掘進(jìn)過程中煤體瓦斯?jié)B流受到機(jī)械掘進(jìn)、鉆探等動(dòng)態(tài)低頻機(jī)械振動(dòng)載荷影響,研究低頻機(jī)械振動(dòng)影響煤體瓦斯?jié)B流特性,對于認(rèn)識掘進(jìn)煤體瓦斯運(yùn)移,煤與瓦斯突出機(jī)理等都具有重要意義。為研究低頻機(jī)械振動(dòng)載荷對煤體瓦斯?jié)B流的影響,本文對低頻機(jī)械振動(dòng)作用下煤體孔隙率、應(yīng)力-應(yīng)變、瓦斯含量、滲透率進(jìn)行理論分析,建立了低頻機(jī)械振動(dòng)含瓦斯煤體應(yīng)力-滲流耦合數(shù)學(xué)模型,并以山西某突出礦井的四采區(qū)405掘進(jìn)工作面為工程背景,分析數(shù)學(xué)模型嵌入Comsol軟件所建立的數(shù)值模型中各個(gè)參量變化。首先,理論分析低頻機(jī)械振動(dòng)影響煤體骨架應(yīng)變及體積壓縮變化,得到振動(dòng)煤體骨架應(yīng)變表達(dá)式、振動(dòng)頻率、振動(dòng)時(shí)間與煤體體積關(guān)系表達(dá)式,建立振動(dòng)含瓦斯煤體孔隙率變化方程并進(jìn)行試驗(yàn)檢驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上,分析煤體內(nèi)部骨架有效應(yīng)力,得到振動(dòng)煤體有效應(yīng)力關(guān)系表達(dá)式,利用應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系,建立振動(dòng)含瓦斯煤體體積應(yīng)變方程,并借助試驗(yàn)檢驗(yàn)其規(guī)律性。其次,通過振動(dòng)不同形態(tài)煤體吸附試驗(yàn),分析振動(dòng)對煤體吸附性能的影響。通過松散煤樣吸附試驗(yàn),分析未吸附飽和煤體內(nèi)壓突然增加后振動(dòng)吸附特性,得出試驗(yàn)致因是振動(dòng)使松散煤樣內(nèi)部反復(fù)摩擦,加劇氣體分子熱運(yùn)動(dòng),摩擦面形成短暫的負(fù)電荷層,提高了煤體表面勢能,同時(shí)振動(dòng)不斷撕裂包圍煤基質(zhì)的瓦斯氣膜。以振動(dòng)含瓦斯煤體孔隙率方程為基礎(chǔ),分析煤體游離態(tài)瓦斯特性,得到煤體游離態(tài)瓦斯含量表達(dá)式,建立煤體振動(dòng)動(dòng)態(tài)瓦斯含量方程,并利用振動(dòng)吸附飽和原煤試件試驗(yàn)檢驗(yàn)方程。通過試驗(yàn)檢驗(yàn)煤體孔隙率方程、體積應(yīng)變方程及瓦斯含量方程,均發(fā)現(xiàn)方程得出的計(jì)算值與實(shí)測值存在一定偏差,但計(jì)算值能較好體現(xiàn)出低頻機(jī)械振動(dòng)影響煤體孔隙、煤與瓦斯系統(tǒng)整體體積應(yīng)變及瓦斯含量的變化規(guī)律。再次,以振動(dòng)煤體骨架應(yīng)變?yōu)榛A(chǔ),針對地球物理場中振動(dòng)影響煤體應(yīng)變變化特性,利用煤體應(yīng)變表達(dá)式、煤體有效應(yīng)力平衡關(guān)系,建立低頻機(jī)械振動(dòng)含瓦斯煤體應(yīng)力-滲流耦合場應(yīng)力控制方程;以Kozeny-Carman提出的滲透率表達(dá)式為基礎(chǔ),分析孔隙壓縮、吸附膨脹及振動(dòng)擠壓對煤體應(yīng)變的影響,建立低頻機(jī)械振動(dòng)作用下含瓦斯煤體滲透率表達(dá)式。