煤与瓦斯突出中煤体损伤与瓦斯解吸-渗流耦合作用机制

Coal and gas outburst is a complex dynamic instability process, and the coupling effect mechanism of coal damage and gas desorption-seepage during the development stage of coal and gas outburst requires further explanation, so this project is put forward by using physical experiment, numerical simulation and numerical analysis. The coal digital simulation model is established in PFC3D software by using the three-dimensional reconstruction and reverse engineering techniques. The macroscopic and microscopic mechanical parameter relationship is established. The coal damage and gas desorption-seepage law is researched by numerical simulation from the form the microscopic angle. The macroscopic damage law of coal are researched by using the self-developed gas instantaneous pressure relief test apparatus. The influencing mechanism of factors as unloading rate and gas density to the coal damage performance are researched. The seepage properties of coal before and after the experiment are tested. The damage-desorption-seepage coupling effect model of coal containing gas is established and revised by the results of physical test and numerical simulation. The damage-desorption-seepage coupling effect mechanism of coal containing gas during the coal and gas outburst will be revealed finally. The research results of this project can provide basic theory basis on the prevention and control of coal and gas outburst gas and other gas dynamic disasters.

煤与瓦斯突出是一个复杂的动力失稳过程，目前突出过程中煤体损伤及瓦斯解吸-渗流规律尚不明晰，本项目针对这一科学问题采用数值模拟、物理实验、数值分析等方法进行研究。首先，采用三维重构技术和逆向工程技术，在PFC3D中建立煤体数字仿真模型，通过构建煤体宏细观力学参数关系，从细观角度进行突出过程中煤体损伤特性及瓦斯解吸-渗流特性的耦合模拟分析，探究煤体损伤与瓦斯渗流的耦合规律；其次，利用自主研制的瓦斯瞬时卸压试验装置，进行瓦斯瞬时卸压条件下的煤体宏观损伤规律研究，探究瓦斯卸压速率、瓦斯浓度等因素对煤体损伤特性的影响机制，并进行卸压前后煤体瓦斯渗透特性的对比分析；最后，构建含煤体损伤-解吸-渗流耦合作用模型，结合物理实验与数值模拟结果的对比分析，对模型进行修正，阐释煤与瓦斯突出过程中煤体损伤与瓦斯解吸-渗流耦合作用机制，为防治煤与瓦斯突出等瓦斯动力灾害提供基础理论依据。

煤与瓦斯突出是一个复杂的动力失稳过程，是应力场、瓦斯流场等多场耦合的科学问题。为进一步阐释煤与瓦斯突出过程中煤体损伤及瓦斯解吸-渗流耦合作用机理，本项目利用自制的含瓦斯煤吸附-瞬时卸压试验装置进行了含不同吸附特性气体煤吸附-瞬时卸压试验研究；通过对多元气体在煤中的吸附-瞬时卸压煤体损伤特性进行了研究，对煤吸附膨胀变形以及瞬时卸压破坏变形进行定量表征，观察不同孔隙结构煤在气体吸附-瞬时卸压过程中变形破坏情况，进而分析煤体孔隙率、比表面积等对煤与瓦斯突出强度影响机理；同时开展了原煤、型煤吸附-瞬时卸压变形规律对比研究；最后进行了基于煤体三维重构的煤与瓦斯突出数值模拟研究。通过上述研究，可以得出：孔隙体积和比表面积在很大程度上决定了煤体的吸附特性，孔隙体积和比表面积越大，煤体相对应较大的吸附膨胀变形；在不同气体氛围和不同压力下煤样破坏情况不同，其破碎程度随气压增加而加大；煤对不同的气体具有不同的吸附特性，煤体各向应变在吸附过程中整体趋势一致，煤样吸附平衡时间随着吸附平衡压力的上升而增大；与型煤相比较，原煤达到平衡状态所需平衡时间较长，吸附平衡变形量较小，瞬时卸压变形量较小，与型煤相比较，原煤在瞬时卸压阶段，由于煤样未受到破坏，瞬时卸压具有一定的可逆性；通过基于CT的三维重构数值模拟试验发现，当采动过程中的裂隙逐渐延伸至煤体内高压区域时，瓦斯气体将会以极高的动能从出口逸出，对煤体造成极大的冲击，最终导致煤体发生破坏，进而诱致煤与瓦斯突出的发生；通过数值模拟研究了不同位置对于煤与瓦斯突出的影响，发现在煤体内部瓦斯压力一定的情况下，煤与瓦斯突出的地点主要集中在煤壁处以及受掘进采动影响存在裂隙的煤体内部。通过本课题的研究，能够对煤与瓦斯突出过程中煤体损伤与瓦斯解吸-渗流耦合作用机制进行合理的阐释，为防治煤与瓦斯突出等瓦斯动力灾害提供基础理论依据，也能为煤与瓦斯突出的预测及防治提供参考。