發(fā)布時(shí)間：2017-05-05 10:13

  本文關(guān)鍵詞：多重應(yīng)力路徑下雙重孔隙煤體損傷擴(kuò)容及滲透性演化機(jī)制與應(yīng)用，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：近年來,隨著我國東部各主產(chǎn)礦區(qū)相繼進(jìn)入深部開采狀態(tài),深部煤層鉆孔瓦斯抽采遇到了諸多瓶頸,深部采動(dòng)應(yīng)力條件下煤體的基本力學(xué)行為和滲透性演化特征仍有待深入研究。為進(jìn)一步揭示煤體滲透性演化的內(nèi)在力學(xué)機(jī)制以及煤層瓦斯運(yùn)移過程中的物理本質(zhì),本文基于實(shí)際采動(dòng)應(yīng)力條件獲得的多重應(yīng)力路徑,分別使用原煤、常規(guī)型煤和微擾動(dòng)軟煤試樣,較系統(tǒng)的開展了煤樣的力學(xué)及滲透性演化試驗(yàn),并綜合運(yùn)用巖體力學(xué)、滲流力學(xué)、C.D.Martin裂隙應(yīng)變模型等理論方法研究了煤的力學(xué)特性、損傷擴(kuò)容規(guī)律和滲透率演化的內(nèi)在力學(xué)機(jī)制。在此基礎(chǔ)上,構(gòu)建了雙重孔隙煤體瓦斯運(yùn)移過程中的氣固耦合模型,分別以實(shí)驗(yàn)室和工程尺度為背景對瓦斯運(yùn)移規(guī)律開展了模擬研究。取得了以下研究成果:(1)圍壓卸載對煤體強(qiáng)度起劣化作用。加載條件下,常規(guī)型煤和微擾動(dòng)軟煤的內(nèi)聚力分別為1.72MPa和1.18MPa,內(nèi)摩擦角均為35.06°;圍壓卸載條件下,常規(guī)型煤和微擾動(dòng)軟煤的內(nèi)聚力分別為0.95MPa和0.83MPa,內(nèi)摩擦角分別為38.03°和34.74°。圍壓卸載下,常規(guī)型煤和微擾動(dòng)軟煤內(nèi)聚力分別劣化約44.77%和29.66%。(2)通過理論分析獲得了煤體損傷擴(kuò)容漸進(jìn)破壞過程及煤體滲透性演化的內(nèi)在力學(xué)機(jī)制�；谠囼�(yàn)獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,利用C.D.Martin裂隙應(yīng)變模型對煤體裂隙發(fā)育進(jìn)行了定量描述,獲得了裂隙發(fā)育各階段對應(yīng)的特征應(yīng)力。當(dāng)煤體所處的應(yīng)力水平達(dá)到損傷擴(kuò)容應(yīng)力cds時(shí),煤體即產(chǎn)生塑性變形,開始擴(kuò)容屈服�；诿后w損傷擴(kuò)容漸進(jìn)性破壞的力學(xué)機(jī)制,建立了煤體損傷擴(kuò)容屈服準(zhǔn)則。不同初始損傷程度卸載條件下煤體滲透性測試結(jié)果表明,煤樣損傷擴(kuò)容前,煤樣滲透率同差應(yīng)力的關(guān)系符合指數(shù)函數(shù)0 1 3k=kexp[A(s-s)];損傷擴(kuò)容后,煤樣滲透率呈近似線性的快速增長趨勢。將煤體裂隙演化規(guī)律同滲透性演化規(guī)律相結(jié)合,揭示了滲透性演化的內(nèi)在力學(xué)機(jī)制。(3)開展了靜水壓條件下原煤和型煤滲透性試驗(yàn),結(jié)果表明,裂隙瓦斯壓力能迅速達(dá)到目標(biāo)值,而基質(zhì)瓦斯壓力的增速則非常緩慢;吸附平衡過程中滲透性的演化為有效應(yīng)力及吸附膨脹變形競爭作用的結(jié)果;原煤所需的吸附平衡時(shí)間約為型煤的2.7倍;隨著圍壓的增大,煤樣的骨架壓縮,裂隙寬度減小,滲透率降低,滲透率同有效應(yīng)力符合形如0 0exp[3()]fk=k-cs-s的函數(shù)關(guān)系,回歸計(jì)算獲得型煤和原煤的裂隙壓縮因子分別為2.34′10-4 psia-1、1.96′10-4 psia-1和1.09′10-3 psia-1,表明原煤的應(yīng)力敏感性遠(yuǎn)大于型煤,而兩個(gè)型煤的應(yīng)力敏感性則基本相同。(4)使用COMSOL Multiphysics軟件調(diào)用本文建立的雙重孔隙煤體瓦斯運(yùn)移過程中的滲透率演化模型及氣固耦合模型,分別以實(shí)驗(yàn)室和工程尺度為背景模擬研究了煤中的瓦斯運(yùn)移規(guī)律。模擬結(jié)果表明,裂隙瓦斯壓力和基質(zhì)瓦斯壓力對于目標(biāo)平衡狀態(tài)的響應(yīng)速度差別較大,煤樣吸附平衡12h時(shí),基質(zhì)瓦斯壓力仍小于吸附平衡1h時(shí)的裂隙瓦斯壓力。響應(yīng)速度帶來的影響同Klinkenberg效應(yīng)在同一個(gè)數(shù)量級,模擬分析時(shí)忽略該影響將使得基質(zhì)瓦斯壓力被低估。(5)順層鉆孔常見的失穩(wěn)破壞模式主要包括零坍塌、局部坍塌、拱形坍塌和塌穿型坍塌。鉆孔周圍的應(yīng)力擾動(dòng)區(qū)依次為峰后破碎區(qū)、損傷擴(kuò)容區(qū)和彈性變形區(qū)。同損傷擴(kuò)容屈服準(zhǔn)則相比,Mohr-Coulomb準(zhǔn)則判斷煤體是否發(fā)生塑性變形時(shí)較為“保守”。