受載含瓦斯煤體流-固耦合模型及其應用研究.pdf

1、煤是物理力學性質非常復雜的介質，瓦斯在煤體內(nèi)的流動是流-固耦合作用下的瓦斯運移，煤與瓦斯突出亦是流-固耦合作用下煤體失穩(wěn)破壞的現(xiàn)象，分析煤體變形與瓦斯運移之間的關系、研究耦合運動的基本規(guī)律，探索系統(tǒng)的運動穩(wěn)定性和結構穩(wěn)定性，對于進一步認識受載含瓦斯煤體的突出機理，并正確的采取防治技術路徑具有重要的理論意義和工程實用價值。滲透率作為表征瓦斯在煤體中流動難易程度的指標和受載含瓦斯煤體流-固耦合模型一起構成煤體內(nèi)瓦斯運移規(guī)律研究中最基礎也最重

2、要的內(nèi)容，為此，選擇典型礦井的煤樣作為研究對象，基于滲流力學、彈塑性理論、流體力學及模糊數(shù)學理論等，利用煤巖瓦斯流-固耦合滲流實驗平臺、大型煤巖瓦斯復合動力災害模擬實驗系統(tǒng)對受載煤體內(nèi)的瓦斯運移規(guī)律進行了系統(tǒng)研究，取得了如下成果：
　?。?）利用煤巖瓦斯流-固耦合滲流實驗平臺，研究了圍壓、瓦斯壓力、有效應力及含水率對煤滲透性能的影響，對實驗數(shù)據(jù)回歸分析，得出了有效應力、瓦斯壓力、圍壓及含水率對原煤試樣瓦斯?jié)B透率的影響規(guī)律；從最小二

3、乘法原理出發(fā)，分別得出了各影響因素與滲透率的函數(shù)關系，引入耦合因子的概念，提出了根據(jù)模糊互補判斷矩陣確定耦合因子的方法，建立了煤巖瓦斯?jié)B透率與各個影響因素間的綜合表達式，并將其用于修正瓦斯運移控制方程中的滲透率k。
　　（2）分析了含瓦斯煤巖的孔隙、裂隙結構特性；依據(jù)受力平衡原理和孔隙率的基本定義，在考慮煤巖吸附瓦斯變形和孔隙氣體壓力壓縮煤巖骨架變形的情況下，給出了孔隙率動態(tài)演化方程；基于孔隙率的研究成果，在考慮吸附膨脹應力?p與

4、孔隙壓力對煤巖骨架的壓縮應力?f的基礎上，導出了受載含瓦斯煤體總應力表達式。
　?。?）修正了含瓦斯煤巖流-固耦合本構方程，其中考慮煤巖變形由煤巖骨架吸附瓦斯膨脹引起的應變、游離瓦斯壓縮煤巖骨架引起的應變、外部載荷作用產(chǎn)生的應變所組成；進而基于平衡微分方程、變形協(xié)調方程及物理方程建立了考慮吸附膨脹應力和孔隙瓦斯壓力的以位移表示的含瓦斯煤巖變形場方程；聯(lián)立推導的瓦斯運移控制方程、含瓦斯煤巖變形場方程，以瓦斯壓力和有效應力為傳遞控制參

5、量建立受載含瓦斯煤體流-固耦合模型；并給出了該流-固耦合模型的應力場與滲流場邊界條件。
　?。?）利用大型煤巖瓦斯復合動力災害模擬實驗系統(tǒng)，進行受載含瓦斯煤體內(nèi)瓦斯運移規(guī)律及流-固耦合模型的物理模擬實驗驗證，監(jiān)測突出發(fā)生前大型受載含瓦斯煤體內(nèi)的瓦斯壓力變化規(guī)律；以該物理模擬實驗為背景建立數(shù)值計算模型，將建立的流-固耦合模型嵌入到數(shù)值計算模型，采用COMSOL-Multiphysic多物理場耦合數(shù)值模擬軟件解算監(jiān)測點處的瓦斯壓力變化

6、規(guī)律；從物理實驗與數(shù)值計算兩個方面對所建流-固耦合模型的正確性進行對比分析驗證。
　　（5）以河南能源化工集團某礦的22011工作面為例，在現(xiàn)有水力沖孔防突措施實施之后出現(xiàn)的應力集中、瓦斯校檢指標超限的工程問題，建立了符合該工程實際情況的三維數(shù)值計算模型，將受載含瓦斯煤體流-固耦合模型嵌入到該三維幾何模型中，模擬計算出該礦水力沖孔有效影響半徑與出煤量的定量關系，用此數(shù)值模擬結果指導現(xiàn)場水力沖孔布孔方案的優(yōu)化設計，驗證了基于該數(shù)值模