含瓦斯煤体宏-细观损伤演化及渗流特性研究

煤矿瓦斯灾害防治是世界各国煤矿生产中面临的重大难题之一。本项目拟将含瓦斯煤体作为研究对象，在改进自行研制的含瓦斯煤岩固-气耦合细观力学实验系统基础之上，借助动态显微观测和声发射监测等手段，进行含瓦斯煤体细观图像处理技术、固-气耦合状态下煤体裂隙定位技术等研究，完善含瓦斯煤岩固-气耦合细观力学实验方法；开展含瓦斯煤体细观力学试验，进行单一裂纹和裂纹群的起裂、发展过程分析；进行含瓦斯煤体在类似条件下的宏观力学试验和宏、细观力学响应的对比分析，揭示含瓦斯煤体损伤演化规律；结合含瓦斯煤体宏观渗流试验，建立基于细观力学理论和均匀化理论的含瓦斯煤体损伤-渗流力学模型。通过本项目研究，可以建立系统的固-气耦合细观力学实验方法，揭示瓦斯作用下煤体宏-细观损伤以及渗流试验规律，将含瓦斯煤体的渗流特性变化规律与宏-细观结构变形破坏规律联系起来，为煤层瓦斯抽采和煤与瓦斯突出防治提供新的理论依据。

随着矿井的深部延伸，瓦斯压力逐渐增大、瓦斯含量增加，地应力增大、煤层渗透率降低，导致开采过程中煤与瓦斯突出危险性更大。本项目针对该问题，从理论分析、实验室模拟以及数值模拟等角度出发，研究了含瓦斯煤体宏-细观损伤演化特征以及渗流特性，为煤层瓦斯抽采和煤与瓦斯突出防治提供新的理论依据。具体研究内容有：1) 在系统地归纳总结了煤体孔隙、裂隙的分类以及形成的原因基础上，借助扫描电子显微镜实验结果，采用分形理论中的盒维数研究了煤体的SEM图像。2) 利用等温吸附试验以及分子模拟研究了含瓦斯煤体的吸附特性。3) 对含瓦斯煤体变形特征的阶段特性进行描述；从能量平衡原理出发，建立含瓦斯煤体吸附膨胀变形理论模型。4) 细观力学加载装置视窗有机玻璃破坏性试验研究结果表明，亚克力挤压型有机玻璃完全能弥补目前装置视窗承压能力差的缺点；以目前含瓦斯煤岩细观力学实验系统为基础，设计了含瓦斯煤岩真三轴细观力学试验系统。5) 利用分形理论对无瓦斯和含瓦斯煤体失稳破坏中的声发射序列关联维数演化特征进行了分析。6) 利用实验室自主研制的煤岩固-气耦合细观力学试验装置和分形理论，研究了含瓦斯煤体破坏过程中裂纹发展演化规律；并利用RFPA模拟了含瓦斯煤体变形破坏过程中裂纹起裂、扩展破坏过程，为研究煤体破坏过程中渗流演化规律奠定基础。7) 利用有限差分法对四川省南部某煤矿的近距离“三软”薄煤层群回采巷道的破坏原因进行了数值模拟分析。8) 以松藻煤电公司渝阳煤矿8#突出煤层原煤试样为研究对象，研究围压、轴向压力及有效应力对原煤试样瓦斯渗流的影响；开展了CH4和CO2试验条件下煤体的全应力-应变试验，并对比分析了煤体破坏过程中CH4和CO2渗流速度演化规律的异同点。9) 基于固气耦合作用的基本理论，推导出孔隙率与渗透率的动态参数模型，并建立了含瓦斯煤体固气耦合模型，并运用有限元方法给出自然卸压条件下的耦合数值解。