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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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。
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