高压瓦斯吸附与快速卸气压对煤岩的劣化作用试验与分析

摘要

针对煤与瓦斯突出孕育、启动两个阶段中瓦斯对煤岩力学状态的影响，在前人的研究基础上，将吸附态瓦斯和游离态瓦斯对煤岩的影响分离研究。
　　高压吸附瓦斯对煤岩力学性质的劣化作用研究采用了物理试验和理论分析相结合的方法。物理试验仪器采用自主研发的可视化恒容气固耦合试验系统，试验采用与原煤力学性质相似度较高且物理力学参数受控可调的型煤标准试件，用CO2代替瓦斯气体。理论分析从拉伸破坏条件、剪切破坏条件和变形性质三个方面总结了劣化原因，得到了吸附态瓦斯对煤岩力学性质劣化的理论公式。在此基础上，为了更加精准的描述分析高压瓦斯吸附对煤岩的劣化现象，创新性地，从颗粒离散元的角度分析了高压瓦斯吸附对煤岩的劣化作用，并通过劣化试验与PFC2D数值模拟验证了颗粒离散元分析方法的的适用性。游离瓦斯对煤岩裂隙的扩容作用研究采用物理试验的方法。物理试验仪器在劣化试验的基础上改造而成，实现了气体高速释放。试验对象仍是型煤与CO2。
　　主要得到以下结论:(1)型煤力学性质的劣化率随气体压力的增大变化呈包含幂函数项的复合函数关系，单轴抗压强度最大约降低44％，弹性模量最大约降低42％;(2)相同气体压力下，吸附性越大的气体在相同的吸附平衡压力环境下对型煤的劣化作用越大。(3)为了降低煤岩颗粒表面自由能，瓦斯吸附于煤岩颗粒表面，将导致煤岩颗粒接触的粘结抗拉强度、粘结粘聚力与粘结有效模量降低，气体吸附平衡压力越大，粘结抗拉强度、粘结粘聚力与粘结有效模量越小，粘结越容易发生破坏，从而降低了煤岩宏观强度与弹性模量。(4)力学状态良好的煤岩在揭露瞬间不会发生突出现象，煤岩进入峰后状态是发生突出的前提;(5)揭露瞬间造成的煤层内外气体压差是诱发突出的必要条件;(6)峰后煤岩在力学状态相同、瓦斯压力相同的情况下，随着煤岩强度的减小，发生突出的可能性增大，并存在一个强度阀值，小于该阀值发生突出，同时体应变增量随型煤强度呈负幂函数关系。

目录

声明

摘要

1．1 选题背景与研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 含瓦斯煤物理力学性质研究

1．2．2 含瓦斯煤气固耦合试验研究

1．2．3 研究现状总结

1．3 研究内容与研究方法

1．3．1 论文研究内容

1．3．2 论文研究方法与技术路线

第2章 气体吸附对型煤的劣化作用试验

2．1 型煤的制备与试验气体的选取

2．2 型煤劣化试验设计与过程

2．3 型煤劣化试验结果

2．4 型煤劣化作用的力学分析

2．5 本章小结

第3章 气体吸附对型煤的劣化作用分析

3．1 基于颗粒离散元方法的劣化作用分析

3．1．1 颗粒离散元方法介绍

3．1．2 线性平行粘结模型中的力学行为

3．1．3 劣化作用分析

3．2 颗粒离散元劣化分析的模拟验证

3．2．1 数值模型的建立

3．2．2 数值模拟验证结果

3．3 本章小结

第4章 快速卸气压对型煤裂隙的扩容作用

4．1 煤层揭露瞬间游离瓦斯的主体动力作用

4．2 型煤裂隙扩容试验设计及过程

4．3 型煤裂隙扩容试验结果分析

4．3 本章小结

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

在读期间科研成果和参加科研项目情况