应力–损伤–渗流耦合模型及在深部煤层瓦斯卸压实践中的应用

根据瓦斯渗流与煤体变形的基本理论，引入煤体变形过程中应力、损伤与透气性演化的耦合作用方程，建立了含瓦斯煤岩破裂过程固气耦合作用模型。应用该模型模拟分析了深部采动影响下瓦斯抽放过程中煤层透气性的演化和抽放孔周围瓦斯压力的变化规律，认清了开采卸压瓦斯瞬态渗流的力学机制。模拟结果表明，采动影响使得处于其上部67 m的煤层卸压，透气系数增大了2 000多倍，卸压范围70 m左右，同现场实际观测结果比较吻合。这对于进一步深入理解开采过程远程卸压瓦斯渗透性的演化、瓦斯抽放渗流的机制具有重要的理论和实践意义。     

煤层瓦斯渗流与煤体变形的 耦合数学模型及数值解法

根据固流耦合作用的基本理论，考虑瓦斯渗流对煤体本构关系的影响，提出了煤和瓦斯耦合作用的数学模型，给出了用有限元求其数值解的方法及程序。在此基础上，对采动影响下考虑煤层变形影响时瓦斯在采空区的流动规律进行了数值模拟分析，为采空区瓦斯抽放提供了理论基础和科学依据     

瓦斯抽采过程中的煤层透气性动态演化规律与数值模拟

 为了研究煤层瓦斯抽采过程中的煤体渗透性变化规律,基于Kozeny-Carman方程,利用表面物理化学与含瓦斯煤的有效应力理论,建立考虑有效应力变化、瓦斯解吸和煤基质收缩效应的煤层渗透率动态变化模型,并结合数值模拟分析煤层瓦斯抽采过程中煤体透气性动态演化规律。研究结果表明：(1) 所建立的煤层渗透率动态演化模型能较好地描述煤层瓦斯抽采过程中的煤体透气性动态演化规律。(2) 煤体渗透率与煤体孔隙压力之间呈现出“V”字型变化趋势,低瓦斯压力阶段煤基质收缩效应占主导地位,煤层渗透率随瓦斯压力降低而增大;高瓦斯压力阶段有效应力作用占主导地位,煤层渗透率随瓦斯压力降低而减小。(3) 从煤层内部逐渐接近抽采钻孔过程中,煤层瓦斯压力较高时,煤体渗透率先减小后增加;煤层瓦斯压力较低时,煤体渗透率不断增大。研究结果可以为我国煤矿瓦斯治理和煤层瓦斯抽采提供理论支撑,具有指导性意义。     

基于扩散-渗流机理瓦斯抽采三维模拟研究

根据煤体孔裂隙多重介质特性,分析煤体内瓦斯在基质孔隙和裂隙中不同的运移机理,建立瓦斯流动方程;考虑孔隙压力、吸附膨胀效应对渗透率的综合影响,建立渗透率动态方程;以弹性力学为基础,建立煤体变形控制方程;共同构建能够描述瓦斯扩散-渗流运移机理的耦合模型。以真实煤层赋存参数为例,根据理论模型对COMSOL Multiphysics进行二次开发,建立三维瓦斯抽采模型,模拟研究不同抽采时间下的瓦斯压力、抽采有效半径变化规律;利用压降法进行现场实测考察,现场实测结果与模拟结果基本吻合,验证了扩散-渗流耦合模型及三维数值模拟的可靠性,从而为该矿实际瓦斯抽采工作提供安全可靠的理论技术指导。     

低透高瓦斯煤层群安全开采关键技术研究

 针对低透高瓦斯煤层群安全高效开采技术难题,以淮南矿区为主要试验研究基地,研究应用岩石力学、岩层移动理论和“O”形圈理论,针对不同煤层和瓦斯地质条件,探索出一整套“开采煤层顶底板卸压瓦斯抽采工程技术方法”,建立卸压开采“抽采”瓦斯和煤与瓦斯共采工程技术体系。研究“采场岩层移动规律、卸压瓦斯运移规律、卸压瓦斯富集区、开采煤层卸压范围以及开采煤层增压范围”科学规律,研究“首采层卸压瓦斯、上向卸压层瓦斯、下向多重卸压层瓦斯以及地面钻孔卸压瓦斯”理论与技术,形成系统、成熟的瓦斯抽采理论与技术。创新卸压开采抽采瓦斯理论和技术,解决了煤与瓦斯共采重大工程技术难题。     

