添加表面活性剂影响煤层注水防突效果的宏微观机理

Coal seam water infusion is one of the important technical measures in prevention and controlling of coal and gas outburst, but the mechanism of it has not been revealed deeply yet, especially for the control efficiency study of adding surfactant on its outburst prevention under the macro and micro scale. To solve this problem, the pressurized water injection experiments will be set to study the constitute relation between the macro mechanical characteristics and the microstructures of coal. The gas adsorption-water injection-gas desorption experiments and the microstructure tests will be done to study gas desorption role of coal which will be added surfactant under different conditions. To study the gas displacement and seepage characteristics under different conditions and to establish the equation which can describe gas displacement process during the water injection, the gas displacement and seepage experiments under the triaxial loading condition will be done. Based on the results of above research, numerical modeling and site tests will be done to reveal the coupling mechanism between stress distribution and gas pressure distribution in front of the working face. The results of this project will contribute to the development and improvement of outburst prevention theory of coal seam water infusion, and it will have a fundamental significance for guiding outburst prevention work by adding surfactant to water infusion.

煤层注水是防治煤与瓦斯突出的重要技术措施之一，但目前对其防突机理认识不深入，尤其是添加表面活性剂对注水防突效果的影响机理更加复杂，从宏观与微观上进行全面深入的研究极少。针对该问题，本项目拟通过加压注水实验，研究添加表面活性剂对煤体宏观力学性质和微观结构的影响规律与本质关系；通过吸附-注水-解吸实验，研究添加表面活性剂对不同实验条件下的煤样瓦斯解吸特性影响，并通过微观结构测试分析其影响机理；通过三轴注水驱瓦斯和三轴渗透实验，研究添加表面活性剂对不同实验条件下的煤体瓦斯驱替与渗流特性影响，建立宏观与微观多种因素影响下的注水驱瓦斯渗流方程。通过数值模拟与现场测试，结合不同注水影响区域的煤样微观结构特性测试，从宏微观上揭示添加表面活性剂注水对采掘工作面前方应力与瓦斯压力分布耦合作用机理。本项目的研究将有助于煤层注水防突理论的发展和完善，对指导添加表面活性剂注水防突工作具有十分重要的意义。

针对目前煤层注水、特别是添加表面活性剂注水防突机理认识不清，对注水影响煤体力学性质、煤体瓦斯解吸和渗流特性、采掘工作面前方瓦斯压力与应力耦合分布研究方面存在缺陷，采用实验室实验、数值模拟、现场测试与理论分析等方法开展研究，取得了如下成果：.1）进行了不同含水率型煤试样在不同围压下的单三轴全应力—应变试验，得到了不同水分、不同围压条件下型煤抗压强度特征，分析了围压与弹性模量、峰值应变呈指数、泊松比的关系，解释了液桥力及颗粒与颗粒之间作用力对含水煤受载过程中应力变化作用。2）进行了不同注水压力、不同吸附平衡压力、不同注入溶液、不同变质程度煤样的累计解吸量、解吸速度等瓦斯解吸特性实验研究，分析了压力液对含瓦斯煤孔隙微观结构与瓦斯解吸特性影响机理。3）进行了不同变质程度煤样在注水压力、注水介质和吸附平衡压力变化条件下的注水驱替瓦斯试验，分析了不同条件下注水驱替瓦斯过程、驱替瓦斯量及驱替机理；基于分形理论，建立了厚煤层注水驱替瓦斯平面径向流渗流方程和薄煤层注水驱替瓦斯平面平行流渗流方程。4）进行了含水率、注水压力、注入溶液变化条件下的三轴应力煤样渗透性实验，分析了条件变化对煤样渗透率影响规律及微观影响机理。5）建立了考虑煤体压缩效应，吸附膨胀变形效应及湿应变的气固液耦合模型，数值模拟分析了注水前后工作面前方应力、瓦斯压力与工作面煤壁距离关系及应力与瓦斯压力耦合分布规律。.项目研究结果为煤层注水防治突出工作提供了理论与技术依据，对规范煤层注水及添加表面活性剂技术，指导煤矿瓦斯突出防治工作、保障安全生产具有重要的意义。