煤岩体多尺度裂隙结构演化特征及与瓦斯运移耦合机理研究

Coupling laws of gas migration and multi-scale fracture structure evolution in coal rock is one of the key scientific problems of coal and gas simultaneous extraction. Analyzing of the relationship of the rule of multi-scale crack evolution of coal and rock mass and its quantification characterization, it has great value to analyze the effect of fracture on gas transport and accumulation. In this paper, the methods of scanning electron microscope, mercury injection experiment, CT scan, nuclear magnetic resonance, fractal theory and so on were used to study the distribution characteristics of pore fracture of coal and rock mass. The quantitative characterization parameters is proposed. Based on the MTS test, three-dimensional simulation experiment, numerical simulation and so on, the spatial and temporal evolution rules of the multi-scale fracture structure of coal and rock mass under load was studied. Three axis coal rock mass permeability test device and three-dimensional simulation experiment were used to study the influence of the change of fracture structure on the permeability distribution, and the law of gas migration in coal seam was obtained. Based on the theory of rock stratum control, rock mass damage mechanics and seepage mechanics, and the coupling model of multi-scale fracture structure evolution and gas migration was established. Combined with numerical simulation and industrial test, the technology and parameters of gas drainage in coal seam under the coupling of coal seam fracture evolution and gas migration is studied. The coupling mechanism of multi scale fracture structure evolution and gas migration in deep coal seam is revealed to provide a basis to improve coal and gas co-mining theory.

煤岩体多尺度裂隙结构演化与瓦斯运移耦合规律是煤与瓦斯共采关键科学问题之一，明确煤岩体多尺度裂隙演化规律和其定量表征关系，对分析裂隙在瓦斯运移过程中的作用具有重要意义。本课题拟运用电镜扫描、压汞实验、CT扫描、核磁共振等，结合分形理论，研究不同煤岩体孔隙裂隙分布特征，提出裂隙定量表征参数；基于MTS试验、三维模拟实验、数值模拟等，研究煤岩体多尺度裂隙在载荷作用下的时空演化特征；利用真三轴煤岩体渗透率测试装置和三维固气耦合模拟实验，研究破坏的煤岩体裂隙结构对渗透率动态分布的影响，得到瓦斯在煤岩体多尺度裂隙中的运移规律；利用岩层控制理论、岩体损伤力学及渗流力学等理论，构建煤岩体多尺度裂隙结构演化与瓦斯运移耦合模型，结合数值模拟及工业性试验，研究煤岩体裂隙演化与瓦斯运移耦合作用下的瓦斯抽采技术及参数，进而揭示深部开采煤岩体多尺度裂隙结构演化与瓦斯运移的耦合机理，为完善煤与瓦斯共采理论提供一定依据。

深部开采中，瓦斯与裂隙煤岩体的气固耦合具有明显的多尺度特征。因此，煤岩体多尺度裂隙结构演化特征及与瓦斯运移相互作用规律是课题主要研究内容，这对于完善瓦斯抽采理论体系，提高瓦斯灾害防治及瓦斯资源开发，具有重要的理论和实践价值。项目综合运用理论分析、实验室实验、物理相似模拟、数值模拟及现场试验等方法开展了研究。.采集高瓦斯矿井煤岩体试样，运用压汞、核磁共振、CT扫描和电镜扫描等实验手段，分析了煤岩体微观孔裂隙结构分布特征、孔隙比表面积及体积分布规律，运用多重分形方法实现了煤岩体孔裂隙结构的定量化表征。开展不同载荷作用下煤岩体力学试验，研究了煤岩体微裂隙结构在载荷作用下的动态演化与宏观力学特征关系。运用AVIZO软件实现了煤岩体裂隙分布的三维特征重构。制备了含多尺度（长度、宽度、深度、角度）裂隙煤岩体试样，开展真三轴固气耦合实验，分析得到了三轴应力条件下煤岩体渗透率变化规律和含裂隙煤岩体裂隙结构动态演化规律。开展了二维理相似材料模拟和UDEC数值模拟，基于XTDIC光学非接触式三维变形测量系统研究了工作面覆岩采动定量化位移、应变及应力演化规律，分析了不同开采高度和推进速度条件下覆岩采动裂隙变化特征，进而得到瓦斯优势通道空间演化规律。开展三维固气耦合物理相似模拟实验，构建适用于模型裂隙监测辨识的高频微震监测系统和高清钻孔窥视系统，得到了覆岩裂隙三维时空网络形态和分布特征。结合岩层控制关键层理论、采动岩体力学等，构建了相应的数学模型。开展真三轴固气耦合煤岩体渗透性测试和FLUENT数值模拟，得到了瓦斯在煤岩体裂隙结构中的渗流规律和不同垂距、平距的瓦斯运移浓度分布规律。开展现场工业性试验，利用微震监测、钻孔窥视等手段，结合数值模拟结果，确定了瓦斯富集区，实现了抽采钻孔的合理布置，取得了良好的抽采效果。表明煤岩体多尺度裂隙结构演化特征及与瓦斯运移相互作用研究，可为提高瓦斯灾害防治、实现煤与瓦斯安全共采提供一定的科学依据。