發(fā)布時間：2017-09-04 06:30

  本文關(guān)鍵詞：采動影響下煤體瓦斯宏細觀尺度通道演化機理研究

  更多相關(guān)文章： 瓦斯通道 采動影響 宏細觀 氣固耦合

【摘要】：煤炭是我國的主題能源。隨著采礦活動往深部的進行,煤與瓦斯共采課題有著重要意義。根據(jù)瓦斯在裂隙中的流動狀態(tài),裂隙可分為不同類型的瓦斯通道,本文以裂隙隙寬為基礎(chǔ)提出了瓦斯通道的判據(jù);根據(jù)斷裂力學(xué)理論,建立了裂隙發(fā)育的力學(xué)模型;同時,通過實驗室、現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬三種研究方法相結(jié)合,根據(jù)裂隙發(fā)育特征,對采煤工作面支承壓力區(qū)重新分區(qū),研究了不同區(qū)域內(nèi)瓦斯通道、滲透率、孔隙率、瓦斯速度場、壓力場、濃度場的演化規(guī)律,為實現(xiàn)煤與瓦斯科學(xué)共采提供決策依據(jù)。1)瓦斯通道煤是一種具有孔隙和裂隙雙重結(jié)構(gòu)特征的各向異性的多孔介質(zhì)材料。裂隙是瓦斯運移的主要通道,瓦斯流動狀態(tài)為線性層流的裂隙為細觀瓦斯通道,瓦斯流動狀態(tài)為過渡流的裂隙為過渡瓦斯通道,瓦斯流動狀態(tài)為紊流的裂隙為宏觀瓦斯通道;通過雷諾數(shù)計算公式量化了不同通道類型的尺寸,在定義瓦斯宏細觀通道時,裂隙寬度并不是一個確定的值,與煤體滲透率、初始瓦斯壓力等有關(guān)。2)裂隙發(fā)育與裂隙閉合度力學(xué)模型根據(jù)斷裂力學(xué)理論建立工作面前方煤巖體裂隙發(fā)育力學(xué)模型與裂隙閉合度模型,研究工作面前方不同距離處的裂隙發(fā)育與閉合度的演化規(guī)律。理論研究表明:在工作面前方支承壓力區(qū)彈性區(qū)內(nèi),煤巖體原生裂紋經(jīng)歷了裂紋的剪切滑移—自相似擴展—彎折擴展—剪切擴展的發(fā)育過程;在峰值點,裂紋發(fā)生宏觀的剪切破壞;在極限平衡區(qū),裂紋主要發(fā)生反向滑移擴展;裂隙的閉合度變化與原巖應(yīng)力大小還有應(yīng)力的變化速度緊密相關(guān):如果原巖應(yīng)力比較大,則原生裂紋都處于閉合狀態(tài),靠近工作面的過程中,裂紋逐漸張開,在極限平衡區(qū),所有裂紋快速張開;如果原巖應(yīng)力比較小,則原生裂紋都處于張開狀態(tài),在峰值點附近部分裂紋逐漸閉合,極限平衡區(qū)裂紋又全部快速張開。3)實驗室研究論文采用宏細觀結(jié)合的實驗研究方法研究了煤體裂隙發(fā)育的全過程,圖示了煤體損傷—斷裂—破壞的全過程;對煤中原生裂隙和次生裂隙分開研究,發(fā)現(xiàn)了二者各自的發(fā)育特點和聯(lián)系;定義了煤樣應(yīng)力應(yīng)變曲線上的彎曲點,并發(fā)現(xiàn)了彎曲點與橫向裂紋發(fā)育的關(guān)系。(1)細觀實驗中發(fā)現(xiàn):在彈性階段前中期,原始損傷已經(jīng)開始發(fā)育;次生裂紋是由于煤基質(zhì)原始損傷的發(fā)育形成的;次生裂紋經(jīng)常產(chǎn)生在原生裂紋附近是因為原生裂紋附近煤基質(zhì)原始損傷嚴重;裂紋在擴展的路徑中,與附近的損傷連接并易于朝向損傷嚴重的方向產(chǎn)生分支。(2)宏觀實驗中發(fā)現(xiàn):(1)在煤樣應(yīng)力應(yīng)變曲線中,塑性點之前存在一個彎曲點,彎曲點的斜率略小于塑性點的斜率,其應(yīng)力平均值是峰值點的0.77。