基于应力-裂隙时空差异的三维采场煤岩瓦斯运移及富集规律研究

The migration and enrichment of gas is result of multi-field, multi-phase, multi-process and multi-factor. There are differences of physical and mechanical properties in space and time of coal-rock mass in stope. This research studies the following aspects together, the distribution and regularities of mining pressure in stope and the seepage process of gas. It is aiming at providing theoretical basis for the control of gas disaster and optimizing the gas extraction scheme. The theoretical research, laboratory study, numerical simulation, similar simulation experiment, site comparative study and other methods are adopted in the study. The starting points in this research are spatio-temporal (S-T) difference of the mechanical structure of coal-rock mass in stope under mining influence, the distribution and evolution of stress field and fracture field in stope during mining process. The research order is as follow: gas source-channel-flow process-enrichment. The study deploys from following areas: the three-dimensional dynamic model of mechanical structure in stope; the divisional-staged characteristics and S-T difference of stress and fracture in coal-rock mass in stope; the characteristics of adsorption and desorption of coal-rock mass under the influence of some factors; the coupling processes between fracture field and flow field and the regularities of migration and enrichment of gas in stope.

采场煤岩体中瓦斯运移及富集是多场、多相、多过程和多因素综合作用的结果，且采场煤岩体的物理力学表现在空间和时间上存在差异。本项目旨在将采场矿山压力分布和显现过程与瓦斯渗流过程结合起来，以为采场煤岩体内瓦斯灾害治理及瓦斯高效抽采方案优化提供理论依据为研究目标，通过理论研究、实验室研究、数值模拟、相似材料模型模拟及现场比较研究等手段，以采动影响下采场煤岩体力学结构变化、矿山压力显现及裂隙演化的时空差异性为切入点，遵循瓦斯源-通道路径-流动过程-富集分布的研究顺序，研究采场煤岩体三维动态力学结构模型、采场煤岩体三维应力-裂隙的分区-分期特征和时空差异性、多因素影响下煤岩体瓦斯吸附-解吸特性、采场煤岩体裂隙场与瓦斯渗流场的耦合作用过程，探讨采动影响下采场煤岩体中瓦斯动态运移-富集演化规律。

在“采场煤岩体中瓦斯运移及富集是多场、多相、多过程和多因素综合作用的结果，且采场煤岩体的物理力学表现在空间和时间上存在差异”学术思想指导下，项目组在4年时间内对采场煤岩体三维动态力学结构模型、采场煤岩体三维应力-裂隙的分区-分期特征和时空差异性等内容开展研究，较好地完成了项目预定的目标任务。主要研究成果包括：利用能谱仪、低温液氮吸附等实验手段分析含瓦斯煤体的微细观结构特征；建立采场层状顶板的胶结平面桁架力学结构模型；利用自主研制的“三维多煤层开采相似模拟试验系统”（获发明专利）研究三维立体空间下近距离双厚煤层开采后采场采动应力及覆岩裂隙分布、移动破坏规律；研究首采工作面、单侧采空工作面、双侧采空工作面开采过程中采场顶底板应力分区演化特征、应变时空差异特征以及围压破断失稳和分区支护研究；分析采场上覆岩层应力升高、卸压范围，探讨不同通风形式条件下采空区及上覆应力卸压体内瓦斯运移规律；依据自行研制的煤岩固-气耦合细观力学试验装置试验结果，分析准平面应变条件下煤体的破裂过程以及煤体载荷-位移关系；研究不同含水率对瓦斯吸附量、吸附变形的影响；提出基于图像增强函数的改进C-V模型，探讨煤岩体细观结构的面积、方位角、纹理特征以及分形特征；研究煤细观孔隙中水分动态演化过程，建立管束渗流模型、基于含水率的渗透率模型和考虑含水率的固-气耦合模型；基于采场应力-裂隙时空差异性构建巷旁支护体模型；建立基于脆性系数、用于描述承压孔周围岩体弹塑性力学行为的简化弹性应变软化模型；利用地质雷达测试技术，建立基于煤层倾角、煤层厚度、巷道埋深、直接顶厚度影响系数、直接顶岩性和顶板完整性等6个主要地质因素的沿空留巷适应性评价模型等。. 项目组成员共参加了46人次国内外学术交流会议；培养了5名博士研究生和10名硕士研究生；发表了24篇论文，其中SCI检索9篇，EI检索11篇,SCi论文被引用104次；获得2项发明专利。