应力场与瓦斯渗流场耦合规律及瓦斯抽采参数优化研究

摘要

采矿工程中的采掘作业涉及到的是煤岩的应力场和瓦斯渗流场的耦合问题，且应力场和瓦斯渗流场之间相互影响、相互作用和相互制约。本文首先以松藻煤电有限责任公司松藻煤矿 K2b煤层煤岩为研究对象，利用自主研发的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流系统配合美国物理声学公司生产的全数字化声发射监测系统，研究了在常规三轴加载路径和卸围压路径下含瓦斯煤岩失稳破坏过程中的渗流特性与声发射特征，其次，以K2b煤层3211工作面现场试验为基础，研究了工作面开采过程中煤层应力与瓦斯耦合规律，并分析了工作面开采过程中煤岩层渗透率的动态演化规律，最后建立了煤层瓦斯抽采过程应力场和渗流场流固动态耦合数学模型，并依据《煤矿安全规程》和《防治煤与瓦斯突出规定》规定的瓦斯预抽采后消突效果检验指标，优化了松藻煤矿K2b煤层3211工作面本煤层瓦斯预抽采钻孔参数。通过本文研究，在以下方面取得了一些进展：
　　①含瓦斯煤岩的宏观力学行为与其内部的微观结构密切相关，用声发射信息可以反映煤岩内部微观破坏的活动性，在常规三轴加载路径下，不含瓦斯煤岩的破裂类型为突然破裂型，含瓦斯煤岩的破裂类型为稳定破裂型。声发射活动规律与含瓦斯煤岩应力-应变曲线呈滞后对应关系，与含瓦斯煤岩渗透率-应变曲线具有较好的对应关系。
　　②从宏观方面度量损伤基准，选取弹性模量作为损伤变量来表征含瓦斯煤岩在失稳破坏过程中的损伤程度，在同时考虑应力和瓦斯压力引起煤岩损伤的基础上，建立了基于声发射的含瓦斯煤岩损伤关系式，并验证了其合理性。
　　③在初始瓦斯压力和卸围压速度相同的情况下，含瓦斯煤岩的破坏角随着初始卸载围压的增大而增大，近似呈线性关系。
　　④常规三轴加载路径和卸围压路径下含瓦斯煤岩的声发射幅值曲线不同，卸围压路径下声发射幅值曲线呈现出以卸围压起始点为界的双峰状态。
　　⑤随着卸围压速度的增大，含瓦斯煤岩破坏时产生的声发射事件也逐渐增大，卸围压速度的增加使得含瓦斯煤岩声发射累积振铃计数增大，同时使产生明显声发射的时间提前。
　　⑥在初始卸载围压和瓦斯压力相同的情况下,卸围压速度的增大，加快了含瓦斯煤岩失稳破坏的进程。定义的卸围压效应系数反映了卸围压速度对含瓦斯煤岩失稳破坏的难易程度，且卸围压效应系数与卸围压速度之间存在幂函数关系。
　　⑦从能量的角度分析了围压对含瓦斯煤岩卸围压失稳破坏的内在属性，初始围压不同使得含瓦斯煤岩卸围压试验中轴向应力加载阶段和围压卸载阶段能量特征不同，加载阶段和卸载阶段均具有围压效应，加载阶段和卸载阶段能量变化与初始围压均呈对数关系。
　　⑧随着采煤工作面的推进，顶板初次来压和周期来压期间煤层实测应力曲线均经历了低—高—低的过程，瓦斯抽采流量曲线随着应力的变化而变化，说明煤层透气性与应力息息相关。
　　⑨应用Ren、Edwards、Lowndes等得出的煤岩体渗透率与其应力变化关系式，通过编译FISH函数编写了程序，模拟得到了3211工作面开采过程中煤岩层渗透率的动态演化规律，得到的煤层推进方向的应力和渗透率耦合曲线的变化规律与其他研究人员现场试验基本吻合。
　　⑩基于煤岩弹性变形理论和煤层瓦斯赋存与流动的基本定律，建立了煤岩瓦斯抽采过程应力场和瓦斯渗流场流固动态耦合数学模型，根据《煤矿安全规程》和《防治煤与瓦斯突出规定》规定的瓦斯预抽采后消突效果检验指标残余瓦斯压力0.74MPa和预抽率30％为临界值，在预抽采3~6个月时间一定的情况下，应用多物理场耦合软件理论上优化了松藻煤矿K2b煤层3211工作面瓦斯预抽采钻孔的有效影响半径和钻孔间距参数。

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1 绪论

1.1课题的研究背景及意义

1.2应力场和瓦斯渗流场耦合规律研究现状

1.3瓦斯抽采研究现状

1.4论文的主要研究内容及技术路线

2 煤岩物理力学性质试验研究

2.1工程概况

2.2煤岩物理力学性质试验

2.3煤岩与煤岩体力学参数关系

2.4本章小结

3 常规三轴加载路径下含瓦斯煤岩声发射试验研究

3.1概述

3.2试验过程

3.3基于声发射的煤岩破裂类型

3.4常规三轴加载路径下含瓦斯煤岩声发射试验分析

3.5基于声发射的含瓦斯煤岩损伤分析

3.6 本章小结

4 三轴卸围压路径下含瓦斯煤岩声发射试验研究

4.1概述

4.2试验方案

4.3试验结果及分析

4.4卸围压路径下含瓦斯煤岩能量分析

4.5本章小结

5 煤层应力与瓦斯耦合规律现场实测及数值模拟研究

5.1概述

5.2现场试验区概况

5.3现场监测

5.4现场煤层应力与瓦斯耦合规律

5.5煤层应力与渗透率动态模拟

5.6本章小结

6 瓦斯抽采流固动态耦合模拟与抽采参数优化研究

6.1概述

6.2瓦斯抽采流固动态耦合数学模型建立

6.3煤层瓦斯抽采消突效果检验指标分析

6.4瓦斯抽采流固动态耦合模拟与抽采参数优化

6.5本章小结

7 结论与展望

7.1本文的研究成果及结论

7.2主要创新点

7.3后续研究工作及展望

致谢

参考文献

附录