交变水压作用下煤岩宏细观结构损伤及渗流动态响应机制

Combined with theoretical analysis, indoor experiment and numerical simulation, this project conducts research on macro-mesoscopic damage characteristics and the evolutionary law of permeability by means of alternating water pressure, in order to further reveal the macro-mesoscopic damage characteristics and the dynamic laws of permeability for coal seam. First of all, fluid-solid coupling experiment under alternating water pressure is carried on to discuss the influence of alternating water pressure on macro-mesoscopic damage structure. Secondly, temporal and spatial evolution laws of pore water content, pore structure, and seepage characteristics with the time and alternating pressure circulation is studied by utilizing nuclear magnetic resonance. After that, characterization method of macro-mesoscopic damage characteristics is proposed, the mathematical model of stress and pore water pressure, damage variable and seepage characteristic evolution is established, the dynamic characteristics of macro-mesoscopic damage under alternating water injection and seepage evolution is analyzed to make a thorough inquiry to the dynamic process of macroscopic deformation, meso-damage and seepage evolution, combined with FEM and CFD numerical method. Finally, the coupling relationship model of the effective stress--macro-mesoscopic damage--seepage is established to reveal its dynamic response mechanism, which provides theoretical basis for dust prevention and erosion protection of deep coal seam.

为了深入揭示不同交替变化的水压波形与参数对煤岩宏细观结构损伤的影响作用以及损伤、渗流动态演化规律，本项目采用理论分析、室内试验与数值模拟相结合的方法，以交变水压为载体，对煤岩宏细观结构损伤与渗流特性演化规律进行研究。首先，进行交变水压下煤岩流固耦合试验，探讨交变水压对煤岩宏细观结构的影响作用；其次，利用核磁共振成像技术，研究煤岩空隙赋水量、空隙结构及渗流特性随时间与交变水压循环的时空演化规律；而后，提出煤岩宏细观结构损伤表征方法，建立应力、水压、损伤变量与渗流特性间的数学模型，分析煤岩交变注水宏细观结构损伤与渗流演化的动力特性，并结合FEM与CFD数值计算方法，探究宏观变形、细观损伤与渗流演化的动态过程；最后，构建有效应力-宏细观结构损伤-渗流的耦合关系模型，揭示煤岩有效应力、宏细观结构损伤及渗流的动态响应机制，为深部煤层交变注水防尘、防冲提供理论依据。

为改善深部低透难注水煤体渗透性能，提高注水抑尘、防冲等灾害防治效果，以交变水压为载体，对煤岩宏细观结构损伤与渗流特性演化规律进行了深入研究。首先，开展交变水压下煤岩流固耦合试验，探讨了交变水压对煤岩宏细观结构的影响作用；其次，利用CT扫描技术，研究了煤岩空隙赋水量、空隙结构及渗流特性随时间与交变水压循环的时空演化规律；而后，提出煤岩宏细观结构损伤表征方法，构建了应力、水压、损伤变量与渗流特性间的数学模型，分析煤岩交变注水宏细观结构损伤与渗流演化的动力特性，并结合宏观结构演化特征与CFD数值计算方法，探究了宏观变形、细观损伤与渗流演化的动态过程；最后，构建有效应力-宏细观结构损伤-渗流的耦合关系模型，揭示了煤岩有效应力、宏细观结构损伤与渗流间的动态响应机制。在此期间，发表学术论文9篇，其中，SCI检索收录8篇，核心检索收录1篇，授权国内发明专利3项，获得省部级科技奖励3项，其中，省部级科技进步二等奖2项，培养硕士生3人。主要创新成果如下：.（1）煤样在受到一定次数的交变水力侵压后，交变水力侵压一端更容易被破坏，损伤更为严重，多次注水加载会对煤样造成损伤，使其强度降低更易被破坏。.（2）交变水压波幅越大，对煤岩内部产生的作用力较大，促进煤层裂隙的扩展，增加煤岩结构面的孔隙和连通性，对煤岩造成更大的破坏，从而增加煤岩的渗透性，改变煤岩的渗透性。.（3）以Micro-CT扫描技术为试验基础，基于煤基颗粒阻塞、裂隙狭窄以及孔隙不贯通等因素严重影响注水抑尘效果的问题，提出了运用交替循环变化的交变水力侵压煤体的新方法。.（4）得到了交变水压作用下渗流演化的动力特性，探讨了交变水压作用下煤岩细观结构时空演化规律，从细观上揭示了交变水力侵压注水后煤体孔裂隙发育以及应力对其的影响作用。