新安煤矿14151工作面瓦斯抽放效果考察

本文阐述了瓦斯抽放技术对治理矿井瓦斯问题的重要性,研究了在高瓦斯和突出煤层,瓦斯涌出量大和有瓦斯涌出超限的情况下,利用瓦斯抽放技术顶抽煤层瓦斯,使煤体发生收缩变形,加大煤体的原有裂隙,产生新的煤体裂隙,增加燃层的透气性,提高瓦斯抽放效果,降低和消除煤层瓦斯突出危险性.同时对新安煤矿14151工作面的瓦斯抽放效果进行了考察.     

煤体采动裂隙现场实测及其应用研究

为获取高强度开采条件下煤体采动裂隙,以天地王坡矿3207工作面为背景,采用钻孔窥视法、测线法和测窗法等综合手段进行煤体采动裂隙现场实测研究.在此基础上,结合COMSOL Multiphysics软件研究煤体采动裂隙场对采动应力分布、煤层瓦斯压力的影响;探讨瓦斯压力与采动裂隙分布之间关系,并分析采动裂隙条件下抽放孔的合理布置方式.     

沿层钻孔瓦斯抽放的电模拟实验研究

根据渗流理论,本文对沿层抽放钻孔周围的瓦斯渗流问题进行了电模拟实验研究。同时,获得了沿层抽放钻孔周围的瓦斯压力分布规律以及不同透气性系数对瓦斯渗流的影响情况等结果。这对于研究矿井煤层瓦斯抽放和预防煤与瓦斯突出等问题具有一定的参考价值。     

