采动煤岩体损伤演化与瓦斯渗流耦合作用分析

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由于钻孔或煤层开挖扰动影响,周围煤岩体经历了从原始未扰动状态到产生损伤、裂隙扩展直至煤体破碎几个阶段,煤体的结构属性、力学行为和渗流特征都发生了本质性变化,煤体不可单纯的看做某一特定介质,其介质属性与煤岩体损伤大小直接相关。本文基于岩体损伤力学、渗流力学等相关理论,针对煤岩体损伤破坏特征,引入了以应变为内变量的损伤变量,推导了相应的弹性损伤本构方程,并基于有效应力原理,推导了气固耦合作用下损伤煤岩体变形控制方程。另根据煤岩体损伤度的大小确定煤体中瓦斯运移的基本形态,即扩散运动、渗流运动、扩散渗流耦合运动,建立了气固耦合作用下损伤煤岩体瓦斯渗流控制方程,定义了与损伤变量相关的气固耦合变量。在此理论基础上,论文推导了可计算煤岩体损伤和瓦斯流动的有限元基本方程,并利用FORTRAN语言完成了相应的损伤煤岩体气固耦合作用分析有限元程序开发。本文利用此程序对三个工程算例进行了数值计算,主要内容及结论如下:(1)对钻孔瓦斯抽放过程进行了数值模拟。计算结果表明:随着瓦斯抽采时间的增加,煤层渗透率逐渐增大,瓦斯逐步向钻孔流出,瓦斯抽采有效半径逐渐增加。(2)利用开发的有限元程序,对单一煤层开采过程进行了分析。结果表明:随工作面从20m推进到100m,工作面前方煤体损伤范围也由4.3m增加到33.5m,损伤区内渗透率最大可增加2-3个量级;随工作面的推进,瓦斯流动影响范围逐渐增大,工作面前方的瓦斯压力及其梯度逐渐减小。(3)利用开发的有限元程序,计算分析了乌兰煤矿双保护层条件下被保护层损伤场及渗流场的分布及演化规律。计算结果表明:保护层开采后,采空区下部岩层出现膨胀裂隙,顶板岩层、被保护层出现张拉裂隙,产生较大损伤,煤岩体渗透率显著增大,被保护层瓦斯卸压效果明显,瓦斯逐步由煤层流进岩层,有利于岩层内对瓦斯进行抽采。总的计算结果表明,本文建立的损伤分区气固耦合理论与实际工程更加相符。
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