真三轴应力条件下含瓦斯煤渗流试验及数值模拟

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煤矿开采过程中,破坏了原有应力场的平衡状态,使得地应力的分布情况更加复杂,同时也打破了煤层中赋存瓦斯的平衡状态。而围岩应力重新分布的过程以及煤体中的瓦斯压力的变化会对煤体力学特性和渗透率造成一定的影响,进而可能会引发煤体突然破坏形成冲击地压,以及煤与瓦斯突出或延期突出等现象,给煤炭的安全开采造成灾害事故。因此有必要研究地应力和瓦斯压力对煤体损伤变形及煤体中瓦斯的渗流特性的影响,进一步构建可以准确描述煤体变形破坏特性的气固耦合作用机制,揭示瓦斯在煤体中的运移特性。  为了能进行真三轴应力条件下的含瓦斯煤体渗流试验,本文首先从试件制备和设备改装等基础工作入手,通过常规三轴试验和三轴卸围压试验对煤与瓦斯突出材料的变形破坏及瓦斯渗流特性进行了研究,选择出了V类突出危险煤层的最优相似材料配比方案;通过自主设计的型煤制备模具减少了传统脱模过程中受力不均匀而导致的型煤试件破裂;对原煤试件数控切割设备进行了改造,减少了加工过程对煤样的损伤,提高了煤样成品率。  自行研制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、监测与控制系统4大部分组成,能够进行多种应力路径下真三轴或准三轴状态下含瓦斯煤的力学及渗流特性研究,为分析三向应力作用下煤体的损伤变形及煤体中瓦斯渗流特性提供了可靠的试验基础。  通过常规三轴试验和卸侧压试验两组试验对该系统的稳定性和可靠性进行了验证,结果表明该试验系统稳定可靠。同时通过分析试验过程中全应力-应变、泊松比-轴向应变、变形模量-轴向应变、渗透率-主应力差-应变等数据关系,得到了常规三轴试验和卸侧压试验中煤体变形破坏规律及渗透率演化规律。  通过真三轴应力条件下的含瓦斯型煤(原煤)渗流试验,得到了中主应力σ2对煤体变形破坏及渗流特性、煤体屈服强度的影响;同时通过对比分析两组试验中ε1、ε2、ε3的变化量、渗透率变化量、屈服应力等参数,得到了原煤和型煤在真三轴应力条件下变形破坏及渗流特性的不同。  将PFC3D模拟得到的结果同物理实验中呈现的应力应变、渗流特性进行对比,验证物理实验结果的准确性;模拟过程可以不考虑设备问题,模拟结果得到了部分物理实验中无法体现的结果;将模拟过程中的裂纹发育结果同物理试验的裂纹相对比,揭示了煤体变形破坏的机理。  上述研究成果对于煤与瓦斯突出灾害的预测与防治均具有一定意义,有助于煤与瓦斯突出机理的探索和发展。
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