综放开采围岩活动影响下瓦斯运移规律及其控制

 博士学位论文摘要　将综放开采矿山压力新理论、覆岩结构及其活动特征与瓦斯运移聚集规律有机结合, 通过现场矿压观测、适时瓦斯监测、相似材料模拟、电液伺服试验、理论分析及有限元解算等方法, 对含瓦斯厚煤层实施综放工艺时顶煤顶板活动规律及其内瓦斯运移聚集形态进行了系统深入的定性定量分析。从分析含瓦斯煤岩体微观结构特征入手, 探讨了矿压作用下煤岩与瓦斯的宏观运动形态, 从而得出综放开采富含瓦斯煤层的安全控制理论与实践技术。论文视含瓦斯煤岩体为不连续的多相介质材料, 并深入到材料的微观机制抽象出其微结构模型, 分析了其结构形态在煤岩体变形和瓦斯运移过程中的变化形式; 定量分析了煤岩体内孔隙裂隙分布及破碎后的块度变化的分形维数值, 认为采动后支承压力等因素使煤岩体破坏, 从而影响其分维值, 煤岩的极限粒度越小,瓦斯放散解析速度越快, 瓦斯运移潜能越大, 表征其吸附特性的V an derW aals 力下降越多; 综放开采使煤岩力学介质变化显著, 支承压力作用下煤体经历初期压缩、强烈压缩、滑移与离散、流动放出4 个过程, 顶煤介质状态可由宏观连续介质转化为碎裂介质和块裂介质。基于魏家地矿和阳泉五矿的综放面及巷道矿压观测、瓦斯监测和采空区束管监测, 认为本煤层开采时支承压力使煤体孔隙率、渗透系数和瓦斯压力发生很大变化, 且支承压力变化状态与瓦斯运移变化在时间和空间上有一致性; 首次将综放面前方煤体划分为无压瓦斯自由放散区、卸压瓦斯涌出活跃区、降压瓦斯涌出变化区、升压瓦斯涌出变化区及稳压瓦斯正常涌出区; 周期来压时, 瓦斯绝对涌出量和相对涌出量分别比来压前增加了44% 和54%; 统计国内11 个矿井生产面, 覆岩关键层初次来压时, 采场瓦斯绝对涌出量是来压前的1. 21～ 3. 44 倍, 相对涌出量是初垮前的1. 21～ 6. 75 倍; 关键层失稳经历不同, 使综放采空区后方垮矸碎胀系数具有明显的分区性, 据计算碎胀系数和瓦斯浓度、氧浓度变化可将其划分为自然堆积区、载荷影响区和压实稳定区, 自然堆积区和载荷影响区是分析瓦斯流态的关键区, 其内瓦斯的紊流和过渡流态可用非线性渗流方程表示。关键层初次破断失稳的动态冲击力, 一方面克服了风流压力和漏风阻力将富集于支架上方断裂煤壁及架后采空区瓦斯压向采场, 另一方面在碰撞作用点附近使采空区垮矸空隙率降低形成模拟墙, 从而使墙体前方瓦斯迅速挤向采场; 顶板来压前工作面支承压力达到最大, 使直接顶、顶煤体剪切破坏, 煤体屈服, 卸压范围扩大, 支承压力与瓦斯压力梯度联合作用使煤体瓦斯解析并向采场涌出; 关键层作为板的破断呈“O 2X”型特征, 在其交点处首先形成导气通道, 顶板来压期间关键层及其覆岩因变形特性不同而不协调垮落, 便将离层裂隙聚集的瓦斯通过“O 2X”破断裂隙挤入采场, 因此得出结论: 综放面瓦斯大量快速涌出是矿山压力的一种显现。综放开采使垮落带和规则移动带高度增加, 为瓦斯运移聚集提供了较大活动范围。关键层与其上覆或下伏岩层间不协调变形将形成覆岩离层裂隙和破断裂隙; 在煤层采厚2. 6～ 3. 4 倍高度以下破断裂隙较发育, 其上以离层裂隙为主, 随综放开采两类裂隙的时空发展有明显的三阶段特征, 即切眼和回采面附近覆岩采动裂隙发育, 采空区中部裂隙则被重新压实; 覆岩垮落及离层高度受关键层及其结构的影响而呈动态变化, 随顶板初次来压和周期来压, 离层高度呈跳跃性变化, 从而为裂隙带内瓦斯运移聚集的剧变提供了时空条件。综放开采前期是瓦斯运移及控制的关键时期, 覆岩采动裂隙带是经破断与离层裂隙贯通后在空间形成关键层下似椭圆抛物面内外边界所包围的椭抛带(EPZ) 分布, 椭抛带层面的切割为椭圆形裂隙发育区; 关键层破断后, 裂隙带宽在初采边界处相当于初次来压步距, 在综放面上方则变化在1～ 2 倍周期来压步距之间; 采动裂隙带的发生、发展基本受制于覆岩关键层层位及其所形成砌体梁结构的变形、破断和失稳形态; 当主关键层切割椭抛带时, 采动裂隙呈椭球台状, 层面展布的椭圆形裂隙区仍将存在。表征覆岩离层特征的位移曲线主要取决于关键层断裂块度的大小, 由此可计算出关键层初次失稳前后离层裂隙的当量面积及其空隙率和渗透系数。综放开采时瓦斯涌出特点决定了其在覆岩采动裂隙带内具有升浮和扩散两种运移方式。不均衡性瓦斯涌出带, 与周围环境气体存在密度差而升浮, 在浮力作用下沿破断裂隙上升过程中不断渗入周围气体, 使涌出源瓦斯与环境气体的密度差渐减至零, 瓦斯则会漂浮在离层裂隙发育区, 瓦斯升浮高度与本煤层及邻近层瓦斯含量及涌出强度成正比; 混入矿井空气中的瓦斯(CH4) 在其浓度梯度作用下会引起气体分子的普通扩散和压强扩散, 瓦斯扩散流方向与重力压强梯度反向, 即瓦斯具有向上扩散的趋势。从理论上解释了裂隙带是瓦斯运移及聚集带, 为覆岩裂隙带内钻孔抽放、巷道排放瓦斯技术提供了科学依据。首次提出煤样全应力应变过程中渗透系数是体积应变的双值函数, 体积缩小时为2 次多项式, 体积膨胀时为5 次多项式; 渗透系数在弹塑性段急增, 峰值后仍增大, 但梯度渐缓, 最大值发生在软化段或塑性流动段, 且与最小值相差上百倍; 主应力差增大时, 渗透系数变化范围增大, 反之则小。渗透系数是影响煤层瓦斯运移的最重要指标, 而支承压力则是影响渗透系数的主导因素; 支承压力作用下综放面前方不同部位煤体渗透系数变化范围相当大, 支架上方顶煤煤体及煤壁前方5m 内渗透系数最高, 塑性变形区内, 煤层渗透系数急剧降低, 到弹性变形区则接近原始值, 两极值相差可达数10 倍甚至数百倍。认为不论原始渗透系数怎样低的煤层, 采动影响下煤层卸压后, 其内瓦斯渗流速度大增, 瓦斯涌出量也随之剧增, 为瓦斯抽排提供便利条件, 由此提出“煤层与瓦斯共采”的新概念。有限元计算表明: 均衡推进的综放面, 采用短距离循环推进则可降低煤体中因渗流场结构变化而引起的瓦斯压力较大的波动, 一定程度上可减弱综放面前方煤体中瓦斯挤压和抛出煤体(动力异常) 的危险程度。提出以采场矿压监测为主的连续危险源非接触式法预测采场瓦斯大量涌出或涌出异常, 并成功预测了打通一矿工作面突出; 魏家地矿的应用实践表明, 三巷型布置较适宜富含瓦斯倾斜厚煤层的综放开采, 高抽巷应开掘在采动裂隙带内; 预采顶分层或开采解放层即可预释放大量瓦斯又可减缓综放开采的矿压显现程度;代替采空区井的采动区井(孔) 底处于裂隙带内能够充分抽排瓦斯, 淮北局的应用充分证明了该论点; 充分监测综放面顶板来压, 可有效防止综放采空区瓦斯爆炸; 充分利用矿压显现特点且有利于综放开采防治瓦斯、煤层自燃和煤尘等的煤体注水技术在魏家地矿取得了成功。     

