深部采动影响下固-液-气耦合机理及瓦斯运移规律研究

One problem for the gas exploitation of China is that the gas extracting performance and the control on coal and gas outburst is unstable after watering treatment on deep and high gas-content coal bed. There is a lack of basic theoretical research on coal-water-gas coupling. This study is to investigate the solid-liquid-gas coupling mechanism and the gas transport law under influence of deep mining through a focused, scientific and systematic approach which will integrate four kinds of research method, i.e. theoretical analysis, experimental study, numerical simulation and engineering verification. Using self-made "Coal rock solid- liquid-gas coupling meso-mechanics testing apparatus" and "Coal rock solid-liquid-gas coupling with triaxial servo-controlled seepage equipment", the macroscopic and mesoscopic characterization of water-gas contained coal, the evolution characteristics, scales, and generate theory of its fracture field and the coupling mechanism among stress field, fracture field and gas-flow field will be studied under deep mining effect from multi-scale and multi-field aspects. Models will be built to simulate the network evolution of block scales and fractures of coal bed and to study the coupling among solid, liquid and gas in fractured coal rocks under intensive mining after watering treatment on deep coal bed. A theory will be proposed to describe and control the formation of gas transport pathways under intensive mining after deep coal-bed watering. This study will provide a scientific and theoretical basis for further improving the gas exploitation efficiency and better controlling the coal and gas outburst when mining watered deep coal bed.

针对我国深部高瓦斯煤层水处理后实际瓦斯抽采效果和煤与瓦斯突出防治效果参差不齐，煤-水-瓦斯耦合基础理论研究不足的现状，采用理论研究、实验研究、数值模拟和工程验证四位一体的研究方法，开展具有针对性、科学性、系统性的深部采动影响下煤-水-瓦斯耦合机理及瓦斯运移规律研究。运用自主研制的"煤岩固-液-气耦合细观力学试验装置"和"煤岩固-液-气耦合三轴伺服渗流试验装置"，从多尺度、多场角度研究深部开采影响下含水-瓦斯煤岩体宏、细观表征及裂隙演化规律，以及高强度开采过程中的应力场、裂隙场和瓦斯流动场耦合的作用机制，建立深部水处理后煤层高强度开采条件下煤岩体块度与裂隙网络演化模型，建立深部水处理后煤层高强度开采条件下破断煤岩体固-液-气耦合模型，提出深部水处理后煤层采动影响下瓦斯运移通道形成与控制理论，为进一步提高深部水处理后的煤层采动影响下瓦斯抽采率和煤与瓦斯突出防治效果提供科学依据和理论基础。

随着煤矿开采深度的增加，大量浅部低瓦斯矿井逐渐转变为高瓦斯矿井，高瓦斯矿井数量逐年增加。为了防治愈加严重的瓦斯灾害，水治瓦斯是目前煤矿防治瓦斯灾害，提高瓦斯抽采率的重要方法之一。本项目采用理论研究、实验研究、数值模拟和工程验证四位一体的研究方法，对深部采动影响下固-液-气耦合机理及瓦斯运移规律进行了深入系统的研究。完成了计划任务书的研究内容，达到了预期研究目标。取得的主要研究成果如下：.1.分析了煤孔隙-裂隙表面形态与发育程度、煤孔隙孔径分布。应用自主研制的煤层气高压吸附解吸装置，开展了不同含水率煤的等温吸附甲烷实验。.2.应用自主研制的煤岩固-液-气耦合三轴伺服渗流实验装置，进行了有效应力和含水率对煤层渗透率影响的实验，得到了综合考虑煤层的含水率和所受有效应力与甲烷有效渗透率关系的数学表达式。建立了考虑煤基质收缩效应和滑脱效应的深部开采条件下破断煤岩体的固-液-气耦合模型。.3.应用自主研制的煤岩固-液-气耦合细观力学实验装置和声发射仪，进行了采动条件下煤岩破裂过程裂纹演化及声发射实验研究。采用断裂力学对典型裂隙的开裂、扩展机理进行了分析。建立了深部煤层开采条件下煤岩体块度与裂隙网络演化模型。理论分析了含瓦斯煤岩破裂过程声发射率同损伤扩展速率的关系，建立了含瓦斯煤岩声发射率同损伤扩展速率之间的定量关系式；理论分析了含瓦斯煤岩破裂过程声发射与应力、应变的关系，建立了含瓦斯煤岩破裂过程声发射与应力、应变的关系式。.4.进行了系统深入的全应力-应变瓦斯渗流实验研究。包括不同含水率、不同瓦斯压力、不同围压、不同面割理、不同温度、突出煤和非突出煤、型煤和原煤，循环加载等条件。.5.首次开展了采动应力条件下含瓦斯煤岩的力学和渗透特性实验。对比了缷围压和恒定围压条件下煤的力学和渗透特性。系统深入的开展了采动应力条件下含瓦斯煤岩的力学和渗透特性研究，包括不同缷围压速率、不同温度和不同含水率等条件。定义了采动应力条件下煤的侧向膨胀系数和变形模量。建立了深部开采条件下含水-瓦斯煤岩体加轴压卸围压过程中的瓦斯渗流模型。.6. 提出了水力压裂后深部煤层采动影响下瓦斯运移通道形成与控制理论。定义了渗流孔隙。瓦斯运移的难易程度主要受煤层渗流孔隙的控制，煤层中的水通过占据煤层渗流孔隙影响瓦斯的运移；煤层所受有效应力通过引起煤层骨架的变形，改变煤层渗流孔隙，影响煤层的瓦斯有效渗透率。