彎曲點之后,橫向次生裂紋開始發(fā)育;(2)在煤樣應(yīng)力應(yīng)變曲線中,原生裂紋在彈性階段前期發(fā)生剪切滑移,隨后穩(wěn)定彎折擴展直到塑性點;塑性階段,原生裂紋轉(zhuǎn)為剪切擴展,煤體開始發(fā)生側(cè)向移動;峰值點,原生裂紋擴展形成宏觀剪切破壞面,導(dǎo)致整體發(fā)生剪切破壞;原生裂紋的擴展方向近似豎直方向。(3)次生裂紋的產(chǎn)生取決于原始損傷程度與損傷發(fā)育。塑性點之前,豎直或傾斜的次生裂紋慢速獨立發(fā)育,橫向次生裂紋很少發(fā)育;彎曲點之后橫向次生裂紋開始發(fā)育;在塑性點之后,橫向和豎向次生裂紋快速大量發(fā)育貫通。次生裂紋通常在原生裂紋附近發(fā)育,也通常伴隨著原生裂紋的剪切滑移出現(xiàn)在剪切滑移面附近;次生裂紋傾向于自相似擴展,當附近有其他裂紋,則優(yōu)先朝著與其他裂紋貫通的方向擴展。4)支承壓力區(qū)分區(qū)與現(xiàn)場實測在理論研究和實驗室研究的基礎(chǔ)上,根據(jù)裂紋發(fā)育的類型將支承壓力區(qū)細分為:初始裂紋區(qū)、裂紋剪切滑移與自相似擴展區(qū)、裂紋彎折擴展區(qū)、橫向裂紋發(fā)育區(qū)、裂紋剪切擴展區(qū)、裂紋剪切破壞區(qū)和裂紋反向滑移區(qū)。同時通過支承壓力公式與裂隙發(fā)育力學(xué)條件,計算出了不同區(qū)域與工作面的距離。在以上分區(qū)的基礎(chǔ)上,對裂隙的發(fā)育特征進行了現(xiàn)場實測研究,結(jié)果與理論分析和實驗室研究結(jié)果相吻合。觀測結(jié)果表明:隨著與工作面距離的減小,煤巖體的采動裂隙逐漸增加,裂紋類型逐漸由孤立型、網(wǎng)絡(luò)狀轉(zhuǎn)變;次生橫向裂隙在與工作面近距離處逐漸增多、貫通發(fā)展成為密集網(wǎng)狀分布;煤樣沿傾向和水平方向的裂隙的發(fā)育不顯著,沿垂直方向分布的裂隙大量發(fā)育;在構(gòu)造裂隙發(fā)育的區(qū)域,煤層瓦斯易于流動和富集,此處的透氣性最好�，F(xiàn)場同時進行了鉆孔瓦斯抽采驗證了瓦斯通道演化規(guī)律的正確性。5)瓦斯流動狀態(tài)與滲透率演化根據(jù)支承壓力區(qū)的分區(qū)特點,分析工作面前方不同區(qū)域內(nèi)的瓦斯流動狀態(tài)與滲透率演化規(guī)律。(1)瓦斯在煤體內(nèi)的流動狀態(tài)可用雷諾數(shù)準則來判斷,支承壓力區(qū)彈性區(qū)內(nèi),瓦斯流動符合達西定律;極限平衡區(qū)內(nèi),瓦斯流動符合非線性滲流定律,可用forhheimer方程描述。(2)以往研究結(jié)果表明,煤巖體滲透率在巖石應(yīng)力應(yīng)變曲線孔隙壓密階段稍微減小,在塑性階段以后快速增大,在應(yīng)變軟化階段達到峰值。塑性流動階段跟圍壓有關(guān),若圍壓大,則滲透率減小幅度較大;若圍壓小,則滲透率減小幅度較小;煤巖體滲透率受到有效應(yīng)力,巖石性質(zhì),圍壓,裂隙方向等因素的影響。煤體的滲透率變化存在著尺度效應(yīng),工程尺度內(nèi),煤體并沒有經(jīng)歷實驗室尺度內(nèi)的初始壓密階段的滲透率減小階段,煤體在峰值點以后繼續(xù)快速增加,沒有呈現(xiàn)處實驗室尺度內(nèi)的峰值后滲透率減小的現(xiàn)象。6)數(shù)值模擬研究利用comsol數(shù)值模擬軟件,建立瓦斯在煤層中流動的氣固耦合模型�？紤]瓦斯非線性滲流,建立煤巖體塑性應(yīng)變與瓦斯流動狀態(tài)的關(guān)系;研究了工作面前方的瓦斯速度場、濃度場、壓力場、滲透率和孔隙率的演化規(guī)律。主要結(jié)論如下:(1)隨工作面推進,工作面前方應(yīng)力集中系數(shù)逐漸增大,采動影響范圍逐漸增大;前方煤巖體塑性區(qū)隨工作面的推進而同步遷移,塑性應(yīng)變值逐漸增大。