远程保护层开采上覆煤层透气性动态演化规律试验研究

基于相似材料模型试验，设计在相似材料模型上进行煤岩渗透性测定的测试系统，实现远距离保护层开采过程中上覆被保护层透气性变化的测定，得出覆岩破裂移动及上覆被保护层透气性的时空演化分布规律。试验结果表明，随着保护层工作面的不断向前推进，被保护层透气性呈现动态变化，在卸压范围内煤层透气性系数的大小呈“M”形分布。研究结果与现场实际考察结果基本吻合，可为低透气性高瓦斯煤层合理布置保护层和被保护层卸压瓦斯抽放提供科学依据。     

含瓦斯煤岩围压卸荷瓦斯渗流及电荷感应试验研究

 煤岩卸荷过程物理信息监测对煤与瓦斯突出等动力灾害预测研究具有重要意义。应用自主研发的电荷采集装置,进行了含瓦斯煤岩围压卸荷瓦斯渗流及电荷感应试验。研究结果表明：含瓦斯煤岩围压卸荷过程中,瓦斯渗流特性及电荷感应规律与煤岩的变形损伤过程具有十分密切的关系。随着围压卸荷速率的提高,煤岩内部大量微观裂纹扩展,促进了煤岩变形损伤,增大了煤岩内部裂纹间局部束缚电荷突变为自由电荷的概率,使得煤岩主破裂过程产生的感应电荷大幅增多;围压卸荷减弱了煤岩环向所受的限制作用,增加了煤岩内部新的导气通道,煤岩渗透率增大。气体携带煤粉颗粒与煤岩孔道固壁间的摩擦作用形成冲流电流,冲流电流对煤岩电荷信号贡献了附加量,使电荷信号增强。     

岩石高边坡发育的动力过程及其稳定性控制

 受青藏高原挽近期以来持续隆升的影响,中国西南、西北地区,尤其是环青藏高原的东侧地带,河流深切,地形地质条件复杂,自然以及人工开挖高边坡稳定性问题极为突出,构成中国最具特色的工程地质和岩石力学问题之一。结合青藏高原隆升这一重大地学事件,较全面地分析总结了环青藏高原周边地带岩石高边坡发育的典型特征,指出边坡高陡、形成历史短、地应力高及变形破坏过程复杂是这一地区岩石高边坡发育的主要特征;不论天然或是人工高边坡,均可视为高地应力环境下快速卸荷过程的产物。以此为基础,在总结西南地区大量工程实践的基础上,建立卸荷条件下岩石高边坡发育的动力过程及三阶段演化模式,提出了其时间和空间演化的基本序列,以及不同演化阶段岩石边坡变形破坏的发育特征及稳定性意义。最后,从岩石高边坡发育演化的过程特性出发,提出岩石高边坡稳定性不仅是一个强度稳定性问题,更是一个变形稳定性问题;同时建立岩石高边坡变形稳定性分析的基本原理、理论框架和技术途径,并从灾害控制的角度提出岩石高边坡变形控制的工程原理,探讨变形控制的时机及控制标准问题。     

