采动煤岩体瓦斯渗流-应力-损伤耦合模型

基于摩尔-库伦屈服准则构建了煤岩体弹塑性损伤本构模型,以损伤变量为过渡变量构建了采动条件下煤岩体渗透率-损伤演化方程,运用采动岩体力学、渗流力学、损伤力学等理论建立了采动煤岩体瓦斯渗流-应力-损伤耦合模型,采用FLAC3D软件设计出采动煤岩体瓦斯渗流-应力-损伤耦合计算程序,将所建立的采动煤岩体瓦斯渗流-应力-损伤耦合模型对顾桥煤矿远距离保护层开采下的瓦斯渗流规律进行了数值模拟研究。结果表明,受采动影响被保护层透气性系数为原始透气性系数的1 760倍,瓦斯压力由原来的2.8 MPa降低到0.6 MPa,消除了被保护层的煤与瓦斯突出危险性。     

含瓦斯煤体固气耦合数学模型及数值模拟

基于固气耦合作用的基本理论,从孔隙率和渗透率的基本定义出发,综合考虑吸附膨胀效应和Klinkenberg 效应对煤体中瓦斯的运移影响,推导出孔隙率与渗透率的动态参数模型,并建立了含瓦斯煤体固气耦合模型。运用有限元方法给出自然卸压条件下的耦合数值解。数值模拟结果表明：孔隙瓦斯压力随着自然卸压时间的增大而减小;煤体孔隙率和渗透率随自然卸压时间的增加而增加,与现场渗透率测试规律基本相符;从煤体深处向距离工作面煤壁方向,孔隙率与渗透率缓慢增加、急速下降、急剧增加等3个阶段。     

远程采动煤岩体变形与卸压瓦斯流动气固耦合动力学模型及其应用研究

经过多年的科学研究和工程实践证明,采动卸压瓦斯抽采技术是防治煤与瓦斯突出、降低煤层瓦斯含量最有效、最经济的区域性措施。尽管近几十年来开展了大量的采动卸压瓦斯抽采现场试验,但对采动煤岩体变形与卸压瓦斯流动相互作用的研究尚不够成熟,还无法为卸压瓦斯的高效抽采提供理论基础和技术支持。以远程采动煤岩体为研究对象,运用岩石力学、采矿工程、渗流力学、数值仿真等理论,采用现场实验、实验室实验、理论分析和数值分析相结合的研究方法,系统研究了采动煤岩体的卸压特征、移动变形、采动应力变化及卸压瓦斯流动规律;开展了采动煤岩体变形与瓦斯流动耦合作用研究,构建了采动煤岩体弹脆塑性本构模型和采动煤岩体变形与瓦斯流动耦合动力学模型及数值计算方法,通过模型的应用初步获得了远程上被保护层应力场、位移场与渗透率的时空变化规律,最后提出了保护层开采工程分类及判定方法,以及远程保护层开采及卸压瓦斯抽采技术体系,并在阳泉新景矿成功地进行了试验,取得了显著的抽采效果。为保护层开采设计及远程被保护层卸压瓦斯的高效抽采提供了理论依据和技术支持。主要研究内容及成果有:(1)利用平面应变相似模拟实验系统,以阳泉矿区新景矿为地质背景,开展了远程采动煤岩体裂隙演化...     

采动裂隙煤岩体应力与瓦斯流动的耦合机理

采用渗流力学理论分析方法,对煤层采动裂隙、采动应力与瓦斯流动的耦合作用进行了研究。对采动过程中煤层及其覆岩的裂隙,采动应力和瓦斯压力进行了现场实测,并对三者之间的相互影响作用进行对比分析。研究结果表明：采动影响下裂隙煤岩体的渗透率与裂隙宽度、裂隙贯通情况、裂隙不平整度、裂隙间距裂隙法向刚度和采动应力等有关,裂隙煤岩体瓦斯流动与其裂隙发育情况有着极其密切的关系,瓦斯渗透率与裂隙宽度呈正相关,与裂隙间距呈负相关。基于工作面煤层采动裂隙、采动应力与瓦斯流动耦合作用,依据裂隙煤岩体瓦斯渗流定律,构建了裂隙煤岩体采动应力-瓦斯渗透的力学模型,揭示了裂隙煤岩体的采动裂隙、采动应力与瓦斯流动的耦合机理。     

