本文關鍵詞：多重應力路徑下雙重孔隙煤體損傷擴容及滲透性演化機制與應用，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,深部采動應力條件下煤體的基本力學行為和滲透性演化特征仍有待深入研究。為進一步揭示煤體滲透性演化的內(nèi)在力學機制以及煤層瓦斯運移過程中的物理本質(zhì),本文基于實際采動應力條件獲得的多重應力路徑,分別使用原煤、常規(guī)型煤和微擾動軟煤試樣,較系統(tǒng)的開展了煤樣的力學及滲透性演化試驗,并綜合運用巖體力學、滲流力學、C.D.Martin裂隙應變模型等理論方法研究了煤的力學特性、損傷擴容規(guī)律和滲透率演化的內(nèi)在力學機制。在此基礎上,構建了雙重孔隙煤體瓦斯運移過程中的氣固耦合模型,分別以實驗室和工程尺度為背景對瓦斯運移規(guī)律開展了模擬研究。取得了以下研究成果:(1)圍壓卸載對煤體強度起劣化作用。加載條件下,常規(guī)型煤和微擾動軟煤的內(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容漸進破壞過程及煤體滲透性演化的內(nèi)在力學機制。基于試驗獲得的應力-應變曲線,利用C.D.Martin裂隙應變模型對煤體裂隙發(fā)育進行了定量描述,獲得了裂隙發(fā)育各階段對應的特征應力。當煤體所處的應力水平達到損傷擴容應力cds時,煤體即產(chǎn)生塑性變形,開始擴容屈服�；诿后w損傷擴容漸進性破壞的力學機制,建立了煤體損傷擴容屈服準則。不同初始損傷程度卸載條件下煤體滲透性測試結果表明,煤樣損傷擴容前,煤樣滲透率同差應力的關系符合指數(shù)函數(shù)0 1 3k=kexp[A(s-s)];損傷擴容后,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)律相結合,揭示了滲透性演化的內(nèi)在力學機制。(3)開展了靜水壓條件下原煤和型煤滲透性試驗,結果表明,裂隙瓦斯壓力能迅速達到目標值,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力及吸附膨脹變形競爭作用的結果;原煤所需的吸附平衡時間約為型煤的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,滲透率同有效應力符合形如0 0exp[3()]fk=k-cs-s的函數(shù)關系,回歸計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,表明原煤的應力敏感性遠大于型煤,而兩個型煤的應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移過程中的滲透率演化模型及氣固耦合模型,分別以實驗室和工程尺度為背景模擬研究了煤中的瓦斯運移規(guī)律。模擬結果表明,裂隙瓦斯壓力和基質(zhì)瓦斯壓力對于目標平衡狀態(tài)的響應速度差別較大,煤樣吸附平衡12h時,基質(zhì)瓦斯壓力仍小于吸附平衡1h時的裂隙瓦斯壓力。響應速度帶來的影響同Klinkenberg效應在同一個數(shù)量級,模擬分析時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。鉆孔周圍的應力擾動區(qū)依次為峰后破碎區(qū)、損傷擴容區(qū)和彈性變形區(qū)。同損傷擴容屈服準則相比,Mohr-Coulomb準則判斷煤體是否發(fā)生塑性變形時較為“保守”。PVC篩管單向抗擠試驗結果表明,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力大于其所能承受的最大煤層擠壓力時,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應力、滲透率及裂隙瓦斯壓力分布特征。模擬結果表明,鉆孔及巷道的應力擾動范圍分別為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。鉆孔應力擾動對于抽采效果起削弱作用;鉆孔穩(wěn)定情況下篩管護孔也不會削弱其瓦斯抽采效果。通過快速全程篩管護孔工藝同傳統(tǒng)護孔工藝抽采效果的對比,驗證了上述理論分析和數(shù)值模擬結果的合理性和可靠性。
【關鍵詞】：強度劣化 損傷擴容 滲透率演化 氣固耦合 瓦斯抽采
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：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 需進一步研究的問題39-40
• 1.4 研究內(nèi)容及技術路線40-43
• 2 多重應力路徑下煤體力學特性及損傷擴容機制43-85
• 2.1 試驗方法43-51
• 2.2 多重應力路徑下煤體的強度與變形特征51-64
• 2.3 煤的本構關系特征分析64-68
• 2.4 瓦斯對煤體力學特性的影響68-71
• 2.5 多重應力路徑下煤體宏觀破壞特征71-73
• 2.6 多重應力路徑下煤體裂隙演化與損傷擴容破壞機制73-83
• 2.7 本章小結83-85
• 3 多重應力路徑下雙重孔隙煤體滲透特性試驗研究85-107
• 3.1 試驗方法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106-107
• 4 雙重孔隙煤體瓦斯運移過程中的氣固耦合模型107-127
• 4.1 雙重孔隙煤體物理結構簡化模型及基本假設107-111
• 4.2 雙重孔隙煤體瓦斯運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125-127
• 5 煤的雙孔特性對瓦斯運移影響的多尺度模擬分析127-145
• 5.1 數(shù)值試驗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144-145
• 6 煤層鉆孔漸進性破壞機制與流場特性分析及工程應用145-174
• 6.1 鉆孔失穩(wěn)破壞模式及機制145-156
• 6.2 瓦斯抽采篩管抗擠強度測試及適用性分析156-160
• 6.3 巷道及鉆孔周圍煤體采動應力與滲透性分布特征及流場特性160-169
• 6.4 快速全程篩管護孔高效瓦斯抽采技術及效果分析169-173
• 6.5 本章小結173-174
• 7 主要結論、創(chuàng)新點及展望174-178
• 7.1 主要結論174-176
• 7.2 創(chuàng)新點176-177
• 7.3 展望177-178
• 參考文獻178-194
• 作者簡歷194-196
• 學位論文數(shù)據(jù)集196

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

本文編號：346160