本文關(guān)鍵詞：多尺度裂隙煤體氣固耦合行為及機(jī)制研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：深部煤炭開采進(jìn)入“高應(yīng)力、高瓦斯、強(qiáng)吸附、低滲透”的地質(zhì)環(huán)境,煤與瓦斯共采難度增加,固-氣耦合動(dòng)力災(zāi)害嚴(yán)重,災(zāi)變因素眾多且動(dòng)態(tài)耦合,致災(zāi)機(jī)制復(fù)雜多變。本文基于煤體多尺度結(jié)構(gòu)特征和時(shí)空變異性,采用實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,從煤體基巖與裂隙交互作用、含瓦斯煤多相耦合孔隙介質(zhì)力學(xué)特性和含瓦斯煤裂隙損傷滲流耦合行為三個(gè)方面,系統(tǒng)研究并揭示了多尺度裂隙煤體氣固耦合行為及機(jī)制;建立了多尺度裂隙煤體氣固耦合數(shù)學(xué)物理模型(MSFM),基于Comsol Multiphysics模擬軟件和Matlab軟件開發(fā)了適用于大尺度非均質(zhì)煤層與瓦斯耦合分析的應(yīng)力損傷滲流數(shù)值計(jì)算程序,并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。開展了煤的壓汞實(shí)驗(yàn)和液氮吸附實(shí)驗(yàn),研究并揭示了煤體的多尺度結(jié)構(gòu)特征,并采用多重分形規(guī)律對(duì)煤體的孔隙/裂隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了定量化研究,奠定了煤與瓦斯固氣耦合數(shù)學(xué)物理模型的物理構(gòu)架和尺度邊界。實(shí)驗(yàn)研究了不同尺度煤粒的瓦斯吸附解吸與放散規(guī)律。結(jié)果表明,煤粒瓦斯吸附解吸和擴(kuò)散具有尺度特性。從微、細(xì)和宏觀角度揭示了煤粒瓦斯放散的動(dòng)力學(xué)機(jī)制,建立了適用于大尺度塊煤的瓦斯放散數(shù)值模型,為煤體基巖與裂隙交互作用中源匯項(xiàng)的數(shù)值模擬奠定了理論基礎(chǔ)。開展了含瓦斯煤體單軸壓縮實(shí)驗(yàn)和吸附侵蝕實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,煤吸附瓦斯后改變了煤體基本力學(xué)參數(shù)�；贛ohr-Columb準(zhǔn)則將吸附瓦斯的非力學(xué)作用定量化。根據(jù)斷裂力學(xué)和細(xì)觀損傷力學(xué),考慮吸附瓦斯的力學(xué)和非力學(xué)作用,建立了含瓦斯煤體各向異性有效應(yīng)力和雙重孔隙損傷本構(gòu)方程,并進(jìn)行了數(shù)值檢驗(yàn)。構(gòu)建了真三軸煤與瓦斯耦合損傷滲流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),模擬深部巖體應(yīng)力環(huán)境,開展了煤體限定圍壓滲流實(shí)驗(yàn)、等效圍壓滲流實(shí)驗(yàn)和真三軸加卸載滲流實(shí)驗(yàn)。研究了裂隙損傷演化和滲流場(chǎng)時(shí)空變異性的耦合關(guān)系,并建立了基質(zhì)孔隙和裂隙系統(tǒng)應(yīng)力損傷滲流耦合方程;開展了不同壓力梯度的氦氣滲流實(shí)驗(yàn),研究揭示了煤體裂隙損傷演化過程中的滲流機(jī)制。結(jié)果表明,基質(zhì)孔隙通常表現(xiàn)為存在啟動(dòng)壓力的非線性達(dá)西滲流,而裂隙則在低壓段表現(xiàn)出明顯的Klinkenberg效應(yīng),并在高壓力梯度階段表現(xiàn)出冪律滲流規(guī)律。在上述研究的基礎(chǔ)上,建立了多尺度裂隙煤體氣固耦合數(shù)學(xué)物理模型(MSFM),基于Comsol Multiphysics軟件,開發(fā)了適用于大尺度煤層的應(yīng)力損傷滲流耦合數(shù)值計(jì)算程序,并開展了急傾斜煤層下保護(hù)層開采數(shù)值模擬與工程實(shí)踐,并和傳統(tǒng)數(shù)值模型進(jìn)行了對(duì)比分析。研究表明,相比于傳統(tǒng)模型,MSFM模型能有效模擬:1)保護(hù)層開采、鉆孔瓦斯抽采等擾動(dòng)過程中的力學(xué)滲流耦合行為;2)煤層、頂?shù)装鍘r體裂隙擴(kuò)展貫通導(dǎo)致的瓦斯越流現(xiàn)象;3)煤層采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)、裂隙場(chǎng)和瓦斯?jié)B流場(chǎng)的時(shí)空分布及演化規(guī)律。研究成果對(duì)進(jìn)一步完善煤與瓦斯固氣耦合理論,揭示煤與瓦斯耦合動(dòng)力災(zāi)害過程及機(jī)理,促進(jìn)煤與瓦斯共采多場(chǎng)耦合大尺度模擬及災(zāi)害防治具有重要的理論意義和實(shí)踐作用。相關(guān)成果對(duì)頁巖氣的開發(fā)和利用、CO2地下封存、核廢料處理等相關(guān)領(lǐng)域也具有一定借鑒作用。該論文有圖94幅,表17個(gè),參考文獻(xiàn)219篇。
