.1 不同幾何參數(shù)的裂隙網(wǎng)絡
        6.3.2 不同分布函數(shù)的裂隙網(wǎng)絡
        6.3.3 不同裂隙組合的裂隙網(wǎng)絡
    6.4 裂隙網(wǎng)絡瓦斯抽采
        6.4.1 煤層裂隙網(wǎng)絡的構建
        6.4.2 固-氣耦合抽采模型
        6.4.3 耦合的影響
        6.4.4 含水率對瓦斯抽采的影響
        6.4.5 抽采時間效應的影響
    6.5 本章小結
7 結論及展望
    7.1 主要結論
    7.2 主要創(chuàng)新點
    7.3 研究展望
致謝
參考文獻
附錄
    A. 作者攻讀博士學位期間發(fā)表的論文
    B. 作者攻讀博士學位期間申請的專利
    C. 作者攻讀博士學位期間參加的科研項目
    D. 作者攻讀博士學位期間獲得的獎勵



本文編號：3677096