發(fā)布時間：2017-08-24 17:49

  本文關(guān)鍵詞：工作面前方煤體變形破壞和滲透率演化及其應(yīng)用研究

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【摘要】：目前,厚煤層開采的主要方法為綜放采煤法,高瓦斯礦井綜放工作面普遍存在瓦斯涌出量偏大的現(xiàn)象,不僅制約著工作面的高效生產(chǎn),還給采煤工作面帶來危險。一方面是因為煤層軟煤較發(fā)育,煤體滲透率較低,瓦斯抽采效率較低;另一方面因為工作面的開采強度大,工作面抽采工作不到位,比如煤層瓦斯預(yù)抽時間較短,邊采邊抽瓦斯抽采設(shè)計沒有充分考慮卸壓區(qū)煤體的瓦斯抽采。工作面前方卸壓瓦斯抽采可以有效增加煤層開采過程中邊采邊抽的瓦斯抽采效果,所以加強工作面前方煤體的破壞變形和滲透率演化研究,對于工作面煤體瓦斯的卸壓高效抽采設(shè)計和解決工作面瓦斯涌出異常有著重要的理論指導(dǎo)意義。本文以余吾煤業(yè)回采工作面為研究對象,選取不同破壞類型的煤樣(原煤和型煤),基于巖石力學(xué)、彈塑性力學(xué)和滲流力學(xué)等理論,采用現(xiàn)場應(yīng)力測試、工作面前方煤體變形三軸模擬試驗、滲透率演化模型的建立和COMSOL數(shù)值模擬以及現(xiàn)場抽采工程應(yīng)用的綜合方法,分析了不同煤體結(jié)構(gòu)特征和瓦斯吸附-解吸特征對煤體變形的影響,研究了工作面前方煤體的應(yīng)力-應(yīng)變-滲透率變化特征,得出工作面變形破壞機理和滲透率演化規(guī)律,本文主要研究如下:(1)煤體孔隙結(jié)構(gòu)及瓦斯吸附解吸特征研究通過對比分析軟煤和硬煤的揮發(fā)分、瓦斯含量、吸附常數(shù)(a、b值),可知軟煤相對于硬煤具有孔隙較發(fā)育、變質(zhì)程度稍高以及吸附性較強的特點,這是軟煤的瓦斯含量高于硬煤的根本原因。采用壓汞法分析了實驗地點型煤和原煤的孔隙結(jié)構(gòu)特征,型煤中中孔占比85.87%,而微孔和過渡孔所占14.13%,相應(yīng)的原煤數(shù)據(jù)為8.29%和91.71%。原煤和型煤分形維數(shù)D原=2.69,D型=2.92,說明型煤的孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度大于原煤的;型煤的孔隙體積、孔隙度分別為原煤的6.24、6.89倍,型煤的滲透率為原煤的41倍,充分說明了型煤的孔隙較發(fā)育,有效滲流通道大于原煤,其滲透性遠遠強于原煤的。硬煤相比軟煤較快達到解吸過程的穩(wěn)定階段(解吸量達到最終解吸量的80~90%),但是硬煤的穩(wěn)定階段持續(xù)時間很長,這是因為原煤中的微孔給瓦斯解吸和擴散造成障礙,延遲了瓦斯完全解吸所需時間。軟煤吸附性較強,相對于硬煤具有較多的解吸量和較快的解吸速度,主要因為原煤孔隙結(jié)構(gòu)以微孔和過渡孔為主,型煤孔隙結(jié)構(gòu)以中孔為主,比表面積較大,此外,軟煤在形成過程中經(jīng)歷了構(gòu)造動力變質(zhì)作用,致使其變質(zhì)程度稍高于硬煤。通過試驗研究發(fā)現(xiàn)原煤吸附-解吸變形過程依次為抽真空收縮階段、充氣壓縮階段、吸附膨脹階段、卸壓膨脹階段、彈性恢復(fù)階段和解吸收縮階段;型煤只有抽真空收縮階段、吸附膨脹階段、解吸收縮階段。這是因為型煤和原煤的孔隙-裂隙結(jié)構(gòu)的不同,型煤煤體不存在煤體骨架應(yīng)力,即不存在充氣壓縮變形和卸壓彈性變形階段。(2)原煤和型煤的常規(guī)三軸滲流實驗研究原煤常規(guī)三軸滲流實驗過程包括壓密階段,線彈性變形階段,塑性屈服階段,應(yīng)力跌落階段,殘余破壞階段,型煤的試驗過程包括壓密階段,線彈性變形階段,塑性屈服階段,塑性軟化階段。在相同軸壓和圍壓條件下,2種煤樣滲透率都隨著孔隙壓力的變化呈現(xiàn)‖V‖字形變化,二者間呈現(xiàn)二次多項式的函數(shù)關(guān)系,這是由于煤體發(fā)生的吸附膨脹效應(yīng)、克林伯格效應(yīng)和基質(zhì)收縮效應(yīng)共同作用的結(jié)果。