不同開采條件下煤巖損傷演化與煤層瓦斯?jié)B透機(jī)理研究.pdf

1、煤礦開采歷程中,長(zhǎng)期以來(lái)將煤層瓦斯視作煤礦井下安全生產(chǎn)第一災(zāi)害,提高煤層滲透率,從而增強(qiáng)煤層瓦斯抽采效果,減少安全生產(chǎn)隱患,并抽采出來(lái)作為清潔能源加以利用,因此,煤巖損傷演化及其滲透機(jī)理一直是我國(guó)煤礦安全研究領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)。為增強(qiáng)對(duì)煤巖損傷演化及滲透性的認(rèn)識(shí),本文以重慶松藻煤電有限責(zé)任公司松藻煤礦K1煤層、K2煤層和山西晉城無(wú)煙煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司趙莊礦3＃煤層的煤為研究對(duì)象,從煤巖三軸應(yīng)力狀態(tài)、周期性采掘擾動(dòng)及煤層降壓瓦斯抽采等條件

2、出發(fā),采用實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和理論研究結(jié)合的方法,系統(tǒng)地開展了煤巖孔裂隙特征及其吸附解吸特性、三軸應(yīng)力狀態(tài)下煤巖損傷演化與滲透機(jī)理、周期性采掘擾動(dòng)下煤巖損傷演化與滲透機(jī)理、煤層降壓瓦斯抽采過程中煤巖損傷演化與滲透機(jī)理、多場(chǎng)耦合滲透率模型及滲透率敏感性分析等方面的研究,并結(jié)合巖石力學(xué)、滲流力學(xué)及損傷力學(xué)從理論層面上進(jìn)行了一系列有益的探討。本研究主要內(nèi)容包括：
　　⑴分析了煤巖原生孔裂隙結(jié)構(gòu)特征,并利用 HCA型高壓容量法吸附裝置對(duì)其吸附瓦斯

3、特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究,得到了不同溫度下的等溫吸附曲線及吸附常數(shù)a、b值隨溫度的變化規(guī)律。
　　⑵開展了三軸應(yīng)力狀態(tài)下不同溫度、不同粒徑、不同瓦斯壓力條件下(溫度)的力學(xué)特性及滲流特性試驗(yàn)研究,并在不同開采方式下的加卸載試驗(yàn)中進(jìn)行了三種不同卸載速率條件下的試驗(yàn)研究,分別探討了煤巖的變形特性、滲透特性等損傷演化規(guī)律及其煤巖變形與滲透率關(guān)系。
　?、抢媒y(tǒng)計(jì)損傷的概念和方法,建立了考慮三軸應(yīng)力狀態(tài)及溫度的煤巖統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型,并通過

4、試驗(yàn)所測(cè)得數(shù)據(jù)對(duì)其實(shí)用性及合理性進(jìn)行了驗(yàn)證,結(jié)果表明,考慮溫度的煤巖統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型的理論曲線能夠較好地反映實(shí)測(cè)煤巖損傷演化趨勢(shì),其統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型理論計(jì)算數(shù)據(jù)能夠較好與實(shí)驗(yàn)測(cè)定曲線吻合。
　?、韧ㄟ^不同溫度、不同粒徑和不同穩(wěn)定時(shí)間條件下的煤巖周期性荷載試驗(yàn)研究了周期性采掘擾動(dòng)下煤巖損傷演化與滲透機(jī)理,系統(tǒng)地探討了煤巖加、卸載階段的主應(yīng)力差、滲透率與軸向應(yīng)變關(guān)系,并分析了3種條件下的單次循環(huán)變形及滲透特性,變形、滲透率隨時(shí)間和循環(huán)

5、次數(shù)關(guān)系等變化規(guī)律;探討了不同穩(wěn)定時(shí)間條件下煤巖滲透率變化滯后于體積應(yīng)變。
　?、赏ㄟ^不同溫度條件下周期性荷載試驗(yàn),探討了煤變形的能量演化機(jī)制,從能量角度出發(fā),突出了煤在不同溫度條件下循環(huán)荷載作用過程中的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系及應(yīng)變能轉(zhuǎn)化速率的研究,分析了吸收能、彈性應(yīng)變能、耗散能隨循環(huán)次數(shù)及溫度的變化規(guī)律;基于能量耗散分析建立的煤巖損傷演化方程進(jìn)行了驗(yàn)證,測(cè)定了相關(guān)參數(shù)指標(biāo),較好地描述煤巖在壓縮時(shí)的損傷演化過程,探討了能量耗散與損傷的關(guān)系

6、。
　　⑹通過不同應(yīng)力、不同溫度條件下(CH4、He)的氣體壓力降低滲流試驗(yàn),分析了煤層降壓瓦斯抽采過程中煤巖變形特性和滲透特性,并探討了不同應(yīng)力條件下煤巖的吸附膨脹、解吸基質(zhì)收縮變形和有效應(yīng)力對(duì)滲透率影響、不同溫度下煤巖應(yīng)變隨氣體壓力和溫度的變化趨勢(shì)、煤巖滲透率隨氣體壓力下降呈先減小后增大的趨勢(shì)、煤巖滲透率隨溫度的升高呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)以及滲透率和體積應(yīng)變關(guān)系,研究了煤巖割理壓縮系數(shù)的可變性。
　?、嘶贘ishan

7、Liu模型、Shi-Durucan模型以及煤巖多孔介質(zhì)均質(zhì)、各向同性熱彈性的有效應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系,在考慮應(yīng)力、溫度和瓦斯的吸附解吸等因素以及改進(jìn)其算法和條件的基礎(chǔ)上,建立了多場(chǎng)耦合滲透率模型,通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證和及其與P&M模型和S&D模型的對(duì)比分析,證明所構(gòu)建的滲透率模型能夠較好地反映實(shí)測(cè)滲透率的變化趨勢(shì);通過定義氣體壓力敏感性系數(shù)和溫度敏感性系數(shù),推導(dǎo)了基于敏感性系數(shù)的煤巖滲透率與氣體壓力、溫度的函數(shù)關(guān)系式開展了不同氣體壓力和不同溫度條