PVC篩管單向抗擠試驗(yàn)結(jié)果表明,2T、1.5T和1T篩管的最大分別能承受約105k N/m、61k N/m和49k N/m的單向外擠力。僅當(dāng)鉆孔破壞后無法形成自穩(wěn)的壓力拱,傳遞到篩管上的地應(yīng)力大于其所能承受的最大煤層擠壓力時(shí),篩管失效。(6)使用COMSOL Multiphysics軟件調(diào)用本文建立的滲透率和氣固耦合模型,模擬研究了丁集礦1331(1)工作面鉆孔及巷道周圍煤體的采動(dòng)應(yīng)力、滲透率及裂隙瓦斯壓力分布特征。模擬結(jié)果表明,鉆孔及巷道的應(yīng)力擾動(dòng)范圍分別為0.27m和18m,區(qū)域內(nèi)煤體滲透率最大值分別為初始值的1550倍和2000倍,最小值分別為初始值的0.5倍和0.2倍。鉆孔局部坍塌后能夠形成自穩(wěn)的壓力拱。鉆孔應(yīng)力擾動(dòng)對于抽采效果起削弱作用;鉆孔穩(wěn)定情況下篩管護(hù)孔也不會削弱其瓦斯抽采效果。通過快速全程篩管護(hù)孔工藝同傳統(tǒng)護(hù)孔工藝抽采效果的對比,驗(yàn)證了上述理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果的合理性和可靠性。
【關(guān)鍵詞】：強(qiáng)度劣化 損傷擴(kuò)容 滲透率演化 氣固耦合 瓦斯抽采
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TD712
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-7
• 英文摘要7-10
• Extended Abstract10-25
• 變量注釋表25-27
• 1 緒論27-43
• 1.1 選題背景及意義27-28
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀28-39
• 1.3 需進(jìn)一步研究的問題39-40
• 1.4 研究內(nèi)容及技術(shù)路線40-43
• 2 多重應(yīng)力路徑下煤體力學(xué)特性及損傷擴(kuò)容機(jī)制43-85
• 2.1 試驗(yàn)方法43-51
• 2.2 多重應(yīng)力路徑下煤體的強(qiáng)度與變形特征51-64
• 2.3 煤的本構(gòu)關(guān)系特征分析64-68
• 2.4 瓦斯對煤體力學(xué)特性的影響68-71
• 2.5 多重應(yīng)力路徑下煤體宏觀破壞特征71-73
• 2.6 多重應(yīng)力路徑下煤體裂隙演化與損傷擴(kuò)容破壞機(jī)制73-83
• 2.7 本章小結(jié)83-85
• 3 多重應(yīng)力路徑下雙重孔隙煤體滲透特性試驗(yàn)研究85-107
• 3.1 試驗(yàn)方法85-90
• 3.2 靜水壓條件下煤樣的滲透演化特性90-98
• 3.3 有效應(yīng)力及吸附膨脹變形競爭作用分析98-100
• 3.4 不同初始損傷程度卸載條件下煤體滲透演化特征100-106
• 3.5 本章小結(jié)106-107
• 4 雙重孔隙煤體瓦斯運(yùn)移過程中的氣固耦合模型107-127
• 4.1 雙重孔隙煤體物理結(jié)構(gòu)簡化模型及基本假設(shè)107-111
• 4.2 雙重孔隙煤體瓦斯運(yùn)移過程中的滲透率演化模型111-118
• 4.3 基于煤體雙孔特性的煤與瓦斯氣固耦合模型118-125
• 4.4 本章小結(jié)125-127
• 5 煤的雙孔特性對瓦斯運(yùn)移影響的多尺度模擬分析127-145
• 5.1 數(shù)值試驗(yàn)方法及其可行性分析127-132
• 5.2 吸附平衡過程中煤樣孔隙壓力及滲透性演化規(guī)律132-139
• 5.3 煤的雙孔特性對瓦斯抽采效果的影響研究139-144
• 5.4 本章小結(jié)144-145
• 6 煤層鉆孔漸進(jìn)性破壞機(jī)制與流場特性分析及工程應(yīng)用145-174
• 6.1 鉆孔失穩(wěn)破壞模式及機(jī)制145-156
• 6.2 瓦斯抽采篩管抗擠強(qiáng)度測試及適用性分析156-160
• 6.3 巷道及鉆孔周圍煤體采動(dòng)應(yīng)力與滲透性分布特征及流場特性160-169
• 6.4 快速全程篩管護(hù)孔高效瓦斯抽采技術(shù)及效果分析169-173
• 6.5 本章小結(jié)173-174
• 7 主要結(jié)論、創(chuàng)新點(diǎn)及展望174-178
• 7.1 主要結(jié)論174-176
• 7.2 創(chuàng)新點(diǎn)176-177
• 7.3 展望177-178
• 參考文獻(xiàn)178-194
• 作者簡歷194-196
• 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集196

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本文編號：346160