卸荷煤体细观损伤演化与瓦斯渗流的耦合作用研究

The meso-damage evolution and gas seepage of unloaded coal is the research focus of domestic and foreign scholars. The CT test that is used to describe the direct damage evolution can not be simultaneously applied on gas seepage experiments. Both theoretical experimental methods are to be adopted in this project. First, the CT scanning tests are to be conducted following the designed mechanic paths in order to study the damage and internal crack evolution from a micro perspective. Then, gas seepage tests are to be conducted to unveil the seepage characteristics under the same paths and parameters of the CT tests. Finally, the research results of the both tests are to be coupled to analyze the influence of meso-damage evolution of unloaded coal on gas seepage, and to build the stress-damage-seepage coupling model of unloaded coal. The results will enable the direct study on the influence of meso-damage evolution of on gas seepage, and provide a better guide on the protective layer mining and pressure-relieved gas drainage.

荷载煤体细观裂隙演化及瓦斯渗流是国内外研究的热点，但从细观角度研究不同荷载煤体损伤演化与瓦斯渗流相互作用的成果较少。本项目采用理论研究与实验室实验相结合的方法。首先，按设计卸载的力学路径进行型煤试件的CT扫描试验，揭示卸荷煤体细观损伤、内部裂隙演化规律；然后，采用与CT扫描试验完全相同的力学路径和力学参数进行型煤试件的瓦斯渗流实验，揭示卸荷煤体的瓦斯渗流特性；最后，叠加卸荷煤体内部裂隙演化与瓦斯渗流的研究成果，综合分析卸荷煤体的细观损伤演化对瓦斯渗流的影响，建立卸载煤体应力-损伤-瓦斯渗流耦合作用模型。本项目的研究实现了从细观角度直观研究裂隙演化特征及其对瓦斯渗流的影响，能够为保护层开采和卸压瓦斯抽采提供理论基础。

本项目采用理论研究与实验室实验相结合的方法。首先，按设计卸载的力学路径进行型煤试件的CT扫描试验，揭示卸荷煤体细观损伤、内部裂隙演化规律；然后，采用与CT扫描试验完全相同的力学路径和力学参数进行型煤试件的瓦斯渗流实验，揭示卸荷煤体的瓦斯渗流特性；最后，叠加卸荷煤体内部裂隙演化与瓦斯渗流的研究成果，综合分析卸荷煤体的细观损伤演化对瓦斯渗流的影响。通过3年的研究，获得以下研究成果：.（1）CT检测实验表明：型煤试样在卸载初期损伤发育缓慢，随着损伤的发展，损伤的增长速度加快；卸载时试样首先从低密度端破坏，而后逐步向高密度端发展，最终在试样内部出现锥形性状的裂纹；对于同一试样，密度越小的层位，损伤发展越快；不同的卸载路径，损伤发展不同，固定差应力卸围压比固定轴向位移卸围压对试样造成的损伤更大。.（2）卸载渗透性实验表明：固定轴向位移与固定差应力两种卸载力学路径下，随着初始围压的增大，差应力减小速率增大处的围压值升高。.（3）卸荷煤体裂隙演化与瓦斯渗流耦合：获得了卸载过程中损伤变量的变化，结合等效力学路径下渗透性实验的结果，获得了卸载煤体损伤对渗透性的影响，即卸载初期损伤与渗透率增加均较小，随着继续卸载，两种卸载路径下有效围压均卸载至5MPa左右后，损伤和渗透率的增加速度均加快。.（4）现场实践：被保护层的膨胀变形情况与实验室获得的渗透率与轴向应变的关系，将被保护层划分为原始渗透性区、渗透性减小区、渗透性增大1区、渗透性增大2区，在此基础上优化瓦斯抽采钻孔的布孔间距依次为5m×5m、10m×10m、40m×40m，并通过工作面掘进、回采期间的瓦斯参数验证了瓦斯抽采钻孔布孔方式优化的合理性。