真三轴应力作用下煤体瓦斯渗流试验及数值模拟

摘要

含瓦斯煤层可视为含复杂、不规则裂隙的固流多相介质，在上覆岩层压力、构造应力和瓦斯压力的共同作用下处于稳定平衡状态。在开采活动的影响下，煤层中原有的应力平衡状态被打破，致使煤层受到的应力重新分布，伴随煤体孔隙连通和裂隙扩展，瓦斯赋存状态发生改变。围岩应力重新分布以及煤体中瓦斯压力的变化均会对煤体的力学特性和渗透率造成一定的影响，进而可能会引发煤矿动力灾害。因此，有必要研究应力和瓦斯压力对煤体损伤变形和渗流特性的影响，进一步完善可以确切表达煤体损伤变形特性的气固耦合作用机制，明确煤体中瓦斯的运移特性。
　　首先，为了更真实模拟地下煤岩体所处的三向不等应力状态，研究真三轴气固耦合条件下煤岩力学特性和渗流规律，课题组自主研发了真三轴气固耦合煤体渗流试验系统。该系统主要由真三轴压力室、液压伺服系统、气体渗流系统、检测与控制系统构成，可通过液压伺服系统独立施加三向应力σ1、σ2、σ3，且施加过程互不干扰。解决了真三轴试验条件下试件渗流密封问题，为研究真三轴应力作用下煤体损伤变形及瓦斯渗流特性提供了可靠的试验平台。
　　其次，利用真三轴气固耦合煤体渗流试验装置，进行了常规三轴应力加卸载条件下型煤试件压缩渗流试验，通过分析试验结果应力-应变曲线和渗透率-应变曲线，得到了常规三轴应力作用下长方体型煤试件损伤变形及瓦斯渗流特性，并对比分析圆柱体试件在常规三轴压缩下的损伤变形及瓦斯渗流特性，验证了该系统的可靠性，为研究真三轴应力作用下煤体损伤变形及瓦斯渗流特性提供了可靠的基础支撑。
　　然后，在常规三轴试验基础上改变中主应力，进行真三轴应力作用下煤体压缩渗流试验，分析试件应力-应变曲线和渗透率-应变曲线，得到了中主应力、瓦斯压力、吸附作用以及粒径4种因素对煤体损伤变形及瓦斯渗流特性的影响，为研究真三轴应力作用下煤体损伤变形及瓦斯渗流特性提供了可靠的试验基础。
　　最后，利用PFC3D颗粒流模拟软件，进行了真三轴应力作用下煤体损伤变形及瓦斯渗流演化过程模拟，对煤体损伤变形特征、瓦斯渗流规律及裂隙演化特征进行了分析，并与物理试验结果进行对比，揭示了煤体损伤变形及渗流特性机理。

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摘要

ABSTRACT

Contents

1 绪论

1.1 课题的提出

1.2 国内外研究现状

1.2.1 煤岩三轴渗流试验研究现状

1.2.2 煤岩力学和渗流特性影响因素研究现状

1.2.3 煤岩力学和渗流PFC模拟研究现状

1.3 研究目的和意义

1.4 研究内容和技术路线

1.4.1 主要研究内容

1.4.2 技术路线

2 真三轴气固耦合煤体渗流试验系统平台搭建

2.1 系统功能、组成及技术参数

2.2 真三轴压力室

2.2.1 大主应力(σ1)加卸载系统

2.2.2 中主应力(σ2)加卸载系统

2.2.3 小主应力(σ3)加卸载系统

2.3 液压伺服系统

2.4 气体渗流系统

2.5 监测与控制系统

2.6 本章小结

3 常规三轴应力作用下煤体损伤变形及渗流特性研究

3.1 试件制备

3.1.1 型煤试件成型模具

3.1.2 试验材料

3.1.3 试件制备

3.2 试验方案

3.3 试验步骤

3.4 试验结果及分析

3.4.1 常规三轴加载试验

3.4.2 常规三轴卸载试验

3.5 本章小结

4 真三轴应力作用下煤体损伤变形及渗流特性研究

4.1 中主应力对煤体力学和渗流特性影响

4.1.1 试验方案

4.1.2 试验结果及分析

4.2 瓦斯压力对煤体力学和渗流特性影响

4.2.1 试验方案

4.2.2 试验结果及分析

4.3 吸附作用对煤体力学和渗流特性影响

4.3.1 试验方案

4.3.2 试验结果及分析

4.4 粒径对煤体力学和渗流特性影响

4.4.1 试件制备

4.4.2 试验方案

4.4.3 试验结果及分析

4.5 本章小结

5 真三轴应力作用下煤体损伤变形及渗流数值模拟

5.1 颗粒流数值模拟基本原理

5.1.1 数值模拟黏结模型

5.1.2 伺服机制作用原理

5.1.3 应力-渗流耦合作用机理

5.2 煤体细观力学参数的确定

5.3 真三轴应力条件下煤体损伤变形及渗流模拟

5.3.1 试验方案

5.3.2 颗粒流模型建

5.3.3 加载方式

5.4 模拟结果分析

5.4.1 变形破坏特征

5.4.2 裂隙演化特征

5.5 本章小结

6 结论

6.1 主要结论

6.2 创新点

6.3 展望

参考文献

致 谢

攻读硕士学位期间从事科学研究及发表论文情况