采动煤岩体瓦斯通道形成机制及演化规律

为了研究采动煤岩体瓦斯通道形成机制及其演化规律,运用断裂力学和岩石力学相关理论,结合煤岩体裂隙发育特征将工作面前方煤岩体瓦斯通道分为孤立通道区、张裂破坏区、剪切破坏区及支承压力峰值后破坏区,提出前３区域属于细观流动通道,第４区域属于宏观流动通道;研究了采动过程中煤体顶板变形受力特征、裂隙发育规律及通道导通特性,进行了顶板宏观瓦斯通道的分区：瓦斯紊流通道区、瓦斯过渡流通道区和瓦斯渗流通道区,结合实验室模拟分析了上覆煤（岩）层瓦斯通道发展变化过程,其经历了卸压、失稳、起裂、突变张裂、吻合缩小、加速闭合、通道维持、再次加速闭合直至完全被压实闭合的过程。     

含瓦斯煤热流固耦合渗流实验研究

以晋城煤业集团赵庄矿3号煤层的无烟煤为研究对象,运用自主研发的“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置”,进行了恒定瓦斯压力和围压条件下含瓦斯煤热流固耦合全应力-应变瓦斯渗流实验。研究结果表明：随着煤样温度的升高,煤样的三轴抗压强度降低,承受变形的能力减小,弹性模量增大;在全应力-应变整个过程中,煤样的渗透率总体呈下降趋势;煤样渗透率小不利于采煤之前的瓦斯抽放,导致煤层深处与工作面之间的瓦斯压力梯度较大,并且高温煤样在屈服阶段的渗透率增长更快,使煤与瓦斯突出的危险性增大。煤体渗透率与应力之间的关系不是单调的随应力的增大而减小,而是要看煤体处于何种应力-应变状态。     

采动煤岩体瓦斯渗透率分布规律与演化过程

基于潘一矿煤田地质背景,以保护层开采为代表,开展相似模拟试验,通过Matlab软件实时捕获标记点位置并通过像素点演算其坐标,得到采场体积应变分布,可有效地反映采场膨胀-压缩变形分布。同时进一步开展全应力应变渗透试验,建立体积应变与渗透率的耦合关系方程,绘制采场的渗透率分布。研究发现随着工作面向前推进,体积膨胀变形与渗透率演化分布是一致的,上保护层渗透特性演化滞后于保护层,并且随着垮落区的形成与再压密,渗透率也逐渐减小,形成类蝌蚪状分布。     

含瓦斯煤热-气-应力耦合模型的应用研究

综合考虑温度、压力对孔隙度、渗透率以及瓦斯流动对热传导的影响,结合质量守恒、力学平衡及能量守恒方程,在实验室对现场所取煤样分析了温度对瓦斯含量的影响,并建立了含瓦斯煤流-固-热三场耦合数学模型。以新疆某矿煤层赋存为背景,将模型导入COMSOL Multiphysics进行了单孔抽采煤层气的数值分析,得到煤层气抽采过程中压力场、渗透场的变化规律,以及温度、压力对渗透率的影响,结果表明:在瓦斯抽采过程中,考虑温度变化对煤层渗透率的影响是必要的。     

基于含瓦斯煤岩固气耦合模型的钻孔抽采瓦斯三维数值模拟

通过在多孔介质的有效应力原理中引入瓦斯吸附产生的膨胀应力,得出适用于含瓦斯煤岩的有效应力计算公式。同时利用含瓦斯煤岩的孔隙率和渗透率的动态模型,建立了能描述含瓦斯煤岩固气耦合情况下的骨架可变形性和气体可压缩性的固气耦合模型。以平顶山十矿的相关物性参数为基础进行了数值模拟,首先对建立的三维模型进行了开挖处理,得到了开挖后煤层的应力分布状态,而非简单的均布载荷,然后利用所建立的数学模型进行钻孔抽采瓦斯三维数值模拟。从数值模拟结果得到：① 抽采负压对钻孔抽采瓦斯的影响不明显;② 随着抽采时间的增长,煤层的孔隙率逐渐减小;③ 随着时间的推移,钻孔抽采瓦斯的有效抽采半径均逐渐增大,最后会迫近一个定值。     

