采动裂隙椭抛带中卸压瓦斯升浮—扩散机理研究

项目综合运用理论分析、MTS数控电液伺服渗流实验、扫描电镜实验、数值模拟、物理相似材料模拟以及工业性试验相结合的研究方法，对采动裂隙椭抛带中卸压瓦斯升浮-扩散机理展开系统研究。通过MTS三轴电液伺服渗流实验及扫描电镜实验，分析全应力应变过程中煤岩体裂隙结构变化效应对渗透特性的影响，研究三轴压力作用下煤岩体裂隙渗流演化机制；通过"固气"耦合三维物理相似材料模拟及数值模拟实验，研究采动裂隙椭抛带形成的力学机理、裂隙网络统计特征和动态演化规律，以及其中卸压瓦斯的升浮-扩散规律。基于岩石力学、断裂力学、损伤力学等理论，建立椭抛带中破断煤岩体渗透裂隙网络模型；应用环境流体力学、流体动力学、渗流力学以及传质学等理论，分析瓦斯解吸、渗流等因素对椭抛带中卸压瓦斯升浮-扩散的影响，建立相应的力学模型，并进行现场工业性试验，研究采动裂隙椭抛带中卸压瓦斯升浮-扩散机理，为实现煤与瓦斯安全共采提供理论基础。

瓦斯是影响煤矿安全生产的主要因素之一，同时也是一种高效清洁资源，如何有效防治瓦斯灾害，同时实现清洁利用是我国煤矿安全界研究的主要课题之一。煤层开采后，采场覆岩裂隙时空演化（采动裂隙椭抛带）与卸压瓦斯运移（瓦斯升浮扩散）耦合规律是该课题的主要研究内容，对确定合理的瓦斯抽采关键参数，实现煤与瓦斯安全共采具有重要意义。项目综合利用理论分析、实验室实验、数值模拟、物理相似模拟及工业性试验相结合的研究方法，对采动裂隙椭抛带卸压瓦斯升浮扩散机理开展了研究。.通过电镜扫描、压汞实验、氮吸附实验、岩石电液伺服渗流试验、瓦斯吸附实验以及瓦斯放散初速度实验等，分析了煤样微观孔隙结构、孔隙比表面积及体积分布规律；研究了不同轴压及围压条件下，煤体渗透率变化规律；得到温度、水分、煤样粒径、挥发分等因素对煤体瓦斯吸附特性的影响规律及敏感程度，同时分析了煤样微观孔隙结构对瓦斯放散特征的影响规律。通过物理相似材料模拟实验，研究了考虑煤层采高及关键层层位效应的采动裂隙椭抛带时空演化规律，结合岩层控制关键层理论、采动岩体力学等，构建了相应的数学模型。基于能量耗散原理，构建出考虑能量效应的采动裂隙椭抛带卸压瓦斯升浮扩散综合控制模型。研制出适用于三维物理相似模拟实验的固气耦合材料，对其力学、渗透性及能量耗散特性的影响因素开展研究，得到骨料及胶结剂用量与材料特性之间的定量化表征。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，可实现瓦斯运移规律、瓦斯抽采规律、矿山压力分布规律及采空区垮落形态规律等模拟。利用三维物理相似模拟实验台及FLUENT数值模拟，研究了三维条件下采动覆岩裂隙分布特征、采动过程中覆岩垮落能量耗散、卸压瓦斯运移及抽采规律。在理论模型、物理相似模拟及数值模拟分析基础上，得到采动裂隙椭抛带卸压瓦斯升浮-扩散机理，以及卸压瓦斯抽采原理。通过山西及新疆的两个典型高瓦斯矿井的瓦斯抽采实践，表明煤层开采后，采动裂隙椭抛带是卸压瓦斯的升浮扩散通道及储运空间，将瓦斯抽采系统布置其中，能够取得良好的抽采效果，为实现煤与瓦斯安全共采提供一定的科学依据。