多场条件下煤瓦斯相互作用及对瓦斯运移的影响

本项目从研究在多场条件下煤与瓦斯相互作用的细观力学机制入手，进而研究这种相互作用对瓦斯在煤中渗流特性的影响。主要研究内容有：设计加工具多场施加功能的带显微观测装置的高压瓦斯吸附渗流实验系统，利用该装置配备的高倍数字显微镜系统定量观测吸附和解吸瓦斯后煤体的膨胀收缩效应和瓦斯渗流特征，并计算在变形限制条件下的膨胀应力；通过对煤试件施加应力场和温度场进行瓦斯的吸附和解吸试验来探讨外加力场和温度场对煤瓦斯相互作用的影响；根据热力学理论，探讨煤瓦斯相互作用的力能效应；根据多场条件下充分吸附解吸后的渗流实验结果，结合数值模拟技术，探讨多场条件的煤瓦斯相互作用对煤瓦斯渗流特性的影响。研究结果可以深化对煤瓦斯相互作用的理解，揭示煤瓦斯相互的力学作用机制及对煤层中瓦斯渗流的影响，为煤瓦斯突出预防、瓦斯抽采提供理论基础。

根据深部煤层开采中瓦斯在煤层中的运移、吸附解吸、扩散以及煤体本身的膨胀收缩过程与应力水平、瓦斯压力、气体组分、裂隙的集合形状尺寸、水分、温度有着密切联系的包含化学反应和物理变化的复杂耦合，项目以多场耦合条件下煤与瓦斯相互作用为研究主题，综合运用理论分析、实验设计、实验装置开发、室内实验和建立模型数值模拟等多种手段，开展如下研究。.（a）通过kaiser声发射原岩应力测试实验、不同温度下的煤体甲烷等温吸附实验和不同埋深的孔隙率测定实验，建立了煤层气富集区预测方程，定量化预测矿区煤层气含气量分布。.（b）通过不同含水率煤样在常规单轴压缩下的声发射特征试验，探索了不同含水率煤样在受压破坏的特征，得出其各自的内部损伤演化的阶段性规律。.（c）通过不同瓦斯压力条件下对含瓦斯煤进行固定轴向应力的卸围压瓦斯渗流实验，研究卸围压过程中瓦斯压力对煤体的力学及渗透特性影响。.（d）建立描述含瓦斯煤岩固气耦合情况下的骨架可变形性和气体可压缩性的固气耦合模型，并利用建立模型进行钻孔抽采瓦斯三维数值模拟，研究了抽采压力、时间、半径对抽采影响。.（e）通过含瓦斯煤岩进行常规三轴路径和卸围压路径的渗流特性与声发射特征，研究两种路径下煤岩失稳破坏过程中渗流特性和声发射特征的差异，得出两种实验流量曲线变化规律。.（f）通过不同围压和瓦斯压力下煤样的三轴压缩实验，研究煤样在压缩过程中的能耗特征和渗流特性，得出围压和瓦斯压力对煤样的能耗关系。.（g）通过不同瓦斯压力、温度的恒定围压瓦斯渗流耦合实验，研究不同温度对实验全应力应变的影响，得到不同的温度对煤体渗流影响的变化规律。.（h）通过对经典模型理论分析，建立包含应力、孔隙压力、温度及煤基质综合影响的渗透率模型，并以此为基础提出了新的实验设计，自行研制开发煤瓦斯多场耦合显微观测实验装置满足实验要求，填补了国内在微细观光学测试手段运用于煤瓦斯作用机理研究方面的空白。.根据计划任务书，项目无论在科学内容还是在预期成果指标上，都圆满完成预期任务。发表标注本基金号论文15篇，其中SCI收录2篇，EI收录13篇；获得国家专利技术10项（已授权9项）；获得2014年中国煤炭工业协会科技进步一等奖；依托项目指导培养研究生8人。