各向异煤岩损伤与瓦斯吸附解吸渗流耦合机理研究

1 引言

1.1 研究目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 煤层及瓦斯赋存特征研究现状

1.2.2 煤岩损伤及裂隙演化研究现状

1.2.3 瓦斯吸附-解吸-渗流特性影响因素研究现状

1.2.4 煤的渗透率模型及流固耦合模型研究现状

1.2.5 煤层瓦斯抽采数值模拟研究现状

1.3 主要研究内容及技术路线

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 研究技术路线

1.3.3 创新之处

2 实验系统搭建及前期准备

2.1 低场核磁共振实验系统

2.1.1 低场核磁共振理论概述

2.1.2 实验系统和参数设置

2.1.3 谱面积换算模型的搭建

2.2 单轴压缩力学特性和声发射特征实验系统

2.3 煤岩三轴吸附-解吸-渗流实验系统

2.4 煤样制备

2.4.1 煤样的采集及制作

2.4.2 煤样的工业参数分析

2.5 本章小结

3 高阶煤的微观孔隙结构及力学特性和声发射实验研究

3.1 高阶煤微观结构扫描电镜测试

3.2 高阶煤微观结构定量分析

3.2.1 高阶煤的微观结构压汞实验

3.2.2 高阶煤的微观结构低温液氮实验

3.2.3 高阶煤的微观结构低场核磁共振实验

3.3 各向异性高阶煤力学特性及声发射特征实验研究

3.3.1 实验步骤

3.3.2 实验结果分析

3.4 本章小结

4 各向异性高阶煤瓦斯吸附的低场核磁共振实验研究

4.1 实验方案

4.2 各向异性高阶煤的瓦斯吸附量随时间的变化规律

4.3 围压对各向异性高阶煤瓦斯吸附的影响研究

4.4 各向异性高阶煤在不同围压下吸附峰游离峰变化规律

4.5 本章小结

5 各向异性高阶煤瓦斯渗流实验研究

5.1 实验原理与方法

5.2 实验方案

5.3 各向异性高阶煤瓦斯渗流实验

5.3.1 各向异性高阶煤在力学路径1下渗透率的演化规律

5.3.2 各向异性高阶煤在力学路径2下渗透率的演化规律

5.4 各向异性高阶煤渗透率演化差异分析

5.5 本章小结

6 各向异性煤岩的渗透率演化模型及流固耦合模型

6.1 模型的简化与假设

6.2 煤层裂隙孔隙率模型

6.3 煤层各向异性渗透率演化模型

6.4 煤岩体变形场控制方程

6.4.1 应力平衡方程

6.4.2 几何方程

6.4.3 本构方程

6.5 煤岩瓦斯渗流场控制方程

6.5.1 连续性方程

6.5.2 气体状态方程

6.5.3 煤层瓦斯含量方程

6.6 瓦斯抽采钻孔周围煤体的流固耦合模型

6.7 本章小结

7 各向异性煤岩瓦斯抽采的数值模拟及模型验证

7.1 多物理场数值模拟软件介绍

7.2 模型验证及结果分析

7.3 计算模型及参数确定

7.3.1 几何模型及相关物性参数

7.3.2 初始条件及边界条件

7.4 考虑各向异性流固耦合模型数值研究及结果分析

7.4.1 工程参数优化研究

7.4.2 煤体物性参数对各向异性模型瓦斯抽采影响研究

7.4.3 钻孔方位角对各向异性模型瓦斯抽采影响研究

7.5 瓦斯压力敏感性分析

7.5.1 工程参数对各向异性模型瓦斯抽采敏感性分析

7.5.2 煤体物性参数对各向异性模型瓦斯抽采敏感性分析

7.5.3 钻孔方位角对各向异性模型瓦斯抽采敏感性分析

