水分对煤瓦斯解吸性能及力学特性的影响研究

摘要

煤层开采过程中，难以避免水分的影响，为保证突出煤层的安全高效开采，研究水分对煤瓦斯解吸和力学特性的影响具有重要意义。本文以卧龙湖煤矿8101涌水工作面的为研究背景，综合运用理论分析、实验室实验、数值模拟、现场验证等研究手段，探讨水分对煤瓦斯解吸性能及煤体力学特性的影响，并通过现场瓦斯数据和数值模拟考察，说明水分对工作面瓦斯解吸以及应力分布的影响，为相似地质条件煤层开采提供技术参考。
　　为了研究水分对煤瓦斯解吸性能的影响，本文采用煤矿瓦斯治理国家工程研究中心的高压吸附-注水-搅拌-解吸测试装置，该仪器解决了先吸附平衡后注水解吸的难题。实验表明，水对煤中吸附瓦斯具有置换解吸作用和抑制解吸作用，并通过工作面实际瓦斯涌出规律和瓦斯解吸量进行了验证。置换解吸作用表明：不同瓦斯吸附平衡压力下，瓦斯置换量与水分含量变化关系相似，即水分含量越大，水分对煤中吸附瓦斯的置换量越大，当水分含量达到9％~11%时，水分对瓦斯的置换量能达到25%~35%，超过11%后，再增加水分含量对置换量的影响将不再明显。抑制解吸作用表明：不同瓦斯吸附平衡压力下，瓦斯解吸量与水分含量变化关系相似，即水分含量越大，瓦斯解吸量越小，且存在极限值，当水分含量达到9%~11%之间时，水分对120 min瓦斯解吸抑制效率在45%~55%之间。
　　通过不同水分含量下的型煤力学实验，得到了水分对型煤力学特性参数的影响规律，即随着水分含量的增大，抗压强度降低，峰值应变增加，弹性模量降低，摩擦角和内聚力也逐渐降低；抗压强度、峰值应变、弹性模量、内聚力与水分含量均呈指数变化关系，摩擦角与水分含量呈线性变化关系；围压越大，水分含量对抗压强度、峰值应变和弹性模量的影响越大。
　　现场瓦斯数据表明，增大煤体水分含量，煤体中吸附瓦斯首先会受到置换解吸作用影响，部分吸附瓦斯被置换成为游离瓦斯提前释放，当工作面煤体卸压或者采落时，煤体瓦斯降压解吸将受到抑制作用，使得润湿煤体的瓦斯解吸量和解吸速度小于干燥煤体，减少工作面落煤瓦斯涌出。
　　为了研究水分改变煤体力学特性对工作面应力分布演化造成的影响，采用FLAC3D数值模拟手段，分析煤层在围压4 MPa时不同水分含量区域的开挖情况，结果表明，由于水分的影响，煤层的力学性质产生变化，工作面前方含水区域相比于开切眼附近的正常区域，卸压带宽度出现了不同程度的增大，最大垂直应力向煤壁深处转移。

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变量注释表

1 绪论

1.1研究目的与意义（Research Purpose and Significance）

1.2国内外研究现状及存在的问题（Present Research Situation of Home and Abroad and Problems）

1.3主要研究内容与技术路线（Main Research Contents and Technical Route）

2 试验煤样物性参数测定及煤层瓦斯赋存特征

2.1试验矿井基本概况（General Situation of the CoalMine）

2.2煤的基本物性参数测定（Basic Physical Parameters of Coal Sample）

2.3煤层瓦斯赋存特征(Gas Occurrence Regularity of 8 Coal Seam)

2.4本章小结（Chapter Conclusions）

3 水分对煤瓦斯解吸性能的影响

3.1实验方法（Experimental Methods）

3.2实验参数优化（Optimization of Experimental Parameters）

3.3注水解吸实验结果及分析（Experimental Results and Analysis ofGas Desorption after Water Injection）

3.4本章小结（Chapter Conclusions）

4 水分对煤力学特性的影响

4.1力学实验简介（Mechanics Experiment Introduction）

4.2实验方法（Experimental Method）

4.3力学实验结果及分析（Experimental Results and Analysis）

4.4本章小结（Chapter Conclusions）

5 工作面涌水对煤体瓦斯解吸和应力分布的影响

5.1 8101工作面概况（General Situation of 8101 Coal Face）

5.28101工作面水源分析及含水率测定（Analysis of Water Resource and Determination of Moisture in 8101CoalFace）

5.3水分对煤瓦斯解吸性能影响的现场考察（Spot Investigation of Effects of Moistureon the Gas desorption in Coal）

5.4涌水工作面应力分布模拟考察（Study on Simulation of Stress Distribution of Gushing Face）

5.5本章小结（Chapter Conclusions）

6 主要结论和展望

6.1主要结论（Main Conclusions）

6.2 研究展望（ResearchProspects）

参考文献

作者简历

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