煤田火区煤岩体热破坏及气体渗流动力学研究

The coalfield fire is very serious in China. The main factors which result in continuous development of coalfield fire area are coal-rock body destruction and gases seepage.This project mainly studies that: ① utilizing theμCT225kvFCB high precision CT system and MTS815 test system, we test and analyze the constitutive relation of stress-strain and strength for coal-rock body in high temperature enviornment, the laws of fissure production and expansion and threshold of thermal destruction during temperature rising, and obtain the characteristics of thermal destruction for coal-rock body and the characterization parameters of its fissure distribution; ② using MTS815 test system, during temperature rising, we test and analyze the permeability and factor β in non-Darcy flow, the acceleration coefficient and the seepage stability index under different loading modes, and study on the characteristics of gases seepage by heat-force in fissure for coal-rock body in fire area of coalfield; ③ according to the results of exiperiment test and theroies analysis, we set up the mathematical model of heat-solid-flow coupling for gases seepage by heat-force in fissure of coal-rock body in coalfield fire area, and numerical simulate the laws of gases seepage by heat-force in fissure,and elucidate the seepage kinetics process of gases in fissure of coal-rock body in coalfield fire area. The achievement of this project has important significance for further revealing the mechanism of development and evolvement for coalfield fire area.

我国煤田火灾十分严重，而煤岩体破坏及气体渗流是导致煤田火区不断发展的主要因素。本课题主要研究内容为：1）利用μCT225kvFCB 型高精度CT试验分析系统和MTS815电液三轴伺服系统，测试和分析煤岩体在高温环境下的应力应变本构关系和强度、升温过程中的裂隙产生和扩展规律、热破裂阈值，得出煤岩体的热破坏特性及裂隙分布表征参数；2）采用MTS815电液三轴伺服系统，测试和分析煤岩体升温过程中在不同加载模式下裂隙的非Darcy 流渗透率、非Darcy 流β因子、加速度系数及渗流稳定性指数，研究煤田火区煤岩体裂隙气体热力渗流特性；3）结合实验测试结果和理论分析，建立煤田火区煤岩体裂隙中气体热力渗流的热-固-流耦合数学模型，数值模拟煤田火区煤岩体裂隙中气体热力渗流规律，阐明煤田火区煤岩体裂隙中气体的热力渗流动力学过程。项目的研究对进一步揭示煤田火区发展与演化机理具有重要意义。

我国煤田火灾十分严重，尤其是新疆最为突出，截至2013年底，新疆仍有未治理的在燃火区47处，其中，有36处新生火区。火区总面积701万平方米，每年损失煤炭资源471万吨，并且造成了严重的生态环境破坏。煤田火区还在不断的发展中，而煤岩体破坏及热力渗流是导致煤田火区不断发展的主要因素。.项目通过采集典型煤田火区煤岩样，采用μCT225kvFCB 型高精度CT 试验分析系统对煤、岩试样从室温至500℃进行扫描，获得了不同温度下的CT图，并进行三维重建，得到了煤岩试样热破坏裂隙的产生和扩展规律、裂隙分布表征参数、煤样热破裂阈值；采用MTS815电液三轴伺服系统，测试了煤岩体在单轴、三轴、60℃环境下的全应力应变过程，得到了煤岩体的应力应变本构关系及其强度，掌握了煤岩体的热破坏特性。并测试煤样全应力应变过程的渗透性，分析计算得出了煤样的非Darcy 流渗透性，主要包括：非Darcy流渗透系数、非Darcy 流β因子、加速度系数及渗流稳定性指数；结合实验测试结果和理论分析，建立了煤田火区煤岩体裂隙渗流的热-固-流多场耦合数学模型，数值模拟煤田火区燃烧中心由浅部往深部发展过程中应力应变、位移场、温度场、流场（氧浓度场、压力场、速度场）的动态分布规律，判断出上覆岩层发生破断的距离。通过项目研究，得到了煤田火区煤岩体破坏及热力渗流的动力学特性，对进一步揭示煤田火区发展与演化机理具有重要意义。.项目成果发表论文12篇，其中SCI收录5篇，EI收录6篇，出版专著2部，获得专利5篇，培养3名博士研究生（其中2名已毕业，1名在读），2名硕士研究生（在读）。