7.6 渗透率各向异性顺层多钻孔瓦斯抽采优化模拟研究

7.6.1 不同层理瓦斯压力变化模拟结果分析

7.6.2 不同钻孔间距优化模拟研究

7.7 本章小结

参考文献

1.2国内外研究现状

1.2.1煤层及瓦斯赋存特征研究现状

在煤层赋存规律方面：李懿6研究发现断层对煤层赋存的增厚、缺失、倒转及多次重复具有重要的影响。蔡杰等（研究发现构造运动会使煤层产生较多的裂隙，产生的裂隙不但会增加煤层的渗透性，而且会增加储气空间，在煤层受到挤压处煤层物性变差。任泽强[针对孙瞳煤矿主采煤层赋存特征进行了系统研究。刘玉敏[]研究发现尚义煤田赋煤带沿冲积扇前缘呈条带状分布且区域内构造复杂，煤层不稳定。李子琛等[i0]综合分析了构造及河流冲刷影响下的地质构造和煤层分层赋存特征。令狐克桥（]研究了煤层厚度变化的影响因素。

在瓦斯赋存特征方面：杜海刚等[12]研究发现影响煤层瓦斯赋存的首要因素为岩浆热演化作用，且煤变质程度升高不仅增大了瓦斯的生成量，而且增加了煤层瓦斯的吸附能力。杨承文（3]研究发现在控气地质因素中，煤层厚度不利于煤层气的生成及富集，水文地质控气作用为水力运移逸散控气作用。武松[1]针对陕西招贤煤矿分析了构造对瓦斯赋存的控制作用和瓦斯的变化与分布规律。于建明[5]针对王家岭煤矿系统探讨了煤层瓦斯吸附量与赋存瓦斯压力、煤体温度、煤层埋深及围岩透气性的变化关系。陈波等[16]针对丈八井田分析了煤层气赋存特征和控气因素。S.Q.Yang等[17研究得到了采场上覆岩层及其对应应力的动态变化规律，从而阐明了瓦斯解吸与应力之间的关系。Q.S.Li等[18]以贵州煤矿为例，研究了影响瓦斯赋存的主要因素。K.Z.Zhang等（19]系统分析了地质构造带瓦斯赋存状况，研究成果对煤层气开采、瓦斯灾害防治和突出危险性预测具有重要意义。

1.2.2煤岩损伤及裂隙演化研究现状

在煤岩损伤方面：Q.Q.Liu等2]建立了考虑煤体损伤的本构模型及渗透率动态演化模型，结合三轴压缩实验研究了构造煤的弹性变形及渗透率变化规律。D.N.Espinoza等(21分析了煤岩损伤的影响因素，得出了煤基质收缩、瓦斯解吸膨胀与煤岩损伤之间的耦合关系。李和万等(2揭示了不同节理结构煤样在液氮低温冷加载作用下的损伤规律。徐超等23研究了加卸载方式对采动煤体损伤及渗流特性的影响。王向宇等[2]开展了三轴循环加卸载条件下，深部开采煤体损伤的能量演化规律和渗透特性实验研究。钟江城[235）利用CT可视化实验系统，针对深部煤体损伤和渗透率演化规律进行了实验及模拟研究。张娟等26)推导了卸加载响应比与弹性模量之间的关系，得到了在卸加载过程中煤样的损伤情况。韩毅等[27]论述了应力场、渗流场耦合作用下的煤岩损伤破坏特征。于永军等[28]分析了不同工况下水力裂缝扩展特征并对比研究了破裂压力变化规律。Z.Q.Jia等[2）得到了不同深度煤样损伤的声发射特征和时空演化规律。尹光志等[00]建立了脆性煤岩的损伤本构模型，对脆性煤岩的损伤力学特性进行了研究。李波波[在不同开采方式下的加卸载实验中进行了三种不同卸载速率条件下的实验研究，分别探讨了煤岩的变形特性、渗透特性等损伤演化规律及煤岩变形与渗透率关系。翟盛锐[]基于煤岩损伤统计特征及Drucker-Prager 破坏准则，分析得出了煤岩在单轴压缩载荷作用下的损伤演化本构模型。郭海防（）分析了孔隙水压力对煤岩加载损伤过程和煤岩变形强度的影响。杨小彬等3推导并建立了煤岩非线性损伤演化方程和煤岩非线性损伤本构方程。