在固定軸壓和孔隙壓力條件下,煤樣滲透率隨與圍壓之間呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)關(guān)系。對比分析了型煤和原煤模擬試驗的全應(yīng)力應(yīng)變曲線,原煤發(fā)生明顯的宏觀破壞,并且在破壞點處滲透率出現(xiàn)了激增,型煤沿軸向和徑向應(yīng)變明顯大于原煤,但不存在明顯的宏觀破壞。通過對比分析孔隙壓力對原煤和型煤的影響可知,原煤的發(fā)生克林伯格效應(yīng)的臨界壓力為1.1MPa,型煤則為1.4MPa,說明除了加載應(yīng)力和孔隙壓力,煤樣自身的孔隙裂隙結(jié)構(gòu)在煤體滲流特性中也起著重要作用。(3)工作面前方煤體變形破壞模擬實驗研究通過在N1102工作面展開鉆孔應(yīng)力測試和數(shù)值模擬而得出工作面原巖應(yīng)力區(qū)的垂向應(yīng)力為10.23MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為2.23,根據(jù)不同區(qū)域應(yīng)力變化情況劃分出緩慢增壓區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和常壓區(qū),并且給出了不同區(qū)域內(nèi)的垂向應(yīng)力和水平應(yīng)力的理論公式,從而制定出精確的軸、圍壓加卸載方案,保證實驗結(jié)果與現(xiàn)場應(yīng)力的一致性。本文通過對原煤和型煤展開模擬試驗,得出在原巖應(yīng)力區(qū)原煤的非線性壓密階段和線彈性變形階段區(qū)分很明顯,而型煤在該區(qū)整體上呈現(xiàn)為非線性變形,這主要跟原煤和型煤的孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān);在應(yīng)力集中區(qū)型煤和原煤整體上都是逐漸由壓縮變形轉(zhuǎn)向膨脹變形,但原煤變形小于型煤變形;在卸壓區(qū),原煤和型煤具有本質(zhì)區(qū)別,原煤發(fā)生了明顯的宏觀破壞,具有清晰的剪切裂紋,而型煤逐步進入蠕變階段,慢慢呈現(xiàn)出剪脹性破壞,整體破壞并不明顯。然后對比常規(guī)三軸滲流實驗結(jié)果,發(fā)現(xiàn)了模擬試驗中的煤體破壞比常規(guī)三軸更劇烈,能量更大,并且原煤的卸圍壓效應(yīng)系數(shù)大于型煤的,型煤破壞能量小于原煤的,說明了軟煤的始突能量值較低,故容易發(fā)生煤與瓦斯突出�；诿后w孔隙-裂隙等效力學(xué)模型,筆者提出了原煤煤體變形可分為基質(zhì)變形、孔隙變形和表面裂隙變形,并考慮了瓦斯吸附解吸效應(yīng),推導(dǎo)出含瓦斯原煤煤體在彈性和塑性變形階段的各向變形的本構(gòu)方程;型煤煤體變形主要有基質(zhì)變形和孔隙變形,考慮瓦斯吸附解吸效應(yīng),推導(dǎo)出含瓦斯型煤煤體在彈性和塑性變形階段的各向變形的本構(gòu)方程。(4)工作面前方煤體滲透率演化模型及數(shù)值模擬在工作面前方煤體變形模擬試驗中,煤樣變形是受本體有效應(yīng)力、結(jié)構(gòu)有效應(yīng)力和損傷有效應(yīng)力的綜合作用的結(jié)果,但在模擬實驗的不同階段中占主導(dǎo)作用的有效應(yīng)力有所不同,通過分析發(fā)現(xiàn)煤體滲透率與煤體所受等效有效應(yīng)力存在一定的對應(yīng)關(guān)系,即非線性壓密和線彈性階段有效應(yīng)力系數(shù)趨于原始孔隙率ф,屈服和塑性軟化階段有效應(yīng)力系數(shù)范圍為(ф,фd),殘余破壞階段有效應(yīng)力系數(shù)范圍為(фd,фc)。