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含瓦斯煤体气固耦合渗流机理及应用研究

作　者: 魏明尧
导　师: 王恩元
学　校: 中国矿业大学
专　业: 安全技术及工程
关键词: 含瓦斯煤体瓦斯渗流理论气固耦合模型损伤本构模型数值模拟
分类号: TD712
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

含瓦斯煤层的动力灾害主要包括煤与瓦斯突出和冲击地压，动力灾害发生后会摧毁巷道等采掘空间，并伴随着瓦斯涌出异常，严重威胁着煤矿安全高效生产和矿山工作人员的生命安全。含瓦斯煤层动力灾害发生时应力场和瓦斯渗流场是相互影响的，因此研究含瓦斯煤层应力场和瓦斯场的气固耦合效应对进一步揭示动力灾害机理及预防动力灾害发生有着十分重要的作用。本文利用理论建模和数值模拟手段系统研究了煤层应力与瓦斯渗流的耦合规律，主要得到以下结论：（1）根据煤体结构特点，采用双重孔隙结构模型描述煤体的多孔基质和裂隙结构特征。分析了煤体基质在应力作用下的压缩变形规律，得到了基质系统孔隙率、渗透率与应力的变化关系；分析了裂隙受压缩而闭合和受剪切而张开的规律，并采用分形理论建立了裂隙开度与应力的变化模型，在此基础上建立了三维空间裂隙系统的孔隙率、渗透率与复杂应力场的关系。（2）分析了受裂隙作用形成的煤体部分分割和部分连接的特殊结构，得到了瓦斯吸附膨胀或解吸收缩应变对煤体连接部分的有效应力的影响，并在此基础上建立了在瓦斯吸附膨胀或解吸收缩应力作用下的含瓦斯煤体有效应力方程。采用体积应变量衡量裂隙煤体的损伤程度，建立了煤体的损伤演化方程；采用Mohr-Coulomb屈服准则作为判断破坏的依据，并分别对剪切破坏和拉伸破坏后的应变量进行塑性修正；同时分析了煤体粘聚力随应变增加而降低的特征，采用煤体粘聚力应变软化模型表征煤体的应变软化特征。（3）根据瓦斯气体的渗流规律和状态方程，分别建立了基质系统和裂隙系统内瓦斯气体的质量守恒方程。基于TOUGH2多相流模拟软件开发了TOUGH2(CH4)瓦斯渗流模拟软件，模拟分析了煤样内瓦斯渗流过程，验证了本软件的合理性；采用C++语言编写了煤体损伤本构模型的dll库文件，通过FLAC3D软件对煤体单轴压缩过程进行了模拟，其结果准确的反映了煤体的损伤破坏过程。应力场对渗流参数产生影响，同时瓦斯渗流场对煤体有效应力产生影响，结合渗流参数与应力关系和煤体有效应力方程即构成了气固耦合模型。根据建立的气固耦合模型，开发了TOUGH2(CH4)-FLAC气固耦合数值模拟软件，并模拟分析了有围压加载时煤体内瓦斯渗流规律，模拟结果与理论结果相符。根据模拟结果可以证明本文提出的气固耦合模型和数值计算方法具有一定的可靠性。（4）以鹤岗南山矿为工程背景，将开发的TOUGH2(CH4)-FLAC软件应用于现场，对巷道围岩损伤演化和瓦斯渗流情况进行了模拟研究，得到了围岩受冲击扰动前后的损伤特征和瓦斯渗流规律，揭示了冲击扰动造成瓦斯涌出异常的机理。研究成果对深入认识含瓦斯煤层动力灾害机理、制定预防措施等具有重要的意义，同时煤层气固耦合程序的应用为进行煤层瓦斯渗流规律分析提供了一种研究方法。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-7
Abstract  7-9
Extended Abstract  9-13
目录  13-17
图清单  17-21
表清单  21-22
变量注释表  22-24
1 绪论  24-36
  1.1 研究背景与意义  24-25
  1.2 国内外研究现状  25-34
  1.3 存在的问题及不足  34
  1.4 主要研究内容和技术路线  34-36
2 煤层瓦斯物理特征及运移规律研究  36-48
  2.1 含瓦斯煤体微观结构  36-37
  2.2 煤层瓦斯含量  37-40
  2.3 瓦斯渗流特征  40-46
  2.4 本章小结  46-48
3 受应力影响的瓦斯渗流参数动态变化模型研究  48-62
  3.1 煤体的双重孔隙介质模型  48-50
  3.2 基质介质中的孔隙率和渗透率的动态变化模型  50-52
  3.3 裂隙介质中的孔隙率和渗透率的动态变化模型  52-61
  3.4 本章小结  61-62
4 含瓦斯煤体有效应力及损伤本构模型研究  62-78
  4.1 煤体力学特征  62-64
  4.2 含瓦斯煤岩有效应力原理  64-68
  4.3 煤体损伤力学基本理论  68-72
  4.4 煤体的损伤本构模型研究  72-76
  4.5 本章小结  76-78
5 双重孔隙介质的气固耦合过程及数值计算研究  78-106
  5.1 渗流场控制方程  78-89
  5.2 应力场控制方程  89-98
  5.3 气固耦合数值模拟程序开发及检验  98-104
  5.4 本章小结  104-106
6 煤层冲击地压后瓦斯异常涌出数值模拟研究  106-120
  6.1 工程概况  106
  6.2 数值计算模型建立  106-108
  6.3 煤层巷道瓦斯异常涌出过程模拟  108-118
  6.4 本章小结  118-120
7 全文总结、创新点及展望  120-124
  7.1 全文总结  120-121
  7.2 创新点  121-122
  7.3 展望  122-124
参考文献  124-140
作者简历  140-142
学位论文数据集  142

含瓦斯煤体气固耦合渗流机理及应用研究

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