不同开采条件下采动煤岩体瓦斯增透机理研究
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摘要
煤岩体采动力学行为及裂隙扩展导通机理研究是增透煤层气（瓦斯）的理论基础，是煤与瓦斯共采技术支撑的关键所在。本文基于无煤柱、放顶煤与保护层三种不同开采条件，开展采动煤应力场与瓦斯场耦合试验研究，建立考虑裂隙缺陷的煤体计算力学模型，并系统研究了工作面前方煤岩体的采动力学行为、定量描述了采动应力状态及瓦斯渗透率分布特征。引入概率积分法将体积应变与渗透率结合，建立了试验与理论结合的计算模型，实现了保护层开采瓦斯卸压增透量化评价研究。基于相似模拟试验以及采动煤岩体渗透率分布的可视化技术，结合煤气耦合渗流试验，建立了体积应变-渗透率数学关系方程，得到了采场整体的瓦斯增透效果分布图。进一步提出了计算三维空间煤岩体裂纹分形曲线的面积覆盖法与粗糙断面分维计算的体积覆盖法，解决了分维计算中的精度问题，为研究三维裂纹及粗糙断面对渗透率的影响提供了一个新方法。
The mining-incuced mechanical behavior of coal and rock including mechanism on propagationand connectivity of cracks is the theoretical basis of the enhanced coalbed methane recovery, asalso as a key technical support for simultaneous exploitation of coal and gas in deep coal mining.Based on three typical mining layouts including the non-pillar mining, the top-coal caving and theprotective coal mining, the coupling test research between stress and gas permeability have beencarried out. By establishing the optimization of mechanical model considering crack defects, themining-induced mechanical behavior of coal in the front of working face and the quantitativedistribution of the mining state of stress with gas permeability characteristics are obtained. Thequantitative evaluation studies are successfully carried out about the pressure relief-inducedenhancement of permeability under protective coal mining by creatively introducing probabilityintegration method to the relationship between volumetric strain and permeability. Based onpermeability test coupling the stress, the visualization technology is proposed to capturepermeability distribution of whole mining field in the similar simulation experiment，and themathematical equation between volumetric strain and gas permeability is obtained to evaluate theeffect on enhancement. Furthermore, the breakthrough of the new methods including the areacovering method to calculate the fractal dimension of crack curve in the three-dimensional spaceand the volume covering method to calculate to the fractal dimension of rough surface are putforward to solve the problem of accuracy and flexibility in the calculation of the fractal dimension, which could be an effective method to study the fractal influence on permeability ofthree-dimensional cracks and fracture surface in coal.
The mining-incuced mechanical behavior of coal and rock including mechanism on propagationand connectivity of cracks is the theoretical basis of the enhanced coalbed methane recovery, asalso as a key technical support for simultaneous exploitation of coal and gas in deep coal mining.Based on three typical mining layouts including the non-pillar mining, the top-coal caving and theprotective coal mining, the coupling test research between stress and gas permeability have beencarried out. By establishing the optimization of mechanical model considering crack defects, themining-induced mechanical behavior of coal in the front of working face and the quantitativedistribution of the mining state of stress with gas permeability characteristics are obtained. Thequantitative evaluation studies are successfully carried out about the pressure relief-inducedenhancement of permeability under protective coal mining by creatively introducing probabilityintegration method to the relationship between volumetric strain and permeability. Based onpermeability test coupling the stress, the visualization technology is proposed to capturepermeability distribution of whole mining field in the similar simulation experiment，and themathematical equation between volumetric strain and gas permeability is obtained to evaluate theeffect on enhancement. Furthermore, the breakthrough of the new methods including the areacovering method to calculate the fractal dimension of crack curve in the three-dimensional spaceand the volume covering method to calculate to the fractal dimension of rough surface are putforward to solve the problem of accuracy and flexibility in the calculation of the fractal dimension, which could be an effective method to study the fractal influence on permeability ofthree-dimensional cracks and fracture surface in coal.
引文
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