考慮了煤體應(yīng)力應(yīng)變變形、孔隙壓力壓縮變形和瓦斯解吸收縮變形,分別推導(dǎo)出了工作面前方煤體孔隙率和滲透率的數(shù)學(xué)方程:應(yīng)用Comsol軟件對工作面前方煤體的應(yīng)力分布、瓦斯壓力分布和滲透率分布進行了分析,數(shù)值模擬的應(yīng)力分布規(guī)律與現(xiàn)場鉆孔應(yīng)力測試結(jié)果基本一致,應(yīng)力集中峰值基本在6.7m附近;瓦斯壓力隨著工作面距離增加而逐漸趨于原始瓦斯壓力,并在應(yīng)力集中區(qū)和卸壓區(qū)的過渡區(qū)域發(fā)生驟降,產(chǎn)生較大的瓦斯壓力梯度;滲透率在應(yīng)力峰值處達到最低,卸壓區(qū)最大滲透率約為原巖應(yīng)力區(qū)滲透率的2.5倍。(5)現(xiàn)場抽采工程驗證分析根據(jù)卸壓區(qū)處于極限應(yīng)力狀態(tài)煤體的應(yīng)力平衡方程,借鑒不同學(xué)者對于卸壓區(qū)寬度計算理論研究,基于前方煤體受力狀態(tài)推導(dǎo)出包含瓦斯壓力的卸壓區(qū)寬度計算公式,進一步分析不同元素對于卸壓區(qū)寬度影響。由N1102回采工作面相關(guān)地質(zhì)參數(shù)等計算卸壓區(qū)寬度約為4.6m,依據(jù)回采時具體參數(shù)不同取值現(xiàn)場回采時卸壓區(qū)寬度為4~5m。依據(jù)主動測壓法相關(guān)理論,設(shè)計順層鉆孔注氮試驗,距工作面不同距離鉆孔前期卸壓速率、穩(wěn)壓壓力值差異明顯,間接反應(yīng)采煤工作面前方煤體 三區(qū)‖所受應(yīng)力狀態(tài)、煤體裂隙發(fā)育狀況、滲透率變化趨勢等,且不同區(qū)域的范圍與理論計算值相吻合,為不同區(qū)域瓦斯抽采設(shè)計提供現(xiàn)場理論依據(jù)�；诶碚撚嬎恪F(xiàn)場鉆孔注氮試驗以及N1102工作面瓦斯抽采現(xiàn)狀,設(shè)計順層鉆孔卸壓區(qū)瓦斯抽放鉆孔,計算鉆孔卸壓區(qū)有效抽放長度并優(yōu)化鉆孔布置,得到工作面向前推進期間,抽放鉆孔不同抽放期間抽放瓦斯流量變化。卸壓區(qū)瓦斯抽采流量約為原巖應(yīng)力區(qū)2.8倍,因此,優(yōu)化卸壓區(qū)的瓦斯抽采設(shè)計具有較高的應(yīng)用價值。
【關(guān)鍵詞】：煤體卸壓 孔隙結(jié)構(gòu) 基質(zhì)收縮 彈塑性變形 滲透率演化 抽采鉆孔
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TD712
【目錄】：

• 摘要4-8
• Abstract8-17
• 1 緒論17-29
• 1.1 選題背景和意義17-18
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述18-26
• 1.2.1 煤體內(nèi)部結(jié)構(gòu)與吸附-解吸作用19-20
• 1.2.2 煤體瓦斯?jié)B流理論20-21
• 1.2.3 煤與瓦斯的氣固耦合作用21-23
• 1.2.4 采動裂隙變形對瓦斯?jié)B流的影響23-26
• 1.2.5 存在問題26
• 1.3 本文研究內(nèi)容26-27
• 1.4 本文技術(shù)路線27-29
• 2 煤體孔隙-裂隙結(jié)構(gòu)及瓦斯吸附-解吸特性29-49
• 2.1 煤樣來源及工程背景29-32
• 2.2 煤體孔隙-裂隙特征32-43
• 2.2.1 煤孔隙-裂隙結(jié)構(gòu)及分類32-36
• 2.2.2 煤孔隙-裂隙表征參數(shù)36-38
• 2.2.3 煤體孔隙測量方法38-39
• 2.2.4 實驗區(qū)煤體孔隙-裂隙特征39-43
• 2.3 煤體瓦斯吸附-解吸特征43-47
• 2.3.1 煤體吸附解吸機理43-44
• 2.3.2 軟、硬煤吸附解吸特征44-45
• 2.3.3 煤體吸附-解吸對變形的影響45-47
• 2.4 本章小結(jié)47-49
• 3 軟、硬煤的常規(guī)三軸滲流實驗49-67
• 3.1 概述49-50
• 3.2 實驗系統(tǒng)及準(zhǔn)備工作50-55
