顾北煤渗透特性的实验研究

摘要

煤岩结构对煤岩体渗透性影响很大，由于在煤矿采掘过程中应力重新分布，围岩应力应变状态发生了改变，煤岩体结构也产生了一定变化，从而其渗透特性具有一定的复杂性。经自燃倾向性鉴定，淮南矿区煤层都属自燃和容易自燃煤层，根据现场统计煤层实际最短自然发火期为15天。为了探究淮南矿区同层煤自然发火期之间的差异，开展顾北煤在力热耦合作用下的渗透特性研究。 本论文选取淮南矿区顾北6煤作为研究对象，采用成型煤样完成实验。论文采用室内试验、理论分析、数值模拟相结合的研究方法，对顾北煤体的热．流一固多场耦合的力学特性及渗透特性进行研究。 采用MTS815.02测试了煤样在单轴、三轴作用下的全应力应变过程，得到了相应的峰值应力值、峰值轴向应变值和峰值侧向应变值。分析显示在围压的作用下，煤样的峰值应力值有所增加，试样的塑性得到提高。另外，还进行了煤样的全应力应变过程渗透特性测定，得到了煤样在不同围压、温度下的Darcy流渗透率，分析显示由于型煤的特殊性，加上水的软化作用，其强度明显降低；100℃下，煤样在IMPa围压下的渗透率范围为0.20x lO.llm2~0.69x lO-llm2，煤样在4MPa围压下的渗透率范围为0.55x10-11m2~3.5lxlO-llm2，表明温度一定，渗透率随着围压增大明显增加04MPa围压下，煤样在50℃下的渗透率范围为0.23xlO-llm2~2.38xlO-llm2，煤样在100℃下的渗透率范围为0.55XlO-llm2~3.51X10-11m2，总的来看，同围压下，温度对型煤的渗透性有促进作用。更高围压下，型煤变形过程中延性更强，力热耦合作用下，型煤的渗透率总体呈现先减小后增加再减小趋势。 通过PCI-2声发射监测系统，测试了煤样在渗透过程中的振铃计数及能量计数。通过对比应力应变曲线，发现煤样破裂过程中的声发射峰值振铃计数率和峰值能率出现的时间基本上在峰值应力前后，声发射信号的集中区，主要在塑性区及峰值区，在峰值区发生不可逆的变形失稳破坏，围压促使声发射信号加强；温度对试样损伤有促进作用。 本文利用RFPA2D-Flow模拟软件，研究了不同围压下，煤体在固液耦合作用下的裂隙扩展规律。通过数值模拟得出：在加载初期，声发射在煤体中随机产生，产生少量声发射现象；随着加载的进行，在弹性破坏阶段，煤体中逐渐出现以剪切破坏产生的声发射为主伴随有拉伸破坏产生的声发射信号；在塑性破坏阶段，声发射信号开始产生集聚，在煤体中形成了几处声发射聚集带。以聚集点为中心，声发射向外辐射形成更大的聚集带，最后煤体发生失稳破坏。通过RFPA2D-thermo软件开展了煤体在热固耦合作用下的数值模拟，得到了煤体在温度及应力作用下的裂隙扩展规律。 通过实验可以看出，煤体在温度应力耦合作用下，其渗透率总体是增加的。渗透率的增大说明在实验过程中煤体产生了较多裂隙，在温度和应力作用下，这些裂隙进一步扩展、贯通形成裂隙网络甚至形成较大裂缝。这些裂隙网络为空气流通提供了通道。一旦发生煤自燃，空气将通过裂隙网络进入燃烧区，将会促进煤自燃进一步发展恶化。

目录

第一个书签之前

1绪论

1.1选题背景及研究意义

1.2国内外研究现状

1.2.1煤岩体单轴、三轴应力应变特性的研究

1.2.2煤岩体的渗流特性研究

1.2.3煤岩体声发射特性的研究

1.2.4煤岩体流-固耦合数值模拟的研究

1.3研究内容及技术路线

1.3.1研究内容

1.3.2技术路线

2 实验装置及原理简介

2.1实验装置及实验原理

2.1.1 MTS815.02型岩石力学伺服试验系统简介

2.1.2瞬态法实验原理

2.1.3 Darcy流的渗透特性

2.1.4声发射监测仪简介

2.2煤岩体温度场理论

2.3岩石基本强度破坏理论

2.4本章小结

3煤体全应力应变过程中的渗透特性与声发射特征研究

3.1型煤试件制备

3.2煤体单轴和三轴应力应变特征及声发射测试

3.2.1煤体单轴应力应变测试

3.2.2煤体三轴应力应变测试

3.2.3煤体声发射特征参数测试

3.3煤体全应力应变过程渗透性测试

3.3.1渗透过程中煤体三轴应力应变及声发射试验

3.3.2煤体的渗透特性测试

3.4本章小结

4煤体破坏的固液耦合模型与热固耦合模型及其数值模拟

4.1RFPA系统简介

4.1.1基本原理

4.1.2基元赋值

4.2固液耦合作用下煤体破坏过程数值模拟

4.2.1模型的建立与实验参数的选择

4.2.2 煤体渗透过程数值模拟结果及分析

4.2.3渗透过程中煤体声发射及其损伤分析

4.2.4渗透过程中煤体试件声发射与加载步关系

4.3热固耦合作用下煤体破坏数值模拟

4.3.1模型的建立与实验参数的选择

4.3.2热应力下煤的裂隙扩展数值模拟

4.3.3力热耦合下煤的裂隙扩展数值模拟

4.4本章小结

5结论与展望

5.1结论

5.2展望

致 谢

参考文献

附录