深部煤体高压注水致裂-润湿耦合机理及其细观展布研究

To improve the theoretical system of disaster prevention by the application of water injection in deep coal mining, the coupling mechanism between hydraulic fracturing and moistening will be studied. In this project, we use damage-fracture mechanics to investigate the damage and fracture mechanism of coal under the coupling of hydraulic fracturing and moistening condition. Electron microprobe and X-ray diffraction device are used to analyze the wetting properties from meso scale point, as well as the changes of mesostructure and components of coal. True triaxial hydraulic fracturing and seepage test equipment is developed to conduct the coupling experiment of hydraulic fracturing and moistening under high-pressure water injection, the relationship is studied between mechanical properties and stress, injection pressure, wetting properties as well as other factors under different wetting conditions. SEM and industrial CT detection system are employed to analyze mesostructure of coal caused by the rupture of hydraulic fracturing. Based on the above theoretical and practical analysis, the antireflection effect and variation of wetting properties of coal under hydro-mechanical condition can be reflected by numerical simulation. The constitutive relation model of hydraulic fracturing under high-pressure water injection and its wetting properties can be established. Besides, the coupling mechanism of hydraulic fracturing and wetting under high pressure water injection as well as the mesoscopic distribution of fractures are studied, which provide a theoretical basis for anti-reflection and wetting to control dust and rock burst.

为完善煤层注水在深部矿井开采中的灾害防治理论体系，探究煤体高压注水致裂与润湿耦合机理，本项目利用煤体损伤断裂力学理论，探讨高压注水致裂-润湿耦合条件下煤体损伤断裂力学机制；运用电子探针、X射线衍射仪等从细观角度分析注水润湿特性及其对煤体细观结构、物象组分的影响作用；研制真三轴注水致裂渗流试验装置，进行高压注水致裂与润湿耦合试验，研究不同润湿条件下煤体注水致裂力学性能与应力场、注水压力、润湿等因素的关系，并采用SEM、工业CT检测系统对水压裂缝破裂引起的煤体细观结构变化进行分析，明确煤体高压注水致裂细观结构展布特征及其对煤体注水润湿效能的影响机制；在此基础上，数值模拟分析水力作用下煤体增透效果及其润湿性能变化规律；建立高压注水煤体破裂与自身润湿性能之间的本构关系模型，研究煤体高压注水致裂与润湿耦合机理及其润湿、致裂裂缝细观展布规律，为深部煤体高压注水致裂增透、润湿防冲与防尘提供理论依据。

为完善煤层注水在深部矿井开采中的灾害防治理论体系，探究煤体高压注水致裂与润湿耦合机理，对注水致裂-润湿耦合条件下煤体损伤断裂特性进行研究，并建立注水致裂-润湿耦合作用下煤体破裂与自身润湿性能之间的本构关系模型，研究深部煤体高压注水致裂-润湿耦合机理及其细观展布规律。在此期间，发表学术论文28篇，其中，SCI检索22篇，EI检索6篇，申请发明专利18项，其中授权国内发明专利17项，授权国际发明专利1项（申请PCT国际专利3项），获得省部级科技二等奖2项，培养博士后1人，博士生1人，硕士生5人。主要创新成果如下：.（1）确定了煤体常规特性对煤体润湿性的关系，阐释了不同化学处理对煤中官能团的影响，揭示了煤样官能团与煤样接触角的定量关系以及煤中化学参数对煤层润湿性能的影响作用。.（2）基于声发射阵列技术设计开发新型真三轴应力-润湿耦合实验设备，探明了注水时P波与润湿轮廓面的关系；与此同时，对润湿范围与裂隙关系进行了分析，证实了裂隙对润湿影响相关推断，为预判煤岩内部裂隙分布情况提供了新方法。.（3）利用高分辨率X射线扫描成像系统，开展了图像的几何尺寸校正、阈值选取以及三维重构等工作，实现了煤体三维孔裂隙结构的可视化；提取不同孔径范围内的孔裂隙结构参数，并建立了煤样多尺度孔裂隙网络模型，定量化表征了煤体的宏细观结构特征；将三维计盒算法和迂曲度分形维数的计算方法与CT三维数字模型相结合，定量表征煤体孔裂隙结构的复杂程度，建立了分形维数与孔隙率和渗透率的关系模型。.（4）运用核磁共振技术对不同力学环境下煤体渗流润湿特性进行了研究，得到了不同力学环境下液测渗透率变化规律，并对煤岩孔隙裂隙宏细观结构进行了分形表征，揭示了实测孔隙体积分形维数与煤样孔隙数量及体积变化的定量关系；探明了煤层注水逾裂增渗润湿动力特性的分形表征，建立了分形毛细管束渗流模型。