采动影响下煤岩力学特性及瓦斯运移规律研究

《采动影响下煤岩力学特性及瓦斯运移规律研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、采动影响下煤岩力学特性及瓦斯运移规律研究重庆大学博士学位论文学生姓名：李文璞指导教师：尹光志教授专业：矿业工程学科门类：工学重庆大学资源及环境科学学院二O一四年十月国家重点基础研究发展计划（973计划）项目（2011CB201203）国家自然科学基金资助项目(51374256、51204217、51174241)国家科技重大专项课题(2011ZX05034-004)万方数据万方数据ResearchonMechanicalCharacteristicsandGasMigrationLawofCoalinfluencedbyMining

2、AThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDoctor’sDegreeofEngineeringByLiWenpuSupervisedbyProf.YinGuangzhiSpecialty：MiningEngineeringCollegeofResourceandEnvironmentalScienceofChongqingUniversityOctober，2014NationalBasicResearchProgra

3、mofChina(973Program)(2011CB201203)NationalNaturalScienceFoundationofChina(51374256、51204217、51174241)NationalScienceandTechnologyMajorProjectsofChina(2011ZX05034-004)万方数据万方数据中文摘要摘要随着煤矿开采深度的增加，地应力、瓦斯压力增大，煤层的渗透性降低，瓦斯灾害事故频繁发生。由于采动的影响，煤岩应力发生重新分布，经历了加载和卸载共同作用的复杂应力途径。以往多采用常规的加

4、载方式对煤岩的力学和渗透特性进行研究，这与实际情况有较大的差异。为此，本文采用试验研究、理论分析、数值模拟等相结合的方法，利用自行研制的“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置”，对常规加载条件和不同加卸载条件下含瓦斯煤的力学特性和渗透规律进行试验研究，揭示不同加卸载条件下含瓦斯煤的变形模量、泊松比、强度以及渗透特性等变化规律；研制了“多场多相耦合下多孔介质压裂-渗流实验系统”并进行了煤岩不同开采条件下力学特性及渗透率变化规律的试验研究；利用“多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统”对真三轴应力状态下大尺度煤岩在常规加载及不同开采条件下的

5、力学及渗流特性进行研究；建立了常规加载及不同加卸载条件下含瓦斯煤的有效应力计算公式及渗透率与有效应力关系的公式；采用数值计算的方法，对煤层瓦斯在采动影响条件下工作面前方和采空区上方采动裂隙场中瓦斯运移规律进行数值模拟分析。本文主要研究成果如下：①采动应力影响下煤岩的应力路径表现为轴向应力加载和围压卸载的共同作用。含瓦斯煤的承载强度与不同的加卸载条件有如下关系：加卸载煤样的承载强度随初始轴力的升高呈指数关系降低，随围压卸载速度的增加呈指数函数关系降低，随初始围压的升高呈指数关系降低，随瓦斯压力的升高呈线性关系降低。变形模量随轴向应变的增加

6、均呈先迅速减小然后缓慢减小直至破坏后保持基本稳定的趋势；不同加卸载条件下含瓦斯煤的泊松比均表现出随着轴向应变的增加先逐渐减小后迅速增加最后基本保持稳定。②常规加载与加卸载条件下煤样渗透率与应变的关系在屈服前规律有所不同，屈服前常规加载渗透率与应变呈二次曲线关系减小；而加卸载渗透率随应变首先呈线性关系增加然后呈二次曲线关系减小。煤样屈服后两种条件下渗透率与应变的关系规律基本相同，即呈指数关系增大，且与轴向应变呈正指数关系增大，与径向应变和体积应变呈负指数关系增大。③三轴加载及加卸载条件下含瓦斯煤变形破坏过程中弹性应变能的变化趋势与轴向应力

7、的变化趋势相对应。围压卸载过程中，含瓦斯煤单元耗散能随着卸载位置轴向压力的增加而增加，且其占单元总能量增加量的比例增大。④自行研制了“多场多相耦合下多孔介质压裂–渗流实验系统”，并利用该系统进行了常规加载及不同开采条件下煤岩的试验研究。常规加载条件含瓦斯煤的I万方数据重庆大学博士学位论文峰值强度远远大于开采条件下含瓦斯煤的峰值强度，无煤柱开采、放顶煤开采、保护层开采三种开采条件下含瓦斯煤及不含瓦斯煤的峰值强度依次降低。⑤真三轴应力状态下大尺度煤岩渗透率变化曲线与体积应变变化曲线有较好的对应关系，渗透率均首先随着体积应变的增加而减小，然后

8、随着体积应变的减小而有不同程度的增加。无煤柱开采、放顶煤开采、保护层开采煤岩渗透率在减小阶段其减小量依次减小，渗透率在增加阶段其增加量逐渐增加。一定瓦斯压力范围内，瓦斯压力越大，大尺度煤岩渗透率减小量越小，