(2)工作面前方煤巖體10~15m范圍內(nèi),滲透率急劇增大。隨時間推移,滲透率分布發(fā)生變化:15~25m的范圍內(nèi),滲透率逐漸減小,但滲透率的增加區(qū)域基本穩(wěn)定在前方10~15m范圍內(nèi);孔隙率的變化規(guī)律與滲透率一致。(3)煤層開挖后,煤層深部瓦斯向工作面流動�？拷ぷ髅嫣幍耐咚沽鲃铀俣却�;靠近工作面處的瓦斯壓力很小,往煤層深部瓦斯壓力逐漸增大,隨時間的推移,瓦斯壓力減小區(qū)域逐漸往深部擴展;瓦斯?jié)舛确植紕t相反,靠近工作面的煤體瓦斯?jié)舛群艽?往深處瓦斯?jié)舛戎饾u減小,隨著時間的推移,瓦斯?jié)舛仍龃髤^(qū)域逐漸往深部發(fā)展。(4)工作面前方10~15m范圍內(nèi),瓦斯流動屬于非線性滲流。
【關(guān)鍵詞】：瓦斯通道 采動影響 宏細觀 氣固耦合
【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5-8
• Abstract8-15
• 1 緒論15-25
• 1.1 選題背景15-16
• 1.1.1 問題的提出15
• 1.1.2 研究意義15-16
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在問題16-22
• 1.2.1 細觀尺度采場裂隙研究現(xiàn)狀16-18
• 1.2.2 宏觀尺度采場裂隙研究現(xiàn)狀18-19
• 1.2.3 瓦斯流動及卸壓抽采研究現(xiàn)狀19-21
• 1.2.4 存在問題21-22
• 1.3 主要研究內(nèi)容與方法22-25
• 1.3.1 主要研究內(nèi)容22
• 1.3.2 技術(shù)路線圖22-25
• 2 采動煤巖體瓦斯通道分類及其形成機制25-49
• 2.1 煤體微結(jié)構(gòu)25-27
• 2.1.1 孔隙結(jié)構(gòu)特征25-26
• 2.1.2 裂隙結(jié)構(gòu)特征26-27
• 2.1.3 影響煤體微結(jié)構(gòu)的主要因素27
• 2.2 煤巖體瓦斯通道27-31
• 2.2.1 煤巖體瓦斯通道類型27-28
• 2.2.2 宏細觀瓦斯通道判據(jù)28-31
• 2.3 煤巖體瓦斯通道空間分布31-34
• 2.3.1 垂直方向上煤巖體瓦斯通道分布32-33
• 2.3.2 推進方向上煤巖體瓦斯通道分布33-34
• 2.4 工作面超前支承壓力分布規(guī)律34-38
• 2.4.1 支承壓力演化規(guī)律34-35
• 2.4.2 支承壓力表達公式35-38
• 2.5 工作面前方煤巖體瓦斯通道形成機制38-46
• 2.5.1 彈性區(qū)細觀瓦斯通道形成機制38-42
• 2.5.2 峰值點宏觀瓦斯通道形成機制42
• 2.5.3 極限平衡區(qū)宏觀瓦斯通道形成機制42-43
• 2.5.4 工作面前方煤巖體裂隙閉合度力學(xué)分析43-46
• 2.6 本章小結(jié)46-49
• 3 煤體宏細觀尺度裂隙發(fā)育實驗室研究49-75
• 3.1 實驗設(shè)計49-52
• 3.1.1 實驗?zāi)康?/span>49
• 3.1.2 宏觀實驗49
• 3.1.3 細觀實驗49-50
• 3.1.4 實驗組數(shù)與樣品尺寸50
• 3.1.5 實驗誤差說明50-52
• 3.1.6 細觀實驗研究對象52
• 3.2 細觀實驗結(jié)果分析52-62
• 3.2.1 煤體的微結(jié)構(gòu)及原始損傷52-54
• 3.2.2 原始損傷發(fā)育54-57