含水煤层瓦斯抽采的气-液-固耦合数值模拟

为解决含水煤层条件下瓦斯不易解析、煤层渗透率低而造成的瓦斯抽采困难的难题,基于煤层的孔隙-裂隙双重介质模型结构,分别建立了煤层的孔隙渗透率和裂隙渗透率动态变化模型,得到了含水煤层瓦斯抽采的气-液-固多相耦合方程组,并通过数值模拟研究了在水平应力、煤质硬度和煤层含水等因素影响下的瓦斯抽采效果。研究结果表明:水平地应力越大时,煤体中裂隙的张开度较小,瓦斯抽采量就降低;煤层残余水分越多,渗透性越差,瓦斯抽采量越小。该模型可用于分析瓦斯抽采过程中的影响因素分析,也可用于煤层瓦斯抽采量的预测与预计。     

含瓦斯煤岩体采动致裂特性及其对卸压变形的影响

为了研究瓦斯压力对采动煤岩体卸压变形的影响,在FLAC平台上采用应变软化本构关系和“先加载后卸压”的方式,研究了不同瓦斯压力及围压条件下采动煤岩体的卸压致裂特性及其对卸压变形的影响。模拟结果表明：煤岩损伤破坏应力的峰值及所对应的轴向应变、应力峰后下降幅度随瓦斯压力的增加而减小,其力学特征由脆性逐渐向塑性过渡;瓦斯压力的增加使煤岩承载能力下降,并由于在有效应力空间中应力水平的提高而使拉伸破坏提前发生;随着瓦斯压力的升高,上覆煤岩采动煤岩卸压变形量、致裂破坏区不断增大,致裂特征更加明显,采动卸压范围、应力集中峰值及其距煤柱边界的距离也增大。因此,当煤层瓦斯压力较高时,瓦斯压力对采动煤岩体卸压变形的影响不能忽略。     

固-气耦合作用下瓦斯抽采钻孔破裂规律研究

为了减少煤矿瓦斯灾害的发生和提高瓦斯抽采效率,基于岩石力学、流体力学理论,综合考虑复杂应力和瓦斯渗流对钻孔瓦斯抽采的影响,建立了瓦斯抽采钻孔固-气耦合失稳理论模型。通过所建的理论模型,以新兴煤矿相关物理性参数为基础,运用COMSOL Multiphysics软件进行数值模拟,分析了瓦斯抽采钻孔破裂规律。研究结果表明:随着钻孔倾斜角度的变化,在钻孔周围出现不同程度的羊角型塑性区;钻孔周围的塑性区随着侧压系数的增大而减少,从x形逐渐变成环形,钻孔受力环境趋于稳定。     

基于气固耦合的Klinkenberg效应对单孔瓦斯抽采的影响研究

通过耦合方程建立应力场和瓦斯运移场之间的耦合关系,得到考虑Klinkenberg效应和不考虑Klinkenberg效应时两种气—固全耦合模型的控制方程组,分别应用于同一单孔瓦斯抽采数值模型,对比分析了Klinkenberg效应对瓦斯压力、渗透率和孔隙率动态变化的影响规律,结果表明:Klinkenberg效应通过增大煤层渗透率,有助于瓦斯抽采,且随抽采时间的延长效果更加显著;煤化程度较高的煤在抽采时间较长(大于4个月)时需要考虑Klinkenberg效应的影响;由于渗流场和应力场的强耦合作用,孔隙率、渗透率、煤层瓦斯压力受抽采作用的影响范围同步变化。     

