采动影响下覆岩渗透性演化规律相似模拟实验研究

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我国大部分矿区煤层瓦斯赋存具有“三高三低”特征,使得煤层瓦斯采前预抽效果不甚理想,针对此问题提出的利用采动覆岩移动影响及裂隙动态演化特征抽采卸压瓦斯技术已经成为我国瓦斯治理和利用的有效手段。然而由于现场环境复杂,对煤岩层渗透性相关参数的测定难度较大,导致瓦斯抽采量达不到预期效果。论文系统总结了采动围岩裂隙演化规律、采动裂隙带内卸压瓦斯运移规律和相似模拟实验的研究成果,认识到采动影响下覆岩渗透性演化规律是研究瓦斯运移、瓦斯抽采的重要问题之一,而现有物理模型需要进一步改进,才能满足更多相似条件的约束而达到较好的实验效果。   在分析采动裂隙带中卸压瓦斯运移规律的基础上,运用岩石多孔介质力学理论分析了煤岩力学介质属性。在渗流力学理论和弹性力学理论基础上阐述了煤岩瓦斯固气耦合的物理基础,建立了固气耦合的数学模型。根据相似理论,推导了固气耦合的相似准则,得到瓦斯压力的相似常数和渗透性相似常数等相似常数。   根据相似理论,相似模型反映实际情况的准确程度主要取决于相似条件的实现情况,而这又在很大程度上依靠正确地选择并配比相似材料。针对这一问题,研制了相似材料渗透性测试设备、设计了实验方案,对山西和顺天池能源有限责任公司401综放面不同岩性覆岩制作了相似材料试件并对其逐一进行渗透性测试,得到原岩渗透性系数。   研制了固气两相平面相似模拟实验平台,通过实验分析了煤层开采后覆岩裂隙产生、发展的时空演化规律以及随工作面推进覆岩气体渗流变规律,从不同角度进一步分析了渗透性与不同充气压力、不同气源位置关系,得到覆岩渗透性随工作面周期来压发生的变化规律,得到初次来压时渗流速度为未开挖时的1.6~2.3倍。研究了距切眼不同距离充气时渗流速度与离层高度随工作面推进的变化关系,得到采动覆岩裂隙与渗透性演化规律,为现场卸压瓦斯抽采参数布置、实现煤与瓦斯安全共采提供一定理论依据。
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