本文關(guān)鍵詞：基于等效基質(zhì)尺度的煤體力學(xué)失穩(wěn)及滲透性演化機(jī)制與應(yīng)用

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【摘要】：受地質(zhì)構(gòu)造的作用,在我國(guó)煤層中存在著多個(gè)構(gòu)造煤和原生煤分層,構(gòu)造煤層存在的地方容易造成煤與瓦斯突出,因此更好的認(rèn)識(shí)構(gòu)造煤在瓦斯突出中的作用并采取有效的防治措施是十分重要的。然而利用構(gòu)造煤制取的標(biāo)準(zhǔn)試樣實(shí)驗(yàn)室滲透率普遍大于原煤樣的,構(gòu)造煤的力學(xué)破壞以及在組合條件下的失穩(wěn)機(jī)制也不明確。本文主要以山西大寧煤礦的原生煤和構(gòu)造煤為研究對(duì)象,對(duì)基于等效基質(zhì)尺度的煤體力學(xué)失穩(wěn)及滲透性演化機(jī)制與應(yīng)用進(jìn)行全面系統(tǒng)研究。主要獲得以下結(jié)論:1)對(duì)比原煤樣、構(gòu)造煤樣、型煤樣和粉煤的孔隙結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)構(gòu)造煤樣中孔隙體積略大于原煤樣,而裂隙體積則遠(yuǎn)大于原生煤的,原煤樣的初始結(jié)構(gòu)滲透率要遠(yuǎn)小于構(gòu)造煤樣和型煤樣的,在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和滲透率模型的基礎(chǔ)上,反演了原煤樣、構(gòu)造煤樣和型煤樣等效基質(zhì)尺度和等效裂隙開度特征,發(fā)現(xiàn)原煤樣的等效基質(zhì)尺度是構(gòu)造煤樣的49倍,是型煤樣的4~62倍;原煤樣的等效裂隙開度是構(gòu)造煤的2.1倍,是型煤樣的0.2~1.6倍。2)基于力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果和本構(gòu)關(guān)系的基礎(chǔ)上,認(rèn)為原煤樣簡(jiǎn)化為應(yīng)變軟化模型,構(gòu)造煤樣簡(jiǎn)化為理想彈塑性模型;原煤樣中等效基質(zhì)尺度大且孔裂隙不發(fā)育,在相同條件下不易破壞,原煤樣的抗壓強(qiáng)度、粘聚力和內(nèi)摩擦角、彈性模量分別是構(gòu)造煤的15倍、8.6倍和14倍;結(jié)合摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則、格里菲斯準(zhǔn)則和瓦斯吸附熱力學(xué)理論構(gòu)建了瓦斯對(duì)煤體強(qiáng)度弱化的模型,研究發(fā)現(xiàn)游離瓦斯和吸附瓦斯均起著弱化煤體強(qiáng)度的作用,在緩慢增加區(qū)域中原煤樣的游離瓦斯與吸附瓦斯弱化量之比為1.3~3.4倍,而構(gòu)造煤樣的游離瓦斯與吸附瓦斯弱化量之比為8.4~19.8倍,這與構(gòu)造煤樣中擁有較小的等效基質(zhì)尺度和發(fā)育的孔裂隙有關(guān)。3)開展了不同等效基質(zhì)尺度含瓦斯煤的滲透率演化試驗(yàn),相同條件下,等效基質(zhì)尺度較大的原煤樣的滲透率遠(yuǎn)小于構(gòu)造煤樣和型煤樣;全應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程中,原生煤滲透率在峰后驟增了200~300倍,構(gòu)造煤滲透率僅增加1.4~2.4倍。構(gòu)建了三軸應(yīng)力條件下含瓦斯煤在彈性階段的滲透率模型,分別建立了該模型在特定邊界條件下的滲透率方程并驗(yàn)證;引入等效塑性應(yīng)變和滲透率驟增系數(shù),建立煤體塑性破壞的滲透率演化模型并驗(yàn)證。4)獲得了含瓦斯煤滲透率演化的內(nèi)在影響機(jī)制。構(gòu)造煤樣和型煤樣中用于瓦斯?jié)B流的通道大多是在重塑時(shí)形成的,人為作用破壞了煤中原有的裂隙系統(tǒng),這使得構(gòu)造煤樣和型煤樣無(wú)法復(fù)制原煤樣的結(jié)構(gòu)特征。原煤樣與構(gòu)造煤樣、型煤樣的在等效基質(zhì)尺度上差距更大,導(dǎo)致滲透率朝著基質(zhì)尺度主導(dǎo)的方向發(fā)展,使得構(gòu)造煤樣和型煤樣的初始結(jié)構(gòu)滲透率是原煤樣5~365倍。