固相粒子封堵含瓦斯煤（岩）裂隙的机理及应用基础

瓦斯抽采是防治煤矿瓦斯灾害的根本性措施，然而钻孔瓦斯抽采过程中煤（岩）裂隙发育、增加导致瓦斯抽采浓度降低，难以取得预期抽采效果。针对该技术难题，申请者首次提出了二次封孔技术，即采用多种微细粉料组成的固相粒子封堵钻孔周边煤（岩）漏风裂隙，以实现瓦斯的可持续抽采。该技术在国内多个煤矿进行了试验，取得了一定效果，然而，对固相粒子在煤（岩）裂隙中的输运、沉积和封堵特性还不甚清楚。本项目通过实验室模拟分析和现场考察，研究瓦斯抽采过程中钻孔周边含瓦斯煤（岩）裂隙的时空演化特性，籍此，通过理论分析、CFD数值模拟、二次封孔模拟试验和现场工业性试验等手段揭示固相粒子在煤（岩）裂隙中输运、沉积和封堵特性，并确定固相粒子的最佳组分、配比以及二次封孔技术的关键工艺参数。研究成果为该技术的推广应用提供理论依据，为实现我国煤矿瓦斯的可持续抽采提供科学支撑。

本项目以颗粒密封瓦斯抽采钻孔漏风裂隙提高瓦斯浓度为背景，开展了瓦斯抽采钻孔周边裂隙场分布演化特性、含瓦斯采动煤岩体渗流特性、瓦斯抽采钻孔漏风的固-气耦合作用机制以及颗粒在裂隙中的气固两相流动特性等方面研究，为工程技术的科学应用提供理论与技术基础。研究成果发表学术论文13篇（SCI 8篇，EI 1篇），研究成果入选2014年度“中国精品科技期刊顶尖学术论文”;申请/授权发明专利9件（授权7件）、软件著作权1件;获得省部级一等奖1项，二等奖2项，2015年固相颗粒密封钻孔漏风裂隙技术被国家安全生产监督管理总局评价为“安全科技攻关主要突破项目”（安全生产领域共11 项）。具体研究成果如下：.(1)瓦斯抽采钻孔周边裂隙场分布演化特性.采用原位探测手段，获得了钻孔周边煤岩裂隙形态及尺度特征；开展了自重应力场下煤岩体破坏全过程的模型试验，发现钻孔裂隙区呈“类橄榄球”型分布；建立了采动煤岩体弹塑性损伤本构模型，揭示了不同埋深、围岩强度作用下钻孔周边裂隙场的分布演化的高斯分布特性。.(2) 含瓦斯采动煤岩体渗流特性.采用三轴加载试验系统，开展了不同瓦斯压力和围压应力耦合下的含瓦斯煤变形破坏试验，并基于数值模拟定量计算了巷道及钻孔开挖扰动下的有效应力的演化，将钻孔周边区域划分为渗流区域：完全、过渡、屏蔽和原岩渗流区。.(3) 瓦斯抽采钻孔漏风的固-气耦合作用机制.基于煤的孔隙-裂隙双重介质特性，系统考虑了瓦斯抽采涉及的煤体变形、基质瓦斯解吸-扩散、裂隙瓦斯-空气渗流等多场耦合行为，建立了煤层瓦斯抽采工程设计的流-固多场耦合计算模型，定量描述了煤体孔裂隙特性、封孔深度和漏风速率等多参数对瓦斯抽采质量的敏感度，首次从理论层面揭示了瓦斯抽采的低浓度机制，得出了钻孔周边裂隙发育特性是影响瓦斯抽采质量的关键因素，为瓦斯抽采工程设计提供理论基础。.(4)颗粒在裂隙中的固-气两相流动特性.研发了颗粒封堵裂隙的固-气耦合模拟实验平台，确定了裂隙中不同输送压力、气速、颗粒流量及气固比下裂隙堵塞边界，建立了颗粒在裂隙中运移的气固两相流动的数学模型，确定了气速、颗粒流量、裂隙角度等对颗粒流动和堵塞效果的影响，揭示了裂隙中颗粒沉积与封堵的时空演化特性，研制了适应井下特殊温湿环境的微细膨胀粉料，提出了穿层钻孔颗粒封堵漏风裂隙技术方法与工艺。