参数关联的非均质、随机裂隙煤体表征模型及应用

描述煤储层的非均质及随机裂隙展布是煤层瓦斯抽放工程数值分析和设计的关键。将煤视作由非均质基质煤块和随机裂隙组成，通过实验研究非均质基质煤块力学参数之间的关联性，建立考虑力学参数关联的非均质煤块力学参数赋值模型；通过地质调查研究煤内随机展布裂隙几何结构要素之间的关联性，建立考虑几何结构要素关联的随机裂隙展布煤体生成模型；进而建立考虑参数关联的非均质、随机裂隙煤体表征模型，并开发相应的虚拟生成系统；在分析煤基质块体和裂隙之间的相互作用及质量传输机理基础上，建立非均质、随机裂隙煤的渗流应力耦合模型，并开发相应的数值计算程序，通过数值模拟研究指导煤层瓦斯抽放工程设计及实践。项目研究不仅将提升煤储层模拟水平，而且有助于完善和丰富裂隙岩体渗流力学理论，具有重要的工程和科学价值。

煤层瓦斯的抽采与利用既能解决瓦斯直接排放造成的环境污染和能源浪费问题，又能大幅降低煤层瓦斯含量，消除瓦斯突出与爆炸的危险。煤的非均质及内部随机裂隙的存在影响着煤的力学和渗流特性，若将煤视作由非均质基质煤块和随机裂隙组成，通过实验研究非均质基质煤块力学参数之间的关联性，建立考虑力学参数关联的非均质煤体力学参数赋值模型；通过地质调查研究煤内随机展布裂隙几何结构要素之间的关联性，建立考虑参数关联的非均质、随机裂隙煤体表征模型；在分析煤基质块体和裂隙之间的相互作用及质量传输机理基础上，建立非均质、随机裂隙煤的渗流应力耦合模型。主要得到以下研究成果：.（1）建立了煤峰后软化模型和扩容模型，并通过数值算例表明此模型能反映围压对煤剪胀扩容行为，剪胀角增加会使岩石的强度提高；.（2）通过实验研究瓦斯在煤层内的渗流特征，得出对于“滑脱”效应不明显的煤在计算渗透率时优先采用拟合精度高、参数少的Louis公式，由此建立煤的变形和瓦斯流动的耦合模型，并证明瓦斯压力分布关于井心对称；.（3）通过Weibull分布模拟煤的力学参数的非均质，建立考虑煤的非均质力学特性的概率模型和渗流应力耦合模型，结果表明瓦斯压力、煤的有效应力和煤变形都呈现非对称性；.（4）研究煤层内随机裂隙的模拟方法，建立随机裂隙煤的概率表征模型和渗流应力耦合模型，结果表明：与瓦斯抽采井连通的裂隙对瓦斯运移影响大于与抽采井不连通的裂隙；.（5）建立了非均质、随机裂隙煤的表征模型，为非均质、随机裂隙展布岩体工程分析及设计提供了一个新思路；.（6）通过实验研究煤力学参数之间的关联规律，建立了考虑力学参数关联的非均质煤随机概率模型，结果表明该模型能很好的模拟非均质煤的非线性破坏过程。