多重應(yīng)力路徑下雙重孔隙煤體損傷擴容及滲透性演化機制與應(yīng)用.pdf

1、近年來，隨著我國東部各主產(chǎn)礦區(qū)相繼進入深部開采狀態(tài)，深部煤層鉆孔瓦斯抽采遇到了諸多瓶頸，深部采動應(yīng)力條件下煤體的基本力學行為和滲透性演化特征仍有待深入研究。為進一步揭示煤體滲透性演化的內(nèi)在力學機制以及煤層瓦斯運移過程中的物理本質(zhì)，本文基于實際采動應(yīng)力條件獲得的多重應(yīng)力路徑，分別使用原煤、常規(guī)型煤和微擾動軟煤試樣，較系統(tǒng)的開展了煤樣的力學及滲透性演化試驗，并綜合運用巖體力學、滲流力學、C.D.Martin裂隙應(yīng)變模型等理論方法研究了煤的力

2、學特性、損傷擴容規(guī)律和滲透率演化的內(nèi)在力學機制。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了雙重孔隙煤體瓦斯運移過程中的氣固耦合模型，分別以實驗室和工程尺度為背景對瓦斯運移規(guī)律開展了模擬研究。取得了以下研究成果：
　　(1)圍壓卸載對煤體強度起劣化作用。加載條件下，常規(guī)型煤和微擾動軟煤的內(nèi)聚力分別為1.72MPa和1.18MPa，內(nèi)摩擦角均為35.06°；圍壓卸載條件下，常規(guī)型煤和微擾動軟煤的內(nèi)聚力分別為0.95MPa和0.83MPa，內(nèi)摩擦角分別為38.

3、03°和34.74°。圍壓卸載下，常規(guī)型煤和微擾動軟煤內(nèi)聚力分別劣化約44.77％和29.66%。
　　(2)通過理論分析獲得了煤體損傷擴容漸進破壞過程及煤體滲透性演化的內(nèi)在力學機制。基于試驗獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，利用C.D.Martin裂隙應(yīng)變模型對煤體裂隙發(fā)育進行了定量描述，獲得了裂隙發(fā)育各階段對應(yīng)的特征應(yīng)力。當煤體所處的應(yīng)力水平達到損傷擴容應(yīng)力σcd時，煤體即產(chǎn)生塑性變形，開始擴容屈服。基于煤體損傷擴容漸進性破壞的力學機制，

4、建立了煤體損傷擴容屈服準則。不同初始損傷程度卸載條件下煤體滲透性測試結(jié)果表明，煤樣損傷擴容前，煤樣滲透率同差應(yīng)力的關(guān)系符合指數(shù)函數(shù)k=koexp[A(σ1-σ2)]；損傷擴容后，煤樣滲透率呈近似線性的快速增長趨勢。將煤體裂隙演化規(guī)律同滲透性演化規(guī)律相結(jié)合，揭示了滲透性演化的內(nèi)在力學機制。
　　(3)開展了靜水壓條件下原煤和型煤滲透性試驗，結(jié)果表明，裂隙瓦斯壓力能迅速達到目標值，而基質(zhì)瓦斯壓力的增速則非常緩慢；吸附平衡過程中滲透性的

5、演化為有效應(yīng)力及吸附膨脹變形競爭作用的結(jié)果；原煤所需的吸附平衡時間約為型煤的2.7倍；隨著圍壓的增大，煤樣的骨架壓縮，裂隙寬度減小，滲透率降低，滲透率同有效應(yīng)力符合形如k=koexp[-3cf(σ-σ0)]的函數(shù)關(guān)系，回歸計算獲得型煤和原煤的裂隙壓縮因子分別為2.34×10-4 psia-1、1.96×10-4 psia-1和1.09×10-3 psia-1，表明原煤的應(yīng)力敏感性遠大于型煤，而兩個型煤的應(yīng)力敏感性則基本相同。
　　

6、(4)使用COMSOL Multiphysics軟件調(diào)用本文建立的雙重孔隙煤體瓦斯運移過程中的滲透率演化模型及氣固耦合模型，分別以實驗室和工程尺度為背景模擬研究了煤中的瓦斯運移規(guī)律。模擬結(jié)果表明，裂隙瓦斯壓力和基質(zhì)瓦斯壓力對于目標平衡狀態(tài)的響應(yīng)速度差別較大，煤樣吸附平衡12h時，基質(zhì)瓦斯壓力仍小于吸附平衡1h時的裂隙瓦斯壓力。響應(yīng)速度帶來的影響同Klinkenberg效應(yīng)在同一個數(shù)量級，模擬分析時忽略該影響將使得基質(zhì)瓦斯壓力被低估。

7、r>　　(5)順層鉆孔常見的失穩(wěn)破壞模式主要包括零坍塌、局部坍塌、拱形坍塌和塌穿型坍塌。鉆孔周圍的應(yīng)力擾動區(qū)依次為峰后破碎區(qū)、損傷擴容區(qū)和彈性變形區(qū)。同損傷擴容屈服準則相比，Mohr-Coulomb準則判斷煤體是否發(fā)生塑性變形時較為“保守”。PVC篩管單向抗擠試驗結(jié)果表明，2吋、1.5吋和1吋篩管的最大分別能承受約105kN/m、61kN/m和49kN/m的單向外擠力。僅當鉆孔破壞后無法形成自穩(wěn)的壓力拱，傳遞到篩管上的地應(yīng)力大于其所能承

8、受的最大煤層擠壓力時，篩管失效。
　　(6)使用COMSOL Multiphysics軟件調(diào)用本文建立的滲透率和氣固耦合模型，模擬研究了丁集礦1331(1)工作面鉆孔及巷道周圍煤體的采動應(yīng)力、滲透率及裂隙瓦斯壓力分布特征。模擬結(jié)果表明，鉆孔及巷道的應(yīng)力擾動范圍分別為0.27m和18m，區(qū)域內(nèi)煤體滲透率最大值分別為初始值的1550倍和2000倍，最小值分別為初始值的0.5倍和0.2倍。鉆孔局部坍塌后能夠形成自穩(wěn)的壓力拱。鉆孔應(yīng)力擾動