开采卸压条件下深部富含瓦斯煤岩体劣化失稳机理及仿真方法

This project has two key scientific problems-'damage and fracture mechanism' and 'simulation method' of gas-rich coal rocks in the unloading process of deep mining. Experimental study, theoretical analysis and numerical simulation are combined to analysis and determine mechanics characteristic of coal containing gas, reveal evolution mechanism of deformation, damage and failure process of coal and rock mass and the dynamic evolving principle of gas permeability characteristic, under the coupling of unloading of high confining pressure and methane desorption.. Mathematical model reflecting mechanical behavior of coal and rock mass in deep mining and evolution model of permeability characteristic are established to provide the necessary basic theory model for the research of instability mechanism of gas-rich coal and rock mass. On this basis, the NMM method is used to research block cracking algorithm (simulating fracture process of coal and rock containing gas) and develop calling program of model and a numerical simulation analysis method of instability failure process of deep coal and rock containing gas and gas flow aggregation law is established. This research is of great significance in prevention of deep gas disaster and exploitation of deep coal resources efficiently and safely.

本项目围绕煤矿深部开采卸压过程中富含瓦斯煤岩体的"劣化失稳机理"和"分析方法"二个关键科学问题开展研究，采用试验研究、理论分析与数值模拟相结合的研究方法，分析确定深部含瓦斯煤岩体力学性质特征，从深层次上揭示深部含瓦斯煤岩体瓦斯解吸和高围压强卸荷耦合作用下煤岩体的变形、损伤及破坏过程演化机制和瓦斯渗透特性动态演化机理，建立反映深部采动卸压过程含瓦斯煤岩体力学行为的数学模型和渗透特性演化模型，为深部含瓦斯煤岩体劣化失稳机理研究提供必要的基本理论模型；在此基础上，借助数值流行算法的平台，研究块体开裂（模拟含瓦斯煤岩体破裂）算法和模型调用程序的开发，建立深部含瓦斯煤岩体变形失稳破坏过程和瓦斯流动汇聚规律的数值仿真分析方法。本项研究成果对合理防控深部瓦斯灾害，保障深部煤炭资源的安全高效开采具有重要意义。

随着浅部资源的枯竭，开采深度的迅速增长，深部富含瓦斯煤岩体采动劣化诱发的瓦斯灾害问题日益严峻，已经成为众多科研学者迫切攻克的难题。本项目采用试验研究、理论分析与数值模拟等多种研究方法，遵循理论建模、试验验证、数值模拟、工程应用的技术路线，分析建立了能反映深部含瓦斯煤岩体变形失稳破坏过程和瓦斯流动汇聚规律的本构模型以及数值仿真分析方法，揭示了深部含瓦斯煤岩体劣化失稳机理。主要内容及结论如下：.（1）.通过瓦斯运移实验研究得到了煤体的物理性质和结构特性、煤解吸滞后过程解—吸.附量和速率变化特征；提出了煤层气解吸滞后定量分析模型，通过引入滞后因子α，提出了解、吸附量模型，揭示了煤吸附—解吸过程质量变化的解吸滞后机理。.（2）.开展了高应力条件下含瓦斯原煤三轴加载、卸荷力学特性试验研究，研究深部采动.过程瓦斯卸压解吸和应力强卸荷耦合作用下含瓦斯煤岩变形、损伤及破坏的演化机制，提出了煤、岩卸荷本构方程、强度准则；建立反映深部采动卸压过程含瓦斯煤岩力学行为的数学模型；.（3）.煤体渗透率的改变主要受有效应力、解吸效应共同控制，有效应力与解吸效应属于.竞争机制，作用相反；煤体结构、材料属性会影响有效应力与解吸效应对渗透率的改变程度，导致渗透各向异性现象；建立基于结构异性比的煤体渗透模型，再进一步推导出瓦斯煤各向异性气–固耦合控制方程；.（4）.基于建立的含瓦斯煤岩体力学行为数学模型和渗透特性演化模型，借助数.值流行算法的平台，研究块体开裂（模拟煤岩体破裂）算法和模型调用程序的开发，建立模拟深部含瓦斯煤岩体大变形失稳破坏过程和瓦斯流动汇聚规律的数值仿真分析方法；结合采场岩体工程地质条件，研究深部采动卸压过程中含瓦斯煤岩体内应力场、裂隙场演化过程和瓦斯的运移汇聚规律，揭示含瓦斯煤岩体的劣化失稳机理。