Analysis of coupled gas flow and deformation process with desorption and Klinkenberg effects in coal seams

Coupled gas flow and solid deformation in porous media has received considerable attention because of its importance in pneumatic test analysis, contaminant transport, and gas outbursts during coal mining. Gas flow in porous media is quite different from liquid flow due to the large gas compressibility and pressure-dependent effective permeability. The dependence of gas pressure and gas desorption on gas permeability has a significant effect on gas flow, but has been ignored in most previous studies. Moreover, solid deformation has a direct impact on the porosity, which also leads to desorption or sorption of methane in the coal seam. In this study, a coupled mathematical model for solid deformation and gas flow is proposed and is implemented using a finite element method. The numerical code is used to solve the gas flow equation with Klinkenberg effect, and is validated by comparison with available analytical solutions. Then, it is used to simulate the coupled process during gas migration in a deformable coal seam. The numerical results indicate that the desorption and Klinkenberg effects and mechanical process effect make a significant contribution to gas flow in the coal seam. Without considering the desorption and Klinkenberg effects and the coupling action of mechanical process, the gas pressure in the coal seam would be underestimated.     

循环载荷下突出煤样的变形和渗透特性试验研究

 以典型煤与瓦斯突出矿井——天府煤业有限责任公司三汇一矿K1煤层原煤制备的煤样为研究对象,利用自行研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流系统,进行固定瓦斯压力及不同围压情况下突出煤试样循环载荷下渗流试验研究。研究结果表明：在循环载荷作用下,煤样产生塑性变形,煤样的弹性模量和渗透率随着循环次数增加呈下降趋势,且在第一循环下降最为明显;卸载过程中渗透率逐渐增大,加载过程中渗透率逐渐减小,卸载和加载时的渗透率–应变曲线围成一个封闭环,与轴向应力–应变曲线形成的封闭滞回环相对应,说明渗透率的变化与煤样的损伤变形密切相关;渗透率变化率和损伤变量呈正相关变化,前几个循环变化较为明显,经过之后几个循环,其数值趋于稳定。     

不同卸围压速度对含瓦斯煤岩力学和瓦斯渗流特性影响试验研究

 利用自行研制的“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置”,进行不同初始围压和不同瓦斯压力组合条件下,不同卸围压速度对含瓦斯煤岩力学和瓦斯渗流特性影响试验研究。研究结果表明：从力学的角度来看,卸围压开始后煤岩会经历一个应力平台阶段,然后发生失稳破坏。卸围压速度越大,煤岩维持在应力平台阶段的时间越短,煤岩越容易发生失稳破坏。卸围压开始后煤岩应力平台阶段的时间与卸围压速度呈幂函数关系。从瓦斯渗流的角度来看,煤岩的渗透率的变化与煤岩的变形损伤密切相关,煤岩体积应变的变化趋势能很好地体现煤岩渗透率的变化趋势。卸围压开始后煤岩渗透率的变化经历4个阶段,且渗透率一直在增大。卸围压速度越大,煤岩的渗透率增大的越快。卸围压开始后煤岩在应力平台阶段的渗透率与卸围压时间呈指数函数关系。     

Stress evolution with time and space during mining of a coal seam

Mining of the upper protective coal seam is widely practiced in China for coal mine safety, but relief gas may present a new risk of blasting. To control the relief gas effectively, a strain-soften model was built by FLAC^3D software to investigate the stress evolution during the process of mining the upper protective coal seam. The results show that the abutment stress changes rapidly within 10 m in front of the coal face, and the maximum abutment stress is approximately twice the original when the coal seam is mined 20–30 m. The abutment stress should break the rock mass and cause the gas to flow easily. In the stable mining period, the change trends of the x-stress and z-stress are different, and these should also pre-break the rock mass. The stress distributions of the rock mass at different distances under the protective coal seam are different, especially near the coal face, which should greatly affect the gas flow when the space of the protective and protected coal seams change over a large range. The relief angle also changes over a large range, increasing to a maximum approximately 30 m behind the coal face, and it decreases gradually when it is far away from the protective coal seam. The results are helpful for designing the coal face of protected coal seams and borehole layouts to control the relief gas.     

