采动影响下固-液-气耦合机理及瓦斯运移规律研究

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本文以南川宏能煤业(原半溪矿)矿井西翼 K1煤层为研究对象,从煤岩宏观方面利用自主研制的含瓦斯煤热流固三轴伺服渗透实验装置,分别进行了地应力场中固-液-气耦合作用下煤岩渗透实验、采动应力场中固-液-气耦合作用下煤岩力学及渗流实验、循环采动应力场下煤岩力学及渗透实验,并分析了不同应力场、不同水文地质条件下煤岩的力学及渗透特性;从煤岩细观方面利用自主研制的含瓦斯煤岩细观剪切实验装置,进行了不同含水率型煤细观剪切实验,分析对比了不同含水率条件下型煤剪切裂纹演化规律。综合以上实验研究可得到以下主要结论:  (1)煤岩处于地应力场中,随着围压的增加,煤样甲烷有效渗透率呈负指数减小。随含水率增加,煤样甲烷有效渗透率逐渐减小,且减小的越来越平缓。  (2)煤岩处于采动应力场中,随含水率增加,加卸载煤样的承载强度、残余强度、变形模量都呈现降低趋势,而轴向应变、侧向应变、体积应变及侧向膨胀系数呈增加趋势。煤样破坏前含水率越高甲烷有效渗透率越小,破坏后含水率越高甲烷有效渗透率反而越大。随含水率增加,加卸载煤样破坏程度增大,裂隙增多,形变量增大,煤样加卸载过程中的总能量和耗散能也增加,而弹性能却减小。  (3)煤岩处于循环应力作用下,随分级循环加卸载进行,煤样的累积残余变形逐渐增加,相对残余变形先降低、后出现残余变形稳定区、临近煤样破坏时又上升。随分级加卸载的进行,渗透率总体趋势为先螺旋降低,后螺旋上升,破坏瞬间急剧增大。  (4)新定义渗透率绝对恢复率ηj和渗透率相对恢复率ηx定量分析了加卸载渗透率的变化情况,发现ηj先减小,临近破坏又增大,ηx逐渐增大,其中弹性段ηx保持在85%~95%,临近煤样破坏时超过100%。随循环荷载的进行,煤体的累积耗散能成指数函数增加,结合耗散能建立损伤变量方程:D=2-πarctan{αβexp[β(σ1-σ3)]}  (5)煤岩处于剪切应力场中,煤样含水率越高,首次萌生微裂纹的时间越短,形成的主裂纹越多,煤样表面越易产生破碎带,剪切裂纹形态越复杂。
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