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采动条件下煤岩力学特性及瓦斯运移时空演化规律

作　者: 李铭辉
导　师: 尹光志
学　校: 重庆大学
专　业: 采矿工程
关键词: 采动条件瓦斯运移应力场固气耦合加卸载
分类号: TD712
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

采动条件下煤岩力学特性及瓦斯运移时空演化规律是“煤与瓦斯安全共采”技术的核心。本文以平煤十矿己15煤层为研究对象，采用理论分析、实验研究与数值模拟相结合的方法分析了采动条件下煤岩力学特性及瓦斯运移时空演化规律，进行了不同加卸载条件下（即增加轴压的同时卸载围压）含瓦斯煤力学特性的试验研究。研究结果表明，不同加卸载条件下含瓦斯煤的力学特性表现各异。建立了能描述含瓦斯煤岩固气耦合情况下的骨架可变形性和气体可压缩性的固气耦合模型，并对其进行了验证。论文取得以下主要研究成果：①原煤试件全应力应变过程的渗透率随着轴向应变的增加先减小后增大，煤岩的渗透率在屈服点之前较很低，超过了屈服点后迅速增大。②不同加卸载条件下含瓦斯煤的峰值强度与不同的加卸载条件有如下关系：不同初始轴向应力加卸载条件下煤样的峰值强度随着初始轴向应力的升高呈指数关系降低；不同加载速度加卸载条件下煤样的峰值强度随着加载速度的增加呈幂函数关系降低；不同初始围压加卸载条件下煤样的峰值强度随着初始围压的升高呈指数关系降低；不同瓦斯压力加卸载条件下煤样的峰值强度随着瓦斯压力的升高呈线性关系降低。③建立了含瓦斯煤岩弹塑性流固耦合渗流模型。从模拟结果来看，符合含瓦斯煤岩流固耦合三轴渗流实验规律,所提出的弹塑性流固耦合本构模型能有效地描述含瓦斯煤岩力学及渗流特性。④对三维空间的煤岩体开挖进行了模拟研究，在此基础上，得到了煤体在固气耦合作用下瓦斯的运移规律和煤层透气性的演化规律。从结果来看，符合现场瓦斯抽采的一般规律。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
1 绪论  8-14
  1.1 问题的提出  8
  1.2 国内外研究现状分析  8-12
    1.2.1 含瓦斯煤岩加载力学特性研究现状  8-9
    1.2.2 岩体卸围压力学特性研究现状  9-10
    1.2.3 瓦斯渗流理论研究现状  10-11
    1.2.4 煤层瓦斯固气耦合理论研究现状  11-12
  1.3 本文主要研究内容及技术路线  12-13
  1.4 研究方法  13-14
2 采动条件下含瓦斯煤岩力学性质研究  14-43
  2.1 实验系统描述  14-16
  2.2 试验方案及步骤  16-17
  2.3 试验结果及分析  17-41
    2.3.1 常规三轴含瓦斯煤岩力学和渗流实验  17-19
    2.3.2 三轴加载与加卸载条件下含瓦斯煤力学特性比较  19-22
    2.3.3 不同初始轴向应力加卸载条件下煤样力学特性  22-25
    2.3.4 不同加载速度加卸载条件下煤样力学特性  25-28
    2.3.5 不同初始围压加卸载条件下煤样力学特性  28-32
    2.3.6 不同瓦斯压力加卸载条件下煤样力学特性  32-35
    2.3.7 三轴卸围压条件下瓦斯压力对原煤力学及渗透特性的影响  35-41
  2.4 本章小结  41-43
3 含瓦斯煤岩固气耦合模型的研究与运用  43-62
  3.1 理论模型  43-47
    3.1.1 基本假设  43
    3.1.2 含瓦斯煤岩有效应力  43-44
    3.1.3 孔隙率和渗透率动态变化模型  44-45
    3.1.4 煤岩体变形场控制方程  45-46
    3.1.5 煤层瓦斯渗流场控制方程  46-47
  3.2 多物理场耦合分析软件 COMSOL MULTIPHYSICS  47-49
  3.3 理论模型的验证  49-54
    3.3.1 模型简介  49-50
    3.3.2 边界条件与初始条件  50
    3.3.3 模拟结果分析  50-54
    3.3.4 验证结论  54
  3.4 模型在钻孔抽采瓦斯三维数值模拟中的应用  54-62
    3.4.1 几何模型  54-56
    3.4.2 初始条件和边界条件  56
    3.4.3 计算结果分析  56-61
    3.4.4 讨论  61
    3.4.5 钻孔抽采瓦斯三维数值模拟结论  61-62
4 采动条件下瓦斯运移规律数值模拟  62-70
  4.1 数值模拟原理  62-64
  4.2 参数的确定  64-66
  4.3 采场几何模型及网格划分  66-67
  4.4 采动裂隙场中瓦斯运移规律的数值模拟分析  67-69
  4.5 采动裂隙场中瓦斯运移规律的数值模拟分析结论  69-70
5 结论及展望  70-72
  5.1 主要结论及创新点  70-71
    5.1.1 主要结论  70
    5.1.2 主要创新点  70-71
  5.2 研究展望  71-72
致谢  72-73
参考文献  73-78
附录  78-79
  A 作者在攻读学位期间发表的论文目录  78
  B 作者在攻读学位期间参与的科研项目  78
  C 作者在攻读学位期间申请的专利  78-79
  D 作者在攻读学位期间获得的奖励  79

采动条件下煤岩力学特性及瓦斯运移时空演化规律

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