多尺度裂隙煤体气固耦合行为及机制研究

发布时间：2017-03-17 15:07

  本文关键词：多尺度裂隙煤体气固耦合行为及机制研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：深部煤炭开采进入“高应力、高瓦斯、强吸附、低渗透”的地质环境,煤与瓦斯共采难度增加,固-气耦合动力灾害严重,灾变因素众多且动态耦合,致灾机制复杂多变。本文基于煤体多尺度结构特征和时空变异性,采用实验室实验、理论分析和数值模拟相结合的方法,从煤体基岩与裂隙交互作用、含瓦斯煤多相耦合孔隙介质力学特性和含瓦斯煤裂隙损伤渗流耦合行为三个方面,系统研究并揭示了多尺度裂隙煤体气固耦合行为及机制;建立了多尺度裂隙煤体气固耦合数学物理模型(MSFM),基于Comsol Multiphysics模拟软件和Matlab软件开发了适用于大尺度非均质煤层与瓦斯耦合分析的应力损伤渗流数值计算程序,并进行了现场验证。开展了煤的压汞实验和液氮吸附实验,研究并揭示了煤体的多尺度结构特征,并采用多重分形规律对煤体的孔隙/裂隙结构进行了定量化研究,奠定了煤与瓦斯固气耦合数学物理模型的物理构架和尺度边界。实验研究了不同尺度煤粒的瓦斯吸附解吸与放散规律。结果表明,煤粒瓦斯吸附解吸和扩散具有尺度特性。从微、细和宏观角度揭示了煤粒瓦斯放散的动力学机制,建立了适用于大尺度块煤的瓦斯放散数值模型,为煤体基岩与裂隙交互作用中源汇项的数值模拟奠定了理论基础。开展了含瓦斯煤体单轴压缩实验和吸附侵蚀实验。结果表明,煤吸附瓦斯后改变了煤体基本力学参数。基于Mohr-Columb准则将吸附瓦斯的非力学作用定量化。根据断裂力学和细观损伤力学,考虑吸附瓦斯的力学和非力学作用,建立了含瓦斯煤体各向异性有效应力和双重孔隙损伤本构方程,并进行了数值检验。构建了真三轴煤与瓦斯耦合损伤渗流实验系统,模拟深部岩体应力环境,开展了煤体限定围压渗流实验、等效围压渗流实验和真三轴加卸载渗流实验。研究了裂隙损伤演化和渗流场时空变异性的耦合关系,并建立了基质孔隙和裂隙系统应力损伤渗流耦合方程;开展了不同压力梯度的氦气渗流实验,研究揭示了煤体裂隙损伤演化过程中的渗流机制。结果表明,基质孔隙通常表现为存在启动压力的非线性达西渗流,而裂隙则在低压段表现出明显的Klinkenberg效应,并在高压力梯度阶段表现出幂律渗流规律。在上述研究的基础上,建立了多尺度裂隙煤体气固耦合数学物理模型(MSFM),基于Comsol Multiphysics软件,开发了适用于大尺度煤层的应力损伤渗流耦合数值计算程序,并开展了急倾斜煤层下保护层开采数值模拟与工程实践,并和传统数值模型进行了对比分析。研究表明,相比于传统模型,MSFM模型能有效模拟:1)保护层开采、钻孔瓦斯抽采等扰动过程中的力学渗流耦合行为;2)煤层、顶底板岩体裂隙扩展贯通导致的瓦斯越流现象;3)煤层采动应力场、裂隙场和瓦斯渗流场的时空分布及演化规律。研究成果对进一步完善煤与瓦斯固气耦合理论,揭示煤与瓦斯耦合动力灾害过程及机理,促进煤与瓦斯共采多场耦合大尺度模拟及灾害防治具有重要的理论意义和实践作用。相关成果对页岩气的开发和利用、CO2地下封存、核废料处理等相关领域也具有一定借鉴作用。该论文有图94幅,表17个,参考文献219篇。
【关键词】：多尺度 裂隙煤体 力学渗流 气固耦合 数值模拟
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD712
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-9
• Extended Abstract9-25
• 变量注释表25-28
• 1 绪论28-40
• 1.1 研究背景及意义28-29
• 1.2 国内外研究现状29-37
• 1.3 存在问题及不足37
• 1.4 主要研究内容和技术路线37-40
• 2 裂隙煤体多尺度结构特征与分形规律40-60
• 2.1 裂隙煤体的物理结构特征40-41
• 2.2 裂隙煤体分形理论及模型41-45
• 2.3 裂隙煤体多尺度结构特性45-59
• 2.4 本章小结59-60
• 3 煤粒瓦斯吸附解吸与放散尺度特性、动力学机制及数值模型60-76
• 3.1 实验系统及试样60-62
• 3.2 煤粒瓦斯吸附解吸与放散实验结果62-64
• 3.3 煤粒瓦斯吸附解吸与放散控制机理及动力学模型64-75
• 3.4 本章小结75-76
• 4 含瓦斯煤体有效应力与双重孔隙损伤本构模型76-108
• 4.1 含瓦斯煤岩力学特性测试系统及试样76-78
• 4.2 实验内容及方案78-82
• 4.3 含瓦斯煤力学特性实验结果82-91
• 4.4 含瓦斯煤有效应力与双重孔隙损伤本构模型91-100
• 4.5 含瓦斯煤双重孔隙损伤本构模型数值检验100-107
• 4.6 本章小结107-108
• 5 裂隙煤体渗流时空变异性与渗流机理108-136
• 5.1 真三轴多场耦合实验系统及试样制备108-113
• 5.2 实验内容及方案113-115
• 5.3 实验原理及方法115-117
• 5.4 裂隙煤体渗流实验结果117-126
• 5.5 分析与讨论126-134
• 5.6 本章小结134-136
• 6 多尺度裂隙煤体气固耦合模型与工程应用136-168
• 6.1 多尺度裂隙煤体气-固耦合物理数值模型136-148
• 6.2 多尺度裂隙煤体气-固耦合数值计算方法148-149
• 6.3 多尺度裂隙煤体气-固耦合模型数值应用与验证149-165
• 6.4 分析与讨论165-167
• 6.5 本章小结167-168
• 7 全文总结、创新点及展望168-172
• 7.1 全文总结168-170
• 7.2 创新点170
• 7.3 展望170-172
• 参考文献172-184
• 作者简介184-187
• 学位论文数据集187

  本文关键词：多尺度裂隙煤体气固耦合行为及机制研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：253061