在覆岩采动裂隙动态分布规律方面：C.S.Zheng等[3s]采用相似模拟等研究方法，对深部开采大倾角煤层覆岩的裂隙演化特征进行了研究。J.K.Xu等[36]通过可视化和图像处理技术，揭示了深部煤岩变形的裂隙演化规律。梁涛等[37]研究了采动影响下上覆岩层的裂隙演化及渗透特性变化规律。徐刚等（38]分析了特厚煤层采动覆岩裂隙分布特征，并采用UDEC数值模拟软件划分出了采动覆岩“三带”具体范围。汪文勇等[39]结合数字图像相关技术，针对预裂煤岩体裂隙演化特征开展了实验研究。李宏艳等[]利用分形理论进行了采动条件下裂隙场演化相似模拟实验研究。王新丰等[]探讨了采动应力场、覆岩位移场及顶板裂隙场的动态响应机制。高喜才等C2研究了复合型水体下综放工作面采动过程中覆岩垮落带与裂缝带裂隙、导水通道形成、分布特征。李树刚等[3分析了采动后覆岩关键层活动特征对裂缝带分布形态的影响。米文瑞[]从理论上分析了离层产生的力学机理，根据离层和地表形态特征建立了覆岩离层发展与地表动态下沉的关系模型，并采用数值模拟方法，研究覆岩位移场、应力场、位移矢量场的分布规律，进一步验证离层的扩展规律和覆岩移动特征。

1.2.3 瓦斯吸附-解吸-渗流特性影响因素研究现状

研究瓦斯在煤岩体中运移规律先要掌握煤吸附-解吸瓦斯的机理，煤体对瓦斯的解吸过程是扩散过程与渗流过程共存的物理现象。

在煤体瓦斯吸附理论研究方面：T.Yang等[5]开展了不同温度、煤阶和平衡压力条件下的瓦斯吸附实验，建立了不同煤样瓦斯吸附与温度的关系。S.Y.Wu等[6]对不同气体的吸附微观机制进行了研究。刘佳佳等（7]采用核磁共振实验系统研究了深部低阶煤的瓦斯吸附特性。高建良等[8]利用低场核磁共振技术研究了水分对无烟煤瓦斯吸附特性的影响。

肖晓春等[研究了瓦斯吸附作用下的煤岩力学行为及声-电荷反演规律。李树刚等[60]采用吸附动力学模型，探讨了温度对煤吸附瓦斯动力学特性的影响。秦跃平等[51]设计了封闭空间内煤粒瓦斯变压吸附实验，并构建了煤粒瓦斯变压吸附数学模型，实验结果与理论计算相吻合。刘志祥等[s2]研究了煤体表面结构的分形特征，并将二维平面吸附推广到分形表面吸附，得到了基于热德布罗意波长的分形维数。位乐[S3]推导了煤中瓦斯的多层吸附理论，并采用此理论对煤的瓦斯吸附实验规律进行了拟合分析。张哲等s]得到了煤体孔隙分布特征和瓦斯吸附动力学曲线，并分析了吸附压力、吸附量及吸附速率随时间的变化规律。马金魁[55]建立了双一阶函数组合模型，对煤对瓦斯的吸附过程进行了计算分析。夏慧等[86]分析了不同温度下瓦斯的吸附量、等量吸附热、朗缪尔吸附常数、初始有效扩散系数及扩散动力学参数变化特征。郭德勇等（]研究了构造应力作用对煤中芳香片层造成的动力损伤以及对瓦斯吸附的影响。李东等[s8利用沁水盆地大宁煤矿的原生煤和构造煤系列等温吸附……

本书针对各向异性高阶煤孔裂隙结构及瓦斯吸附解吸渗流耦合机理开展研究，采用理论分析、实验研究、模型构建、数值模拟相结合的研究方法，通过扫描电镜、压汞测试、低温液氮吸附以及低场核磁共振技术定性/定量分析煤样的微观孔隙结构特征，开展各向异性高阶煤的单轴压缩及声发射破坏特性实验，利用低场核磁共振系统开展各向异性高阶煤在不同围压下瓦斯吸附规律实验，利用煤岩三轴吸附-解吸-渗流实验系统开展各向异性高阶煤在不同力学路径条件下瓦斯渗流特性实验，建立考虑各向异性、有效应力、瓦斯压力压缩、吸附膨胀和Klinkenberg效应影响的各向异性煤岩渗透率演化模型及流固耦合模型，并进行本煤层顺层钻孔瓦斯抽采的数值模拟研究。