基于固气耦合相似模拟的裂隙演化与瓦斯运移动力学机理实验研究

The dynamic mechanism of fractures evolution and gas delivery are studied with the theoretical analysis, solid and gas coupling similar simulation, numerical simulation, and industrial test. Solid and gas coupling similar principle are established, materials and device suitable for the simulation of solid and gas coupling similar experiments are developed, using solid and gas coupling simulation experiments and numerical simulation, the change laws of the fractures development height, distribution area, break off fractures density, and backplane stress are analyed, overburden rock mining of fracture evolution characteristics and distribution patterns are studied, using the rock mass damage mechanics and rock mechanics theory, the equation of mined fractures dynamic evolution control is derived; Penetration testing systems are developed，the influence on fracture evolution process for the gas concentration, pressure, flow, and content are analyed, the gas seepage laws and the coal-rock permeability distribution characteristics under the mining influence are studied, using higher seepage mechanics and fluid dynamics, the equation of the relief gas seepage control is derived. Considering the influence on the fractured field, stress field and seepage field, multi-field coupling dynamic model of mining fracture evolution and gas seepage are established. Using on-site industrial experimental, the dynamic mechanism of mining-induced fractures evolution and gas delivery are studied. The project can provided theory basis for improve of gas drainage and coal-gas safety mining.

本项目综合运用理论分析、固气耦合相似模拟实验、数值模拟以及工业性试验相结合的方法对裂隙演化与瓦斯运移的动力学耦合关系展开研究。通过建立固气耦合相似原理，研制适合固气耦合相似模拟实验的相似材料及实验装置，运用固气耦合模拟实验和数值模拟，分析裂隙的发育高度、分布区域、破断裂隙密度、底板应力的变化规律，研究覆岩采动裂隙演化特征及分布形态，利用岩体损伤力学、岩石力学理论，建立采动裂隙动态演化控制方程；基于自主研制的渗透率测试系统，分析裂隙演化过程对瓦斯浓度、压力、流量、含量的影响，研究采动影响下瓦斯渗流规律及煤岩体渗透率分布特征，利用高等渗流力学、流体力学理论，推导卸压瓦斯渗流的控制方程；综合考虑裂隙场、应力场和渗流场的相互影响，构建多场耦合作用的采动裂隙演化与瓦斯渗流耦合动力学模型。通过现场工业性试验，揭示裂隙演化与瓦斯运移的动力学响应机理，为提高瓦斯抽采效果、实现煤与瓦斯共采提供理论依据。

煤层瓦斯是在煤的形成过程中生成并赋存于煤层及煤系地层的一种气体。在煤炭开采过程中，瓦斯的大量涌出严重影响煤矿正常生产，甚至会造成灾害事故的发生，如何有效防治瓦斯灾害，确保煤矿企业安全生产，是我国煤矿安全界研究的主要课题之一。研究覆岩采动裂隙演化与卸压瓦斯运移（渗流）的耦合规律，明确采动裂隙带内的瓦斯富集区，是本课题的主要内容，对合理布置瓦斯抽采关键参数，实现煤炭安全高效开采具有重要意义。项目综合利用理论分析、实验室实验、数值模拟及固气耦合物理相似模拟实验等研究方法，对采动裂隙演化与卸压瓦斯运移的耦合机理展开了系统研究。.通过对比分析物理相似模拟实验中常用的相似材料胶结剂特性，利用YYW型自动无侧限压力仪和相似材料三轴渗透性实验装置，研究了石蜡和油、水泥和淀粉两种胶结剂在各自不同含量配比条件下对相似材料物理力学特性、渗透性的影响，得到了骨料及胶结剂用量与相似材料特性之间的定量化表征关系，研制出了适用于固气耦合模拟实验的相似材料及其配比关系；基于弹性力学、岩石力学、渗流力学等相关理论，构建了采动裂隙演化与瓦斯渗流耦合的综合数学模型，推导出固气耦合相似模拟实验的相似条件；通过二维固气耦合物理相似模拟实验，研究了不同关键层层位对采动裂隙分布特征和瓦斯渗流变化规律的影响；搭建了采动裂隙演化与卸压瓦斯运移三维物理模拟实验台，利用三维物理相似模拟实验，研究了三维条件下的采动裂隙分布特征、瓦斯运移规律和采空区瓦斯浓度分布规律；利用RFPA2D数值模拟，得到了不同开采条件下的覆岩裂隙演化规律和卸压瓦斯渗流规律；通过分析相似模拟实验和数值模拟，得到采动裂隙演化与瓦斯渗流的耦合规律，结合固气耦合数学模型，揭示了覆岩采动裂隙演化与卸压瓦斯运移的耦合机理。研究结果为科学、合理的确定瓦斯抽采技术，提高瓦斯抽采效果，实现煤与瓦斯共采提供应用价值。