破碎煤体蠕变渗流特性研究

• 作 者: 张敏超
• 出 处: 中国矿业大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 破碎煤体 饱和 蠕变 渗流 流固耦合

综合机械化放顶煤开采在采空区遗留一定的煤炭资源,采空区遗留的破碎煤体孔隙和裂隙发育情况对于地下水的流动性具有重要的影响。因此,研究破碎煤体蠕变渗流耦合特性对于回采工作面安全高效回采具有重要的意义。破碎煤体压缩蠕变的过程中,应变、孔隙率、渗透率、非Darcy因子等参量都具有典型的时变特性。本文综合运用数值模拟、室内试验以及理论分析相结合的方法,对破碎煤体蠕变渗流特征进行了系统的研究,取得了以下主要研究成果。(1)开展了饱和破碎煤体压缩蠕变试验,得到了不同轴向压应力(4 MPa、8 MPa、12 MPa)下破碎煤体的应变、孔隙率随时间的变化规律,分析了粒径尺寸和泰伯系数的影响。基于应变-时间变化曲线,结合Kelvin-Volgt模型分析了相关系数;基于孔隙率-时间变化曲线,结合衰减指数模型分析了变形特征。对压缩蠕变后的试样进行筛分,得到破碎煤体粒径变化规律及破坏形态。(2)设计了破碎煤体蠕变渗流试验装置,研究了蠕变条件下,单一粒径和连续级配破碎煤体的渗透率、非Darcy因子分别随时间和轴压的变化规律及水力梯度与流速的非线性关系,结合已有理论公式分析孔隙率对渗透率和非Darcy因子的影响。(3)建立蠕变渗流数值计算模型,并将拟合蠕变方程植入计算模型。以孔隙水压力作为耦合项,实现渗流模块与固体力学模块的耦合。分析了破碎煤体试样在轴向压力和渗透压长时间作用下,试样的应力应变及渗透特性等参数的分布特征及其随时间的变化。(4)在物理试验和数值模拟的基础上,结合蠕变本构原理与流固耦合动力学理论,建立蠕变渗流耦合模型,探究了破碎煤体固体基质孔隙率随时间和渗透压的关系,得到了破碎煤体在蠕变稳定状态时的渗流系统平衡态方程。结合数值模拟计算结果,验证理论模型的有效性。该论文有图59幅,表8个,参考文献104篇。