【關(guān)鍵詞】：多尺度 裂隙煤體 力學(xué)滲流 氣固耦合 數(shù)值模擬
【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】：2015
【分類號(hào)】：TD712
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-9
• Extended Abstract9-25
• 變量注釋表25-28
• 1 緒論28-40
• 1.1 研究背景及意義28-29
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀29-37
• 1.3 存在問題及不足37
• 1.4 主要研究?jī)?nèi)容和技術(shù)路線37-40
• 2 裂隙煤體多尺度結(jié)構(gòu)特征與分形規(guī)律40-60
• 2.1 裂隙煤體的物理結(jié)構(gòu)特征40-41
• 2.2 裂隙煤體分形理論及模型41-45
• 2.3 裂隙煤體多尺度結(jié)構(gòu)特性45-59
• 2.4 本章小結(jié)59-60
• 3 煤粒瓦斯吸附解吸與放散尺度特性、動(dòng)力學(xué)機(jī)制及數(shù)值模型60-76
• 3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及試樣60-62
• 3.2 煤粒瓦斯吸附解吸與放散實(shí)驗(yàn)結(jié)果62-64
• 3.3 煤粒瓦斯吸附解吸與放散控制機(jī)理及動(dòng)力學(xué)模型64-75
• 3.4 本章小結(jié)75-76
• 4 含瓦斯煤體有效應(yīng)力與雙重孔隙損傷本構(gòu)模型76-108
• 4.1 含瓦斯煤巖力學(xué)特性測(cè)試系統(tǒng)及試樣76-78
• 4.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及方案78-82
• 4.3 含瓦斯煤力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果82-91
• 4.4 含瓦斯煤有效應(yīng)力與雙重孔隙損傷本構(gòu)模型91-100
• 4.5 含瓦斯煤雙重孔隙損傷本構(gòu)模型數(shù)值檢驗(yàn)100-107
• 4.6 本章小結(jié)107-108
• 5 裂隙煤體滲流時(shí)空變異性與滲流機(jī)理108-136
• 5.1 真三軸多場(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及試樣制備108-113
• 5.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及方案113-115
• 5.3 實(shí)驗(yàn)原理及方法115-117
• 5.4 裂隙煤體滲流實(shí)驗(yàn)結(jié)果117-126
• 5.5 分析與討論126-134
• 5.6 本章小結(jié)134-136
• 6 多尺度裂隙煤體氣固耦合模型與工程應(yīng)用136-168
• 6.1 多尺度裂隙煤體氣-固耦合物理數(shù)值模型136-148
• 6.2 多尺度裂隙煤體氣-固耦合數(shù)值計(jì)算方法148-149
• 6.3 多尺度裂隙煤體氣-固耦合模型數(shù)值應(yīng)用與驗(yàn)證149-165
• 6.4 分析與討論165-167
• 6.5 本章小結(jié)167-168
• 7 全文總結(jié)、創(chuàng)新點(diǎn)及展望168-172
• 7.1 全文總結(jié)168-170
• 7.2 創(chuàng)新點(diǎn)170
• 7.3 展望170-172
• 參考文獻(xiàn)172-184
• 作者簡(jiǎn)介184-187
• 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集187

  本文關(guān)鍵詞：多尺度裂隙煤體氣固耦合行為及機(jī)制研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：253061