滴道矿含瓦斯煤热流固耦合与非耦合对比研究

为研究井下含瓦斯煤动力灾害的机理及其发生原因,从而可以有效实现监测预测,以滴道矿为例,采用滴道矿28煤层掘进工作面热-流-固三场耦合数学模型,利用comsol软件分别对其在耦合和非耦合状况下进行求解,并进行对比分析。结果表明:耦合状况下比非耦合状况下位移开始出现显著相同位移的时间短、最大位移大,表明应力场、渗流场、温度场三场在耦合下比非耦合下煤岩体反应迅速、联系紧密;最大位移在中心部位,且两种状况下都形成O形圈,但耦合状况下形成时间短。     

大倾角层状采动煤岩体重力-倾角效应与岩层控制

大倾角煤层开采过程中,重力-倾角效应是导致细观层状煤岩体单元体主应力偏转和层间接触面应力非均衡传递,介观层状采动模型优势破裂面方向偏移,宏观层状关键层区域迁移、岩体结构异化的主要因素。研究表明,在倾角35°以上煤层采场中重力-倾角效应影响尤为明显：(1)煤岩组合界面倾角35°～60°时,非均衡传力特性逐渐凸显,界面附近煤岩体内应力传递方向发生偏转,且偏转量随倾角增加逐渐增大;煤体破坏由压剪破坏转化为近平行于界面的滑移剪切破坏,煤岩体的强度和弹性模量也随之减小。(2)改变了采场围岩采动应力路径演变规律,在采动应力驱动下顶板的损伤变形与破坏运动存在明显的区域性和时序性。(3)诱发了大倾角采场顶板结构跨层迁移转化、底板非对称破坏滑移、区段煤柱或煤壁局部-整体破坏,以上围岩失稳存在多尺度链式时空关联性,特别是引发围岩灾变的采场关键岩块位置多变,形成采场围岩承载结构异化和泛化特征。理论与实践表明,重力-倾角效应作用下大倾角煤层岩层控制具有显著的多维度和多尺度特点,突破传统开采方法与技术瓶颈,研发全新型成套装备是实现该类煤层安全高效开采的有效途径。     

钻孔瓦斯抽采流-固耦合数值模拟

为了探究钻孔瓦斯抽采过程中瓦斯压力随时间的变化规律,通过建立流-固耦合模型,考虑渗透率、孔隙率和体积应变的动态变化,结合矿井煤层物性参数,运用多物理场软件进行了模拟分析。分析结果表明:随着抽采时间的延长,钻孔周围煤体瓦斯压力逐步降低,在瓦斯抽采过程中,瓦斯压力的降低有助于渗透率的提高,但影响效果甚微,埋藏深度对煤层渗透率起主导作用。     

含瓦斯煤THM耦合模型建立

在建立THM耦合模型所需的9条基本假设基础上,综合应用弹性力学、渗流力学、传热学理论,以含瓦斯煤系统为研究对象,建立了体现含瓦斯煤"三场"真正意义上的双向完全耦合数学模型。该模型包括含瓦斯煤应力场、渗流场、温度场方程和各场的定解条件,揭示了含瓦斯煤系统内渗流、变形和变温之间的内在联系。所建的模型是煤层瓦斯传统渗流理论和流固耦合理论的推进。     

煤与瓦斯共采及瓦斯综合利用分析

黄岩汇煤矿通过尾巷、高抽巷瓦斯治理工作的研究分析,确定利用高抽巷综合治理瓦斯方式,该方式即有效治理瓦斯,保障矿井安全生产,又通过瓦斯发电机、瓦斯锅炉等设备综合利用瓦斯。该研究对矿井瓦斯治理和综合利用有一定的参考意义。     

煤层气越流固气耦合数学模型的SIP分析

应用煤岩固体变形与煤层气（瓦斯）越流相互作用的新观点,认识双层系统煤层气越流运移的机理。在地球物理场作用下,双层系统煤层气越流实质上是可压缩性气体在各向异性且非均质的孔隙与裂隙双重可变形介质中的渗透与扩散的混合非稳定流动过程。依据这一新认识,建立了双层系统煤层气越流与煤岩弹性变形的固气耦合数学模型,并成功地应用该耦合模型于邻近层煤层气涌出的数值模拟实例中。经实测结果验证,该固气耦合模型是符合实际的;同时,也表明解算该类固气耦合数学模型的计算机模拟方法－－SIP算法是有效的。