高压注水煤层力学特性演化数值模拟与试验研究

 为从细观上揭示高压注水过程中煤体裂隙扩展、应力场演化和高压水体在煤体中的渗流规律,利用考虑煤岩介质材料力学性质的非均匀性特点以及煤岩介质变形破裂过程中透气性的非线性变化特性特征并基于煤岩破裂过程固–流耦合动力学模型开发的RFPA2D-Flow软件系统对祁南煤矿721工作面煤层高压注水进行数值模拟,同时进行高压注水现场试验研究。数值模拟结果表明：在高压水挤压作用下,钻孔周围煤体逐渐损伤、破坏,裂隙进一步扩展,渗透能力大大增加,渗透系数最大可以由0.5 m/d增加到1 580.0 m/d,在钻孔附近煤体处平均增加14倍。现场试验结果表明：采取高压注水工艺后,工作面前方煤体卸压带宽度由2.5 m增加到3.5 m,应力集中带向煤体深处推移1.0 m,表明高压注水消突效果比较明显。     

地应力场中煤岩卸围压过程力学特性试验研究及瓦斯渗透特性分析

应用MTS815力学试验机,对典型煤与瓦斯突出矿井松藻矿务局打通一矿突出煤层原煤制备的型煤试件进行型卸围压试验研究。研究结果表明:(1)位移控制方式卸围压将导致试件的扩容损伤,力控制方式卸围压将导致试件的破坏。(2)用位移控制卸围压时,在某一初始围压下,试件的轴向应力随围压的降低而减小,轴压减小的速率越来越大,屈服阶段卸围压曲线比弹性阶段卸围压曲线更加非线性;随初始围压的加大,屈服阶段卸围压曲线的非线形特征更加明显。(3)用力控制方式卸围压时,在某一初始围压下,试件的轴向应变随围压的降低而增大,轴向应变增大的速率越来越大,屈服阶段卸围压时轴向应变的增大比弹性阶段卸围压时更为迅速;随初始围压的增大,屈服阶段卸围压时试件加速破坏的趋势更加明显;通过轴向应变可计算分析卸围压过程中试验机对试件作的功。根据试验结果,结合全应力-应变过程煤岩瓦斯渗透特性的试验结果,推导出卸围压过程瓦斯渗透特性曲线。根据以上结果,应用损伤理论和Mohr-Coulomb强度理论推导含瓦斯煤岩卸围压过程中试件的损伤和强度的计算公式。研究结果对预测预报瓦斯涌出和预测卸围压过程中煤岩的破坏具有现实指导意义。     

非均匀岩石破裂过程渗透率演化规律研究

应用自主开发的数值模拟系统，通过数值试验，很好地描述了岩石破坏损伤演化过程中渗流场变化规律，包括岩石在应力．应变曲线不同阶段的渗透率演化规律、非均匀性对渗流场分布和渗透率的影响。结果表明，非均匀性对岩石的应力峰值强度、峰值前后渗透性演化规律及其破裂机制的影响十分明显。     

采动条件下被保护层瓦斯卸压增透机理研究

保护层开采作为一种典型的煤与瓦斯安全开采形式在煤矿生产中具有重要的意义。通过由半无限开采积分模型求解得到的岩体内部位移场表达式并与相似模拟被保护层沉降曲线对比,研究发现理论模型可以较好地反映煤层实际变形。建立了“两带”裂隙分布模型及其简化力学模型,通过正交设计的全应力应变渗透试验发现,瓦斯渗透主要分为3个过程,发现瓦斯渗透急剧变化在体积应变达到0.015处,对比理论体积应变分布曲线,得出体积应变沿沉降范围总体上呈对称分布,在中心区域存在一个体积应变大于0.015的范围,可见其正处于渗透率急剧增加阶段,其卸压增透效果最好。研究结果为被保护层瓦斯卸压增透计算提供了参考。