應(yīng)用滲透率表達(dá)式及瓦斯含量方程,依據(jù)滲流過程瓦斯質(zhì)量守恒,得到低頻機(jī)械振動(dòng)含瓦斯煤體應(yīng)力-滲流耦合場滲流控制方程。從而建立低頻機(jī)械振動(dòng)含瓦斯煤體應(yīng)力-滲流耦合數(shù)學(xué)模型。采用間接測壓法,通過山西某突出礦井的四采區(qū)405掘進(jìn)工作面打鉆振動(dòng)實(shí)測試驗(yàn)得出的煤層瓦斯壓力值與建模計(jì)算值對比,發(fā)現(xiàn)計(jì)算數(shù)值能較好的反應(yīng)低頻振動(dòng)對煤體瓦斯壓力的影響規(guī)律。最后,以山西某突出礦井的四采區(qū)405掘進(jìn)工作面為工程背景,將數(shù)學(xué)模型嵌入Comsol軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,并研究數(shù)值計(jì)算得出的各物理量變化規(guī)律。分析煤層瓦斯壓力及游離瓦斯含量,發(fā)現(xiàn)振動(dòng)頻率越大,煤體內(nèi)游離瓦斯含量越大,瓦斯壓力越大,壓力峰值及游離瓦斯增大的區(qū)域越接近工作面,越易突出。振動(dòng)頻率相同,煤體內(nèi)游離瓦斯隨時(shí)間增加逐漸增加,瓦斯壓力變大,影響區(qū)域增多;分析模型中煤體體積應(yīng)變、孔隙率、滲透率變化,發(fā)現(xiàn)振動(dòng)頻率越大,越靠近掘進(jìn)面煤體體積應(yīng)變、孔隙率、滲透率減小梯度越大,煤體壓縮量越大,孔隙越閉合,孔隙率越小,滲透率越低,形成瓦斯壓力集中區(qū)。振動(dòng)頻率相同,振動(dòng)時(shí)間增加,煤體體積逐漸收縮變小、孔隙減少、滲透性減弱,越靠近掘進(jìn)面,煤體體積應(yīng)變、孔隙率、滲透率變化越明顯。總之,通過系統(tǒng)分析低頻機(jī)械振動(dòng)含瓦斯煤體應(yīng)力-滲流耦合場瓦斯?jié)B流狀況,得到的低頻機(jī)械振動(dòng)影響煤體孔隙率、體積應(yīng)變、游離態(tài)瓦斯含量、瓦斯壓力、滲透率變化規(guī)律,清晰呈現(xiàn)出煤巷掘進(jìn)過程中瓦斯運(yùn)移規(guī)律及煤體各物理量變化規(guī)律,對于防治掘進(jìn)過程中出現(xiàn)的打鉆噴孔、煤與瓦斯突出現(xiàn)象,以及認(rèn)識煤與瓦斯突出機(jī)理,改善高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井的安全狀況具有重要工程意義。
【學(xué)位單位】：西安科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TD712
【部分圖文】：

驗(yàn)臺；2—內(nèi)六角螺釘；3—進(jìn)氣孔；4—?dú)怏w壓力傳感器孔；5—密封蓋；6—空心半圓柱7—內(nèi)膽進(jìn)氣孔；8—煤樣罐；9—長桿螺紋栓；10—螺紋堵頭圖 2.3 原煤試件外置吸附罐結(jié)構(gòu)圖激振系統(tǒng)統(tǒng)主要包括 JZK-20 型電動(dòng)式激振器、YE1311 掃頻信號發(fā)生器、利用螺釘將電磁式激振儀固定于支架。電磁式激振儀與壓力傳感

理性能變化及吸附過程；信號采集系統(tǒng)采用統(tǒng)，傳感器具有較高的壓力-電荷靈敏度，線從直流到自振頻率）、工作壽命長、無源等特物如圖 2.6、2.7、2.8、2.9、2.10 所示。

YE6262動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)
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本文編號：2843829