不同開采條件下煤巖損傷演化與煤層瓦斯滲透機理研究.pdf

1、煤礦開采歷程中,長期以來將煤層瓦斯視作煤礦井下安全生產第一災害,提高煤層滲透率,從而增強煤層瓦斯抽采效果,減少安全生產隱患,并抽采出來作為清潔能源加以利用,因此,煤巖損傷演化及其滲透機理一直是我國煤礦安全研究領域的重點和難點。為增強對煤巖損傷演化及滲透性的認識,本文以重慶松藻煤電有限責任公司松藻煤礦K1煤層、K2煤層和山西晉城無煙煤業集團有限責任公司趙莊礦3＃煤層的煤為研究對象,從煤巖三軸應力狀態、周期性采掘擾動及煤層降壓瓦斯抽采等條件

2、出發,采用實驗室測試和理論研究結合的方法,系統地開展了煤巖孔裂隙特征及其吸附解吸特性、三軸應力狀態下煤巖損傷演化與滲透機理、周期性采掘擾動下煤巖損傷演化與滲透機理、煤層降壓瓦斯抽采過程中煤巖損傷演化與滲透機理、多場耦合滲透率模型及滲透率敏感性分析等方面的研究,并結合巖石力學、滲流力學及損傷力學從理論層面上進行了一系列有益的探討。本研究主要內容包括：
　?、欧治隽嗣簬r原生孔裂隙結構特征,并利用 HCA型高壓容量法吸附裝置對其吸附瓦斯

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

4、試驗所測得數據對其實用性及合理性進行了驗證,結果表明,考慮溫度的煤巖統計損傷本構模型的理論曲線能夠較好地反映實測煤巖損傷演化趨勢,其統計損傷本構模型理論計算數據能夠較好與實驗測定曲線吻合。
　?、韧ㄟ^不同溫度、不同粒徑和不同穩定時間條件下的煤巖周期性荷載試驗研究了周期性采掘擾動下煤巖損傷演化與滲透機理,系統地探討了煤巖加、卸載階段的主應力差、滲透率與軸向應變關系,并分析了3種條件下的單次循環變形及滲透特性,變形、滲透率隨時間和循環

5、次數關系等變化規律;探討了不同穩定時間條件下煤巖滲透率變化滯后于體積應變。
　?、赏ㄟ^不同溫度條件下周期性荷載試驗,探討了煤變形的能量演化機制,從能量角度出發,突出了煤在不同溫度條件下循環荷載作用過程中的能量轉化關系及應變能轉化速率的研究,分析了吸收能、彈性應變能、耗散能隨循環次數及溫度的變化規律;基于能量耗散分析建立的煤巖損傷演化方程進行了驗證,測定了相關參數指標,較好地描述煤巖在壓縮時的損傷演化過程,探討了能量耗散與損傷的關系

6、。
　?、释ㄟ^不同應力、不同溫度條件下(CH4、He)的氣體壓力降低滲流試驗,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,并探討了不同應力條件下煤巖的吸附膨脹、解吸基質收縮變形和有效應力對滲透率影響、不同溫度下煤巖應變隨氣體壓力和溫度的變化趨勢、煤巖滲透率隨氣體壓力下降呈先減小后增大的趨勢、煤巖滲透率隨溫度的升高呈現先減小后增大的趨勢以及滲透率和體積應變關系,研究了煤巖割理壓縮系數的可變性。
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7、Liu模型、Shi-Durucan模型以及煤巖多孔介質均質、各向同性熱彈性的有效應力與應變關系,在考慮應力、溫度和瓦斯的吸附解吸等因素以及改進其算法和條件的基礎上,建立了多場耦合滲透率模型,通過試驗數據驗證和及其與P&M模型和S&D模型的對比分析,證明所構建的滲透率模型能夠較好地反映實測滲透率的變化趨勢;通過定義氣體壓力敏感性系數和溫度敏感性系數,推導了基于敏感性系數的煤巖滲透率與氣體壓力、溫度的函數關系式開展了不同氣體壓力和不同溫度條