• 3.2.1 實驗系統(tǒng)50-53
• 3.2.2 滲透率測試方法53
• 3.2.3 實驗準(zhǔn)備工作53-55
• 3.3 型煤和原煤的三軸滲流實驗55-57
• 3.3.1 實驗?zāi)康?/span>55
• 3.3.2 實驗方案55-56
• 3.3.3 實驗步驟56-57
• 3.4 原煤和型煤常規(guī)三軸滲流實驗結(jié)果分析57-66
• 3.4.1 原煤和型煤的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線57
• 3.4.2 圍壓對滲透率的影響57-60
• 3.4.3 軸壓對滲透率的影響60-62
• 3.4.4 孔隙壓力對滲透率的影響62-66
• 3.5 本章小結(jié)66-67
• 4 工作面前方煤體變形破壞模擬實驗研究67-99
• 4.1 概述67-68
• 4.2 實驗系統(tǒng)68-70
• 4.2.1 實驗系統(tǒng)組成68-69
• 4.2.2 實驗系統(tǒng)的主要性能參數(shù)69-70
• 4.3 實驗方案的確定70-76
• 4.3.1 現(xiàn)場調(diào)研70-71
• 4.3.2 數(shù)值模擬71-75
• 4.3.3 實驗方案與步驟75-76
• 4.4 實驗結(jié)果的分析76-87
• 4.4.1 原煤實驗結(jié)果的分析76-81
• 4.4.2 型煤實驗結(jié)果的分析81-85
• 4.4.3 與常規(guī)三軸實驗結(jié)果相比85-86
• 4.4.4 原煤和型煤變形破壞特征總結(jié)86-87
• 4.5 兩種煤體破壞變形本構(gòu)方程87-97
• 4.5.1 煤體孔隙-裂隙等效力學(xué)模型的建立87-88
• 4.5.2 原煤的彈塑性本構(gòu)方程88-94
• 4.5.3 型煤的彈塑性本構(gòu)方程94-97
• 4.6 本章小結(jié)97-99
• 5 工作面前方煤體滲透率演化模型及數(shù)值模擬99-117
• 5.1 概述99-101
• 5.2 動態(tài)滲透率模型101-107
• 5.2.1 有效應(yīng)力變形量101-104
• 5.2.2 孔隙壓力壓縮變形量104
• 5.2.3 基質(zhì)收縮變形量104-105
• 5.2.4 動態(tài)滲透率模型105-107
• 5.3 工作面前方煤體瓦斯流動方程107-109
• 5.4 工作面前方煤體瓦斯?jié)B流數(shù)值模擬109-114
• 5.4.1 模擬軟件109-110
• 5.4.2 數(shù)值模擬過程110-111
• 5.4.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析111-114
• 5.5 本章小結(jié)114-117
• 6 現(xiàn)場抽采工程驗證117-129
• 6.1 卸壓區(qū)寬度的理論計算117-120
• 6.1.1 卸壓區(qū)寬度計算方程推導(dǎo)117-119
• 6.1.2 N1102工作面卸壓區(qū)寬度計算119-120
• 6.2 卸壓區(qū)寬度現(xiàn)場實測120-125
• 6.2.1 實驗方案120-121
• 6.2.2 鉆孔壓力觀測結(jié)果分析121-125
• 6.3 卸壓區(qū)鉆孔瓦斯流量現(xiàn)場實測125-128
• 6.3.1 實驗方案125-126
• 6.3.2 鉆孔流量測定結(jié)果分析126-128
• 6.4 本章小結(jié)128-129
• 7 結(jié)論與展望129-133
• 7.1 結(jié)論129-130
• 7.2 本文創(chuàng)新點130-131
• 7.3 需要進一步研究的問題131-133
• 參考文獻133-147
• 致謝147-149
• 作者簡介149-150

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本文編號：732703