煤层中瓦斯运移过程是一种涉及到瓦斯吸附解吸、煤体渗透率演化等因素的复杂的多物理场相互耦合过程,研究这个过程,对于理解现场环境中瓦斯快速释放规律,以及改进煤层瓦斯抽采手段具有重要的意义。与地面煤层气开采不同,井下的采掘作业破坏了原有的瓦斯赋存环境,改变了含瓦斯煤体受力状态。对于特定区域的煤体,这种受力状态的改变主要体现在了两方面:(一)应力集中区的产生:如巷道的掘进造成了掘进工作面前方与两侧产生了应力集中或煤层中施工钻孔使得钻孔周围产生应力集中等。(二)应力变化的时效性:如掘进过程中的应力前移,或者工作面周期来压导致工作面前方煤体应力的变化等。又由于井下煤体普遍处于受压状态中,因此使得我们在研究井下瓦斯运移规律时,需要特别考虑压应力作用下应力的变化对于煤体瓦斯的解吸及渗流特征的影响。瓦斯主要以吸附状态赋存于煤体之中,当压应力作用于煤体时,应力不仅将煤体微孔结构中的游离瓦斯气体压出,同时对煤体吸附界面做功,使得瓦斯分子脱离煤体吸附界面,甚至使得煤体发生破坏。因此,总体上来说,当压应力加载于煤体后,不仅解吸速度增大,某时刻的累积解吸量也会增大。本文以压应力作用下煤粒瓦斯解吸特征为切入点,自行设计了应力加载下煤粒瓦斯的吸附解吸系统,研究了不同吸附平衡压力环境中压应力对不同气体解吸的影响。煤体的渗透率与煤体的裂隙发育有密切关系。当应力作用于煤体时,如果压应力足够大,煤体破裂产生新的裂隙,煤体的渗透率将会产生较大的变化。为研究这个过程,本文通过进行三轴应力下的渗透率实验研究煤体从未受应力至破裂过程中的渗透率演化,并通过声发射监测煤体内部破坏情况。如果压应力较小,煤体不足以产生新的贯穿裂隙时,应力会对煤体的原始节理产生影响,同时改变煤体的吸附解吸能力,导致影响吸附形变,进而致使煤体节理开度发生变化,因而改变煤体的渗流过程。为了描述这个阶段的渗透率,在本文中,作者根据Hol的吸附模型,引入了M吸附修正因子用来表征应力对煤体吸附能力的影响,结合内膨胀因子fa及配分系数fe,建立了应力作用下煤体的各向异性渗透率模型,且对模型进行了验证。最后通过多孔介质力学,建立了含有M及不含M的含瓦斯煤体的流固耦合模型,并对其进行了数值计算。论文的主要研究内容与结论如下:(1)压应力对煤体瓦斯吸附能力影响的机理分析通过热力学理论,分析了压应力对煤体瓦斯吸附能力影响的机理,并引入了M吸附修正因子的概念。分析认为,压应力会使得煤体的吸附界面产生变化,改变煤体吸附界面上瓦斯分子的受力状态,因而使得煤体表面势垒降低,瓦斯分子更易脱离煤体吸附界面,即压应力降低了煤体对瓦斯的吸附能力,促使了瓦斯在煤中的解吸。根据hol的吸附热力学模型,引入了m吸附修正因子的概念,用于计算应力作用后煤体对瓦斯的吸附量。(2)建立了考虑应力对吸附能力影响变化条件下的各向异性渗透率模型通过引入表征裂隙开度的变化量与基质长度量之比的配分系数fe与表征因吸附变形所导致的裂隙开度的变化量与基质长度的变化量之比的内膨胀因子fa,结合m吸附修正因子,建立了考虑吸附能力变化条件下的各向异性渗透率模型。具体研究内容如下:通过参数的敏感性分析发现,将表征应力对煤体吸附能力变化的m吸附修正因子引入常规渗透率模型后,发现在一定的参数范围内,m会对渗透率的计算结果产生明显的影响,从而说明了引入m吸附修正因子的必要性。然后,将m结合内膨胀因子fa及配分系数fe后,建立了考虑吸附能力变化条件下的各向异性渗透率模型。并给出了不同情况下fe的计算方法。然后运用以往的实验数据,对模型进行了验证。(3)设计并搭建了压应力作用下煤粒瓦斯的吸附解吸实验系统根据相关标准,设计并搭建了压应力加载下煤粒瓦斯的吸附解吸实验系统。该实验系统共分为真空脱气系统、煤样储存及应力加载系统、充气吸附系统、气体解吸系统、数据采集系统五大子系统。通过在不锈钢煤样罐中封入千斤顶来实现应力对煤体