受载含瓦斯煤渗流特性及其应用研究
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摘要
瓦斯异常涌出和煤与瓦斯突出事故是在多场耦合作用下煤体失稳破坏而引发的动力灾害，而作为煤层中瓦斯流动难易程度指标的渗透率和煤层瓦斯多场耦合模型共同成为煤层内瓦斯运移规律研究中最重要也最基础的关键问题，本文通过自主搭建受载含瓦斯煤体渗流特性实验装置，研究了不同孔隙压力、不同围压、不同有效应力和不同温度条件下煤样瓦斯渗透特性，在考虑吸附变形量、孔隙气体压缩量和温度膨胀变化量的基础上，建立了受载含瓦斯煤的孔隙率与有效应力之间的关系方程、渗透率与有效应力的关系方程及瓦斯在受载煤体中的非线性渗流方程。将原有有效应力理论与损伤力学的基本原理相结合，在考虑应力、孔隙压力和温度效应影响下把受载含瓦斯煤体的变形机制分为三种，根据煤体的应变量是有效应力σe的函数，建立了含瓦斯煤体的应力-应变的本构关系，结合渗透率与有效应力的关系方程，建立了渗透率的动态演化模型。并将受载含瓦斯煤体的应力-应变过程与动压巷道周围煤体的应力-应变过程相结合，视受载含瓦斯煤体为粘弹塑性软化介质，理论推导了巷道周围煤体塑性软化区和破碎区半径的计算公式，建立了考虑渗透率动态演化的巷道周围煤体瓦斯渗流方程及流固耦合模型。结合数值模拟的研究方法，分析了不同条件下巷道周围煤体不同区域应力分布及渗透率变化规律，通过现场实际验证，得出现场验证、理论分析和数值模拟结果基本相一致。
Abnormal methane emission and accidents of coal and gas are dynamic disasterscaused by instability and failure of coal under the effect of multi-field coupling,permeability as gas flow ease indicators in coal seam and multi-field coupling model,became the most important and basis key issues of coal gas migration law in coalseam, after studying coal sample gas permeability properties in different pore pressure,confine pressure, effective pressure and temperature, this paper built relation equationsbetween porosity of loaded coal containing gas and effective stress, dynamic evolutionmodel between permeability and effective stress, seepage migration equation of gas inloaded coal with a self-developed equipment for seepage characteristics of loaded coalcontaining methane, which based on considering the adsorption deformation, pore gas compression volume and temperature expansion. Combined theory of original effectivepressure with fundamental of damage mechanics, divided deformation mechanism ofloaded coal containing methane into three under pressure, pore pressure andtemperature, built the stress-strain constitutive relation of coal containing methane onthe basis that coal dependent variable is function of effective pressure which called σe,established dynamic evolution model of permeability via combining permeability andeffective pressure.Combined stress-strain process of loaded coal containing gas withstress-strain process of coal body around dynamic load roadway, regard loaded coalcontaining methane as viscoelastic plasticity soften medium, calculation formula ofradius in plastic softening area and broken area are found out by theoretical inference,set up coal gas seepage equation around roadway and fluid-solid coupling modelunder the action of permeability dynamic evolution. Analyzed the pressuredistribution in different areas around coal under different conditions and change law ofpermeability by the means of numerical simulation, achieved that Field validation,theoretical analysis and numerical simulation results are basically consistent by actualvalidation.
Abnormal methane emission and accidents of coal and gas are dynamic disasterscaused by instability and failure of coal under the effect of multi-field coupling,permeability as gas flow ease indicators in coal seam and multi-field coupling model,became the most important and basis key issues of coal gas migration law in coalseam, after studying coal sample gas permeability properties in different pore pressure,confine pressure, effective pressure and temperature, this paper built relation equationsbetween porosity of loaded coal containing gas and effective stress, dynamic evolutionmodel between permeability and effective stress, seepage migration equation of gas inloaded coal with a self-developed equipment for seepage characteristics of loaded coalcontaining methane, which based on considering the adsorption deformation, pore gas compression volume and temperature expansion. Combined theory of original effectivepressure with fundamental of damage mechanics, divided deformation mechanism ofloaded coal containing methane into three under pressure, pore pressure andtemperature, built the stress-strain constitutive relation of coal containing methane onthe basis that coal dependent variable is function of effective pressure which called σe,established dynamic evolution model of permeability via combining permeability andeffective pressure.Combined stress-strain process of loaded coal containing gas withstress-strain process of coal body around dynamic load roadway, regard loaded coalcontaining methane as viscoelastic plasticity soften medium, calculation formula ofradius in plastic softening area and broken area are found out by theoretical inference,set up coal gas seepage equation around roadway and fluid-solid coupling modelunder the action of permeability dynamic evolution. Analyzed the pressuredistribution in different areas around coal under different conditions and change law ofpermeability by the means of numerical simulation, achieved that Field validation,theoretical analysis and numerical simulation results are basically consistent by actualvalidation.
引文
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