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《西安科技大学》 2015年
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低频机械振动含瓦斯煤耦合场渗流特性研究

赵勇  
【摘要】:掘进过程中煤体瓦斯渗流受到机械掘进、钻探等动态低频机械振动载荷影响,研究低频机械振动影响煤体瓦斯渗流特性,对于认识掘进煤体瓦斯运移,煤与瓦斯突出机理等都具有重要意义。为研究低频机械振动载荷对煤体瓦斯渗流的影响,本文对低频机械振动作用下煤体孔隙率、应力-应变、瓦斯含量、渗透率进行理论分析,建立了低频机械振动含瓦斯煤体应力-渗流耦合数学模型,并以山西某突出矿井的四采区405掘进工作面为工程背景,分析数学模型嵌入Comsol软件所建立的数值模型中各个参量变化。首先,理论分析低频机械振动影响煤体骨架应变及体积压缩变化,得到振动煤体骨架应变表达式、振动频率、振动时间与煤体体积关系表达式,建立振动含瓦斯煤体孔隙率变化方程并进行试验检验。在此基础上,分析煤体内部骨架有效应力,得到振动煤体有效应力关系表达式,利用应力-应变本构关系,建立振动含瓦斯煤体体积应变方程,并借助试验检验其规律性。其次,通过振动不同形态煤体吸附试验,分析振动对煤体吸附性能的影响。通过松散煤样吸附试验,分析未吸附饱和煤体内压突然增加后振动吸附特性,得出试验致因是振动使松散煤样内部反复摩擦,加剧气体分子热运动,摩擦面形成短暂的负电荷层,提高了煤体表面势能,同时振动不断撕裂包围煤基质的瓦斯气膜。以振动含瓦斯煤体孔隙率方程为基础,分析煤体游离态瓦斯特性,得到煤体游离态瓦斯含量表达式,建立煤体振动动态瓦斯含量方程,并利用振动吸附饱和原煤试件试验检验方程。通过试验检验煤体孔隙率方程、体积应变方程及瓦斯含量方程,均发现方程得出的计算值与实测值存在一定偏差,但计算值能较好体现出低频机械振动影响煤体孔隙、煤与瓦斯系统整体体积应变及瓦斯含量的变化规律。再次,以振动煤体骨架应变为基础,针对地球物理场中振动影响煤体应变变化特性,利用煤体应变表达式、煤体有效应力平衡关系,建立低频机械振动含瓦斯煤体应力-渗流耦合场应力控制方程;以Kozeny-Carman提出的渗透率表达式为基础,分析孔隙压缩、吸附膨胀及振动挤压对煤体应变的影响,建立低频机械振动作用下含瓦斯煤体渗透率表达式。应用渗透率表达式及瓦斯含量方程,依据渗流过程瓦斯质量守恒,得到低频机械振动含瓦斯煤体应力-渗流耦合场渗流控制方程。从而建立低频机械振动含瓦斯煤体应力-渗流耦合数学模型。采用间接测压法,通过山西某突出矿井的四采区405掘进工作面打钻振动实测试验得出的煤层瓦斯压力值与建模计算值对比,发现计算数值能较好的反应低频振动对煤体瓦斯压力的影响规律。最后,以山西某突出矿井的四采区405掘进工作面为工程背景,将数学模型嵌入Comsol软件进行数值模拟,并研究数值计算得出的各物理量变化规律。分析煤层瓦斯压力及游离瓦斯含量,发现振动频率越大,煤体内游离瓦斯含量越大,瓦斯压力越大,压力峰值及游离瓦斯增大的区域越接近工作面,越易突出。振动频率相同,煤体内游离瓦斯随时间增加逐渐增加,瓦斯压力变大,影响区域增多;分析模型中煤体体积应变、孔隙率、渗透率变化,发现振动频率越大,越靠近掘进面煤体体积应变、孔隙率、渗透率减小梯度越大,煤体压缩量越大,孔隙越闭合,孔隙率越小,渗透率越低,形成瓦斯压力集中区。振动频率相同,振动时间增加,煤体体积逐渐收缩变小、孔隙减少、渗透性减弱,越靠近掘进面,煤体体积应变、孔隙率、渗透率变化越明显。总之,通过系统分析低频机械振动含瓦斯煤体应力-渗流耦合场瓦斯渗流状况,得到的低频机械振动影响煤体孔隙率、体积应变、游离态瓦斯含量、瓦斯压力、渗透率变化规律,清晰呈现出煤巷掘进过程中瓦斯运移规律及煤体各物理量变化规律,对于防治掘进过程中出现的打钻喷孔、煤与瓦斯突出现象,以及认识煤与瓦斯突出机理,改善高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井的安全状况具有重要工程意义。
【学位授予单位】:西安科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TD712

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