• 3.2.3 原始損傷發(fā)育—次生裂紋的形成57-58
• 3.2.4 原生裂紋的變化58-60
• 3.2.5 裂紋的發(fā)育特征60-62
• 3.3 宏觀實驗結(jié)果分析62-74
• 3.3.1 彎曲點與橫向次生裂紋的聯(lián)系62-63
• 3.3.2 應(yīng)力應(yīng)變?nèi)�過程中裂紋發(fā)育特征63-71
• 3.3.3 原生裂紋與次生裂紋的發(fā)育特點71-74
• 3.4 本章小結(jié)74-75
• 4 工作面前方瓦斯通道分區(qū)及瓦斯流態(tài)75-105
• 4.1 工作面前方瓦斯通道分區(qū)75-80
• 4.2 采動裂隙閉合區(qū)域分析80-82
• 4.3 采動煤巖體瓦斯通道現(xiàn)場觀測研究82-92
• 4.3.1 采動煤巖體細觀瓦斯通道現(xiàn)場觀測82-87
• 4.3.2 采動煤巖體宏觀瓦斯通道現(xiàn)場觀測87-88
• 4.3.3 采動煤巖體瓦斯通道演變機制88-90
• 4.3.4 瓦斯通道的現(xiàn)場觀測驗證90-92
• 4.4 瓦斯流動狀態(tài)92-96
• 4.4.1 瓦斯在孔隙系統(tǒng)中的擴散定律92
• 4.4.2 瓦斯在裂隙系統(tǒng)的滲流規(guī)律92-95
• 4.4.3 工作面前方采動煤巖體內(nèi)瓦斯流動狀態(tài)95-96
• 4.5 煤巖體滲透率演化規(guī)律96-103
• 4.5.1 滲透率演化規(guī)律實驗室研究97-98
• 4.5.2 滲透率演化規(guī)律現(xiàn)場實測研究98-100
• 4.5.3 滲透率的影響因素100-102
• 4.5.4 滲透率計算模型102-103
• 4.6 本章小結(jié)103-105
• 5 煤巖體瓦斯流動氣固耦合數(shù)值模擬研究105-135
• 5.1 煤巖應(yīng)力場模型105-107
• 5.1.1 煤巖應(yīng)力平衡方程105-106
• 5.1.2 煤巖幾何方程106
• 5.1.3 煤巖線彈性本構(gòu)方程106-107
• 5.1.4 煤巖體屈服條件107
• 5.1.5 煤巖殘余流動理論107
• 5.2 瓦斯運移模型107-114
• 5.2.1 瓦斯運動方程107-108
• 5.2.2 氣體狀態(tài)方程108-109
• 5.2.3 瓦斯含量方程109-110
• 5.2.4 連續(xù)性方程110-111
• 5.2.5 瓦斯流動數(shù)學(xué)模型111-112
• 5.2.6 孔隙率和滲透率演化模型112-114
• 5.2.7 流固耦合模型114
• 5.3 工作面前方煤巖體瓦斯流動氣固耦合數(shù)值模擬分析114-134
• 5.3.1Comsol Multiphysics軟件簡介114-116
• 5.3.2 模型建立與基本假設(shè)116-117
• 5.3.3 數(shù)值模擬模塊的應(yīng)用117-119
• 5.3.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析119-132
• 5.3.5 達西流與非達西流對比分析132-134
• 5.4 本章小結(jié)134-135
• 6 結(jié)論與展望135-139
• 6.1 結(jié)論135-137
• 6.2 創(chuàng)新點137
• 6.3 展望137-139
• 參考文獻139-147
• 致謝147-149
• 作者簡介149
• 在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文149
• 在學(xué)期間參加科研項目149
• 主要獲獎149

