受载含瓦斯煤解吸规律实验研究

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随着矿井开采向深部不断延伸,煤层瓦斯压力和地应力随之逐渐增大,矿井瓦斯灾害尤其是煤与瓦斯突出更加严重。高应力作用条件下,含瓦斯煤解吸规律是防治矿井深部应力主导型煤与瓦斯突出事故的关键理论。本文以含瓦斯原煤为研究对象,依托自行研发的含瓦斯煤热-流-固-力耦合吸附-解吸实验系统,对受载含瓦斯原煤解吸规律进行了实验和理论研究,与非受载含瓦斯煤(原煤和颗粒煤)解吸规律进行了对比分析,并以此为基础阐述了受载含瓦斯煤解吸规律主要控制因素,最后通过建立数学模型对实验过程进行了数值模拟。  通过实验室模拟实验、理论分析和数值模拟,本文取得了以下主要进展:  (1)成功研发受载含瓦斯煤热-流-固-力耦合吸附-解吸实验系统,可实现不同应力组合条件下的含瓦斯煤吸附-解吸模拟实验。  (2)深入分析了影响受载含瓦斯煤解吸规律的敏感性因素。研究表明,解吸时间相同条件下,煤体轴向加载破坏过程中,瓦斯解吸量、解吸速度和煤体孔隙率随轴压的增大是先减小后增大的,呈“V”字型变化,最小出现在屈服强度阶段,最大出现在脆性破坏阶段;煤体瓦斯解吸量和解吸速度随着围压的增大而减小;煤体瓦斯解吸量随着吸附平衡压力的增大呈二次多项式函数关系增加。  (3)非受载颗粒煤、非受载原煤和受载原煤的瓦斯解吸量和瓦斯解吸速度随时间变化均呈乘幂函数关系;非受载颗粒煤瓦斯解吸量和解吸速度都要远大于非受载原煤;非受载原煤瓦斯解吸量和解吸速度小于受载原煤加载破坏阶段,但大于加载过程中的任一阶段;通过对比分析得到,解吸理论基础、应力效应和孔隙率是受载含瓦斯煤解吸规律主要控制因素。  (4)基于双重孔隙介质理论,在同时考虑瓦斯吸附/解吸作用和外部应力影响的情况下,分别建立了受载含瓦斯煤孔隙系统和裂隙系统的孔隙率、渗透率数学模型,依据煤层瓦斯流动理论最终建立受载含瓦斯煤固-气耦合模型,并利用模拟软件COMSOL Multiphysics对实验过程进行数值模拟,模拟结果与实验结果有较好的一致性。
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