复合关键层下煤层采场瓦斯渗流热-固-气耦合机理研究

With the depth and intensity of exploitation increase, some proximal hard rock appeared composite effect. It produces pressure manifestation and ground temperature. All the results bring new challenges to gas extraction in underground. We will be researched mechanism of coalbed gas seepage thermo-solid-gas coupled in the condition of composite key stratum by the ways of theoretical analysis, numerical and physical simulation, experimental method in laboratory and filed application. Firstly we will establish the Composite Key Stratum Model Layer on the Winkler Foundation according to composite materials structure mechanical theory. The abutment of coal and characteristics of pressure distribution will be analyzed by the model. Secondly the model of coalbed gas seepage thermo-solid-gas coupled will be built by applying thermodynamics, porous flow mechanics and rock mass mechanics theory. Thirdly we will make use secondary development of FLAC correctly , the the numerical simulation is carried on the coalbed gas seepage thermo-solid-gas coupled. Fourthly the effect of mining in the condition of composite key stratum on mechanism of coalbed gas seepage thermo-solid-gas coupled will be analyzed by self-developed thermo-solid-gas coupled similar simulation experimental platform. Fifthly stress-strain seepage experiment of thermo-solid-gas coupled of gas-containing coal will be analyzed by MTS tri-axial servo experimental equipment. Finally, filed application, we will provide direction to support choice and gas extraction in the condition of composite key stratum

随着我国煤矿开采深度及强度的增加，一些相距较近的坚硬岩层随采动影响产生了复合效应，由此产生的矿压显现及地温加大现象，均对煤层瓦斯抽采提出了新的挑战。项目采用理论分析、数值及物理模拟、实验室试验及现场应用等方法，研究复合关键层下煤层瓦斯渗流热-固-气耦合机理。首先，利用关键层及复合材料结构力学理论，建立Winkler地基复合关键层模型，分析此条件下煤体支承压力及分布特征；其次，运用热力学、渗流力学、岩体力学等理论，建立复合关键层下煤层瓦斯渗流热-固-气耦合模型；第三，对FLAC软件二次开发，进行复合关键层下瓦斯渗流热-固-气耦合数值模拟；第四，自主研发三维热-固-气耦合相似模拟实验平台，分析复合关键层下开采对瓦斯渗流热-固-气耦合机理的影响；第五，利用三轴伺服渗流实验装置，进行含瓦斯煤热-固-气耦合全应力-应变渗流实验；最后，现场应用，对此条件下煤矿的支架选型及瓦斯抽采进行现场指导。

随着我国煤矿开采深度及强度的增加，一些相距较近的坚硬岩层随采动影响产生了复合效应，由此产生的矿压显现及地温加大现象，均对煤层瓦斯抽采提出了新的挑战。因此有必要对煤岩体变形、地温及渗流多场耦合规律进行深入分析与研究。而以前采动损害、地热及关键层理论主要应用于煤矿开采沉陷及矿山压力问题，将其引入瓦斯渗流理论分析当中，可以从力学方面着手，考虑多参数对瓦斯渗流的影响，更符合现场实际。.项目采用理论分析、数值及物理模拟、实验室试验及现场应用等方法，研究了复合关键层下煤层瓦斯渗流热-固-气耦合机理。.首先，利用关键层及复合材料结构力学理论，建立Winkler地基复合关键层模型，分析此条件下煤体支承压力及分布特征；其次，自主研发了三维热-固-气耦合相似模拟实验平台，分析复合关键层下开采对瓦斯渗流热-固-气耦合机理的影响；第三，利用三轴伺服渗流实验装置，进行了含瓦斯煤热-固-气耦合全应力-应变渗流实验；分析含瓦斯煤在不同温度、不同围压条件下对渗透的影响。第四，运用热力学、渗流力学、岩体力学等理论，建立复合关键层下煤层瓦斯渗流热-固-气耦合模型；第五，利用ANSYS软件进行了瓦斯渗流热-固-气耦合数值模拟；.通过该项目的研究，得出了以下主要结论：.（1）利用复合材料结构力学理论，建立Winkler地基复合关键层模型，对复合关键层进行理论分析，推导Winkler地基上复合关键层初次破断距及周期破断距；引入复合材料抗挠刚度，利用复合关键层应力传递衰减系数求解复合关键层条件下煤体支承压力。.（2）测试了煤样在三轴下的全应力应变过程，得到了相应的峰值应力值、峰值轴向应变值和峰值侧向应变值。由于煤岩体的离散性，通过对比分析大致可以看出，在围压的作用下，煤样、岩样的峰值应力值有所增加，但在温度作用产生的热应力的影响下又有所降低。.（3）对相互耦合的气体渗流方程、温度场方程、煤岩体变形方程的分析，建立了煤瓦斯渗流热-固-气耦合数学模型，并用ANSYS软件进行了渗流热-固-气耦合模拟分析。.通过对本项目的研究，对火区、地热及复合关键层条件下煤层开采瓦斯治理有重要的理论意义和工程指导作用。