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 胡亮;樊榮;王衛(wèi)軍;孫中光;;大采高長壁綜采工作面支承壓力分布預(yù)測分析[J];煤炭工程;2014年08期

2 王凱;鄭吉玉;夏威;李鵬;李聰;;工作面采動煤體卸壓增透效應(yīng)研究與應(yīng)用[J];煤炭科學(xué)技術(shù);2014年06期

3 張勇;許力峰;劉珂銘;李艷君;張保;李偉斌;;采動煤巖體瓦斯通道形成機制及演化規(guī)律[J];煤炭學(xué)報;2012年09期

4 劉洪永;程遠平;陳海棟;孔勝利;徐超;;高強度開采覆巖離層瓦斯通道特征及瓦斯?jié)B流特性研究[J];煤炭學(xué)報;2012年09期

5 周宏偉;張濤;薛東杰;薛俊華;;長壁工作面覆巖采動裂隙網(wǎng)絡(luò)演化特征[J];煤炭學(xué)報;2011年12期

6 謝和平;周宏偉;劉建鋒;高峰;張茹;薛東杰;張勇;;不同開采條件下采動力學(xué)行為研究[J];煤炭學(xué)報;2011年07期

7 彭永偉;齊慶新;汪有剛;鄧志剛;李宏艷;李春睿;;煤體采動裂隙現(xiàn)場實測及其應(yīng)用研究[J];巖石力學(xué)與工程學(xué)報;2010年S2期

8 程遠平;俞啟香;周紅星;王海鋒;;煤礦瓦斯治理“先抽后采”的實踐與作用[J];采礦與安全工程學(xué)報;2006年04期

9 劉衛(wèi)群;繆協(xié)興;余為;房敬年;劉名;;破碎巖石氣體滲透性的試驗測定方法[J];實驗力學(xué);2006年03期

10 劉冬梅;蔡美峰;周玉斌;陳志勇;;巖石裂紋擴展過程的動態(tài)監(jiān)測研究[J];巖石力學(xué)與工程學(xué)報;2006年03期

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 高保彬;采動煤巖裂隙演化及其透氣性能試驗研究[D];北京交通大學(xué);2010年

2 彭永偉;高強度開采煤體采動裂隙場演化及其與瓦斯流動場耦合作用研究[D];煤炭科學(xué)研究總院;2008年

，

本文編號：789902