受采动支承压力影响的裂隙煤体内瓦斯渗流规律及M-LBM模拟方法

煤与瓦斯突出事故已经成为我国煤矿生产中主要自然灾害之一，在采动支承压力作用下裂隙煤体内的瓦斯渗流规律及新的研究方法是矿山压力与瓦斯渗流力学交叉领域前沿性课题。本项目采用理论研究、实验室试验研究、数值模拟与现场监测相结合的方法，拟开展如下创新性研究工作：(1)深入揭示含瓦斯煤层支承压力分布及流变演化规律，为采动支承压力场内煤与瓦斯突出的防治奠定理论基础；(2)通过煤体流变与瓦斯渗流同步试验研究，拟得到裂隙煤体内的瓦斯渗流规律与支承压力分布、煤体流变变形、瓦斯吸附-解吸特征、Klinkenberg效应等之间的关系；(3)建立能够描述"支承压力＋煤体流变＋瓦斯吸附-解吸特征＋Klinkenberg效应"等因素的裂隙煤体内瓦斯渗流M-LBM数学力学模型，编制模拟软件, 为有效研究裂隙煤体内瓦斯渗流规律探索新途径。本项目对防治采动支承压力作用下的煤与瓦斯突出灾害具有重要理论意义和实用价值。

按照计划任务书的要求，采用理论研究、实验室试验、数值模拟与现场监测相结合的方法，围绕受采动支承压力影响的裂隙煤体内瓦斯渗流规律及M-LBM模拟方法，开展研究取得了如下创新性成果：.1、获得岩体流变实验本构模型和基于流变的支承压力分布规律：(1)试验表明，粉砂岩初试蠕变应力阀值比较低，其值仅为20% σc 左右，当加载到80% σc时出现蠕变破坏；(2)考虑流变支承压力呈现出马鞍形分布规律；(3)采高3m时瓦斯压力对支承压力分布影响较小，但当采高为5m时随着瓦斯压力的增加，支承压力高峰呈现出向煤壁前方转移的规律。2、发明了基于自重水压钻与探同步探测技术和底板离层监测实时系统RTMSD，通过对木城涧煤矿三槽煤上行开采探测发现，自上而下依次为中等破裂区、轻微破裂区、严重破裂区和垮落区，其中的中部厚度约为7.0～11.0m轻微破裂区是一个关键承载层，其为重构煤岩体裂隙网络提供了基础。3、构建了考虑瓦斯解吸附特征及Klinkenberg效应的瓦斯渗流LBM模型，并研发了软件，模拟结果表明：(1)煤壁暴露时间越长，煤壁处瓦斯压力梯度越小，流场内瓦斯压力变化范围越大；(2)对应不同的渗透率，Klinkenberg效应对压力分布的影响程度也不同，在K=0.04×10-3μm2时，Klinkenberg效应的影响最大。4、采用LBM方法对瓦斯抽放模拟研究表明：(1)钻孔附近区域瓦斯为径向流动，远离孔口的区域为层流；(2)抽放压力越大，瓦斯流动速度越大，有效抽放比率越高，瓦斯抽放效果越好；(3) 钻孔附近煤壁的压力梯度随着抽放压力增大而增大；(4)有效瓦斯抽放比率随着孔中心距增加而减少；(5)开孔孔径越大，有效瓦斯抽放率越高，但当孔径到达一定范围內时，继续扩大孔径对提高瓦斯抽放的效果不大。5、初步完成了基于煤岩裂隙网络图像扫描与二次生成裂隙网络的LBM数值模拟软件研发，为下一步深化研究奠定了基础。. 出版著作1部、发表学术论文17篇（SCI收录 9篇、EI收录8篇）；国际性会议特邀报告3次、全国性会议特邀报告3次；获得国家科技进步二等奖1项，省部级一等奖1项、二等奖3项；授权国家发明专利7项；培养博士4名（已毕业2人）、培养硕士11名（已毕业7名）、培养博士后3名（已出站2名)；获奖成果“深部巷道围岩流变及动力失稳机理与防控技术”，已为企业创得经济效益达11亿元之多。