基于等效基质尺度的煤体力学失稳及渗透性演化机制与应用

摘要:受地质构造的作用,在我国煤层中存在着多个构造煤和原生煤分层,构造煤层存在的地方容易造成煤与瓦斯突出,因此更好的认识构造煤在瓦斯突出中的作用并采取有效的防治措施是十分重要的。然而利用构造煤制取的标准试样实验室渗透率普遍大于原煤样的,构造煤的力学破坏以及在组合条件下的失稳机制也不明确。本文主要以山西大宁煤矿的原生煤和构造煤为研究对象,对基于等效基质尺度的煤体力学失稳及渗透性演化机制与应用进行全面系统研究。主要获得以下结论:  1)对比原煤样、构造煤样、型煤样和粉煤的孔隙结构,发现构造煤样中孔隙体积略大于原煤样,而裂隙体积则远大于原生煤的,原煤样的初始结构渗透率要远小于构造煤样和型煤样的,在实验室试验和渗透率模型的基础上,反演了原煤样、构造煤样和型煤样等效基质尺度和等效裂隙开度特征,发现原煤样的等效基质尺度是构造煤样的49倍,是型煤样的4~62倍;原煤样的等效裂隙开度是构造煤的2.1倍,是型煤样的0.2~1.6倍。  2)基于力学试验结果和本构关系的基础上,认为原煤样简化为应变软化模型,构造煤样简化为理想弹塑性模型;原煤样中等效基质尺度大且孔裂隙不发育,在相同条件下不易破坏,原煤样的抗压强度、粘聚力和内摩擦角、弹性模量分别是构造煤的15倍、8.6倍和14倍;结合摩尔库伦准则、格里菲斯准则和瓦斯吸附热力学理论构建了瓦斯对煤体强度弱化的模型,研究发现游离瓦斯和吸附瓦斯均起着弱化煤体强度的作用,在缓慢增加区域中原煤样的游离瓦斯与吸附瓦斯弱化量之比为1.3~3.4倍,而构造煤样的游离瓦斯与吸附瓦斯弱化量之比为8.4~19.8倍,这与构造煤样中拥有较小的等效基质尺度和发育的孔裂隙有关。  3)开展了不同等效基质尺度含瓦斯煤的渗透率演化试验,相同条件下,等效基质尺度较大的原煤样的渗透率远小于构造煤样和型煤样;全应力应变过程中,原生煤渗透率在峰后骤增了200~300倍,构造煤渗透率仅增加1.4~2.4倍。构建了三轴应力条件下含瓦斯煤在弹性阶段的渗透率模型,分别建立了该模型在特定边界条件下的渗透率方程并验证;引入等效塑性应变和渗透率骤增系数,建立煤体塑性破坏的渗透率演化模型并验证。  4)获得了含瓦斯煤渗透率演化的内在影响机制。构造煤样和型煤样中用于瓦斯渗流的通道大多是在重塑时形成的,人为作用破坏了煤中原有的裂隙系统,这使得构造煤样和型煤样无法复制原煤样的结构特征。原煤样与构造煤样、型煤样的在等效基质尺度上差距更大,导致渗透率朝着基质尺度主导的方向发展,使得构造煤样和型煤样的初始结构渗透率是原煤样5~365倍。  5)含瓦斯组合体由于变形不协调在接触面处会产生水平附加应力,利用自定义不协调变形量和摩尔库伦准则并结合受力分析,将组合体破坏形式划分为7种;探讨了煤层开采引发的2种路径下组合体的破坏,围压不变时破坏首先发生在原生煤接触面最小垂向应力为27.64 MPa,围压为0时破坏首先发生构造煤最小垂直应力仅为1.66MPa,煤矿现场应力引发煤体的破坏更趋向于后者。  6)基于构建的渗透率模型、力学本构方程和双重孔隙结构,构建煤层瓦斯流动过程中多场耦合模型,分析发现构造煤的存在会增加煤体的塑性破坏并降低瓦斯预抽效率。以大宁煤矿原生煤与构造煤共生实际情况为例,建立了以定向长钻孔的主孔抽采为主,羽状分支孔辅助抽采构造软分层为辅的布孔方式,同时分析了原生煤与构造煤共生条件下瓦斯治理模式与效果。

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