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揭示破碎岩体中的气体渗流规律是预防煤矿瓦斯灾害和抽采煤层气资源等的重要前提。由于破碎岩体的形成和组构条件复杂,其中的气体渗流存在明显的随机变化。
报告首先从开发用于破碎岩石气体渗透的试验系统入手,研制了满足气密性要求的峰后承压和非承压破碎岩石渗透仪,组建了独立于加载系统之外的气体渗透回路系统,并设计了基于非Darcy流假设的参数测试方法。上述系统和方法被成功用于破碎砂岩的气透性测试。
从实际流体的运动方程出发,报告中推得了破碎岩体气体渗流微分方程和气-固耦合随机微分方程,并给出结合煤矿采空区特点的简化形式。计算了特定边界下的一维问题,设计了二维问题的差分格式。报告首次定义渗透率安全区间、导出区间和系统区间。安全区间是裂隙最小导通和突出危险间的跨距,大载荷时的渗流突出没有安全储备,更具突发性。导出区间概念在测试区间和考察区间间建立了以映射为基础的桥梁。系统区间使区间分析具有更强的灵活性。
报告推演了渗流分析的可靠度随机有限元列式,编写了相应的Fortran计算源程序,并完成输出结果的可视处理。算例结果表明,变量可调的随机有限元计算结果更能符合实际。使用数值模拟方法可以揭示影响渗流规律的煤岩破碎特征,岩样在卸围压条件下的破碎更具突发性。卸荷岩样具有明显的强度尺度效应,尺度-围压间近似符合指数关系。试验和模拟结果显示,深部破碎岩石的气体渗透率比完整时仍大数个量级,同深度的破碎砂岩渗透率要较破碎泥岩高。原固体骨架不变假设下以水代气的近似模拟结论正确,气体模拟较水模拟时流场中小流速点更多更分散。
报告研究内容和所得结论可为煤矿瓦斯等气体渗流问题研究和技术开发提供基础理论依据。