热力耦合作用下煤体力学特性与煤注热开采数值计算研究

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能源短缺是人类社会发展面临的长期问题,煤炭资源是保障我国能源安全的重要一环,深部低热值煤炭因开采成本高、地质条件复杂,传统开采方式很难保证经济效益,益采用煤炭地下气化和液化、煤层气注入开采等新的开采工艺。采用这种开采方法时,煤均处于受热流固化耦合中,高温作用下孔隙发育,其渗流、力学特性发生较大变化。围绕这一课题,本文开展了一些初步研究,得到如下结论:(1)利用马弗炉加热煤样,并结合压汞实验、渗透率测量实验将煤样的孔隙结构划分,得到了煤的质量损失、孔隙率变化、各孔型的孔隙结构等数据,从细观角度研究了煤高温下热解孔隙演化特征,发现300℃为阈值,300℃前煤体物理力学性质变化平缓,300℃后变化明显。(2)利用单轴试验研究了小尺寸((?)50×100mm)煤体的单轴压缩情况并获得了应力—应变曲线,结合孔隙结构分析了在不同温度下热解后煤样孔隙发育对煤样压缩变形特性的影响,煤体变形主要受轴向应力和煤体的原生孔隙裂影响,而随着温度的改变、煤体热解,孔隙的高度发育加速了这个过程。(3)通过实验研究了煤体在高温后压缩作用下的变形特征、弹性模量、抗压强度等的演化规律,考虑了骨架有效面积下的弹性模量,定义了真弹性模量并给出了计算方法,分离出完全弹性变形与多孔塑性压缩变形,建立了多孔塑性变形的硬化模型,并通过COMSOL Multiphysics数值计算与实验结果对比,验证了模型的合理性。(4)依据霍林河矿区煤层进行了开采模拟,利用热流固耦合控制方程,通过COMSOL Multiphysics软件中渗流方程、多孔介质传热方程、固体力学方程结合煤体弹塑性模型进行计算获得了煤层温度场、渗流场以及应力场的变化规律,分析了煤岩上覆岩层运移沉降的规律,沉降量随开采时间向开采方向推进并增加,且距煤层竖直距离越小,岩层沉降受到影响越大。
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