5)含瓦斯組合體由于變形不協(xié)調(diào)在接觸面處會(huì)產(chǎn)生水平附加應(yīng)力,利用自定義不協(xié)調(diào)變形量和摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則并結(jié)合受力分析,將組合體破壞形式劃分為7種;探討了煤層開采引發(fā)的2種路徑下組合體的破壞,圍壓不變時(shí)破壞首先發(fā)生在原生煤接觸面最小垂向應(yīng)力為27.64 MPa,圍壓為0時(shí)破壞首先發(fā)生構(gòu)造煤最小垂直應(yīng)力僅為1.66MPa,煤礦現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力引發(fā)煤體的破壞更趨向于后者。6)基于構(gòu)建的滲透率模型、力學(xué)本構(gòu)方程和雙重孔隙結(jié)構(gòu),構(gòu)建煤層瓦斯流動(dòng)過(guò)程中多場(chǎng)耦合模型,分析發(fā)現(xiàn)構(gòu)造煤的存在會(huì)增加煤體的塑性破壞并降低瓦斯預(yù)抽效率。以大寧煤礦原生煤與構(gòu)造煤共生實(shí)際情況為例,建立了以定向長(zhǎng)鉆孔的主孔抽采為主,羽狀分支孔輔助抽采構(gòu)造軟分層為輔的布孔方式,同時(shí)分析了原生煤與構(gòu)造煤共生條件下瓦斯治理模式與效果。
【關(guān)鍵詞】：等效基質(zhì)尺度 力學(xué)失穩(wěn) 滲透率演化 煤與瓦斯突出 氣固耦合
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TD313;TD712
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-9
• Extended Abstract9-25
• 變量注釋表25-29
• 1 緒論29-43
• 1.1 選題目的及意義29-30
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀30-40
• 1.3 存在問(wèn)題40-41
• 1.4 研究?jī)?nèi)容與技術(shù)路線41-43
• 2 煤的吸附解吸特性及等效基質(zhì)尺度特征43-67
• 2.1 煤樣采集與基礎(chǔ)參數(shù)43-47
• 2.2 煤粒瓦斯吸附/解吸特性47-58
• 2.3 煤的等效基質(zhì)尺度特征58-65
• 2.4 本章小結(jié)65-67
• 3 不同等效基質(zhì)尺度煤體力學(xué)特性及瓦斯弱化機(jī)制67-87
• 3.1 煤樣制備與試驗(yàn)方法67-69
• 3.2 不同等效基質(zhì)尺度煤體的力學(xué)特性69-77
• 3.3 煤中瓦斯對(duì)煤體強(qiáng)度弱化的機(jī)制77-82
• 3.4 含瓦斯煤的吸附變形特性82-85
• 3.5 本章小結(jié)85-87
• 4 含瓦斯煤的滲透率演化模型及內(nèi)在影響機(jī)制87-119
• 4.1 試驗(yàn)方法與方案設(shè)計(jì)87-90
• 4.2 不同基質(zhì)尺度煤體的滲透率演化特性試驗(yàn)90-100
• 4.3 含瓦斯煤的滲透率演化模型100-113
• 4.4 含瓦斯煤滲透率演化的內(nèi)在影響機(jī)制113-117
• 4.5 本章小結(jié)117-119
• 5 含瓦斯組合煤體的力學(xué)破壞與失穩(wěn)機(jī)制119-137
• 5.1 含瓦斯原生煤和構(gòu)造煤組合體的力學(xué)破壞機(jī)制119-130
• 5.2 基于能量理論的含瓦斯原生煤與構(gòu)造煤的突出失穩(wěn)機(jī)制130-135
• 5.3 本章小結(jié)135-137
• 6 基于雙重孔隙的煤層氣固耦合模型與應(yīng)用137-155
• 6.1 基于雙重孔隙的煤層氣固耦合模型137-140
• 6.2 模型在煤與瓦斯突出防治中應(yīng)用140-147
• 6.3 原生煤與構(gòu)造煤共生條件下瓦斯治理模式與效果147-153
• 6.4 本章小結(jié)153-155
• 7 主要結(jié)論、創(chuàng)新點(diǎn)及展望155-159
• 7.1 主要結(jié)論155-157
• 7.2 創(chuàng)新點(diǎn)157
• 7.3 展望157-159
• 參考文獻(xiàn)159-173
• 作者簡(jiǎn)歷173-176
• 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集176

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本文編號(hào)：672323