应力恢复过程采动裂隙形态响应及对卸压瓦斯流态转悷控制作用机制

Fracture zone is the key area of pressure relief gas extraction. The weight of the overburden strata will recover gradually with the increasing of the mining distance. In this process, the space of gas flow is defined by the morphological responses of fractures. To predicate the flow regime in fractures is the basis of theoretical analysis and numerical calculation. Based on the theoretical analysis, laboratory experiments, numerical simulation and field tests, the influence of the damage form and grain structure working on the mining fracture surface will be studied, the mechanic constitutive model and the discrete fracture network model will be built, fracture morphology response and fracture network structure evolution characteristics will be obtained. The influence of shape disturbance and wake turbulence will be studied to gain the critical conditions and the distribution of the relief gas flow transition. Finally, the discrete fracture network equivalent model of pressure relief gas migration will be formed to calculate the gas flow in fracture zone. The research results can be used to guide the gas emission prediction in workface and the technology parameters design in the gas drainage project.

断裂带是卸压瓦斯抽采的重点区域，随着回采距离的增加，覆岩自重应力将逐渐恢复，在这一过程中，断裂带内采动裂隙的形态响应确定了卸压瓦斯流动的空间条件，裂隙内瓦斯流态的判定及分布特征则是进行理论分析和数值计算的基础。项目以断裂带采动裂隙及瓦斯流场为研究对象，采用理论分析、实验室实验、数值模拟和工程验证相结合的方法，研究破坏形式及晶粒结构对采动裂隙固壁条件的影响，构建滑移和填充作用影响下的裂隙体力学本构模型和离散裂隙网络模型，获得应力恢复过程裂隙形态响应及裂隙网络结构演化特征；分析壁面形状扰动和填充物尾迹扰动对裂隙流场的影响，确定多因素影响下卸压瓦斯流态转悷的临界条件和判别准则，获得流场流态分布特征；在此基础之上，构建离散裂隙网络卸压瓦斯运移等效模型，并将其应用于断裂带瓦斯流场的解算。上述研究成果能够为工作面瓦斯涌出量的准确预测、断裂带瓦斯抽采工程的设计和抽采参数的优化提供理论指导。

断裂带是卸压瓦斯抽采的重点区域，随着回采工作面的推进，覆岩应力将逐渐恢复，断裂带内采动裂隙的形态响应确定了卸压瓦斯流动的空间条件，裂隙内瓦斯流态的判定及分布特征则是进行理论分析和数值计算的基础。项目以断裂带采动裂隙及瓦斯流场为研究对象，运用断裂力学、分形几何等理论，通过现场取样、实验室试验等方式获得了不同岩性岩样在模拟局部应力集中、覆岩岩层重力载荷作用和岩梁断面产生的剪切作用下导致的压缩、拉张和剪切破坏特征，以及相应的裂隙固壁条件的响应机制。利用数值计算的方法，以岩性、啮合度、填充度为变量，对应力恢复过程中裂隙面的形态响应进行了分析。项目研发了一种气动加载实验平台，通过预制类岩材料开展相似模拟实验，成功观测了采动裂隙成形和应力恢复条件下的形态演化过程。通过统计结果表明，岩层多以拉张破坏产生的垂向裂隙和岩层间相对位移产生的离层裂隙为主，裂隙角度分布主要集中在三个角度区域，且各区各带内的角度分布细节略有不同，处于横向边缘内裂隙角度与岩层卸压角呈一致关系，采场内部裂隙角度多以正交方向为主。基于此，建立了描述断裂带内部采动裂隙特征的离散裂隙网络模型。通过单一裂隙连续改变气体流量方法，获得了以流态指数为参数的卸压瓦斯流态判别准则。实验结果表明，不同隙宽下，随流速的增加流态指数的变化规律整体呈现由低次指数向高次指数发展的趋势，没有出现明显的突变。引入当量直径，基于裂隙断面简化假设，利用断裂岩块尺度参数和裂隙开度参数式，构建了以管路为基本单元的离散裂隙网络等效模型，获得了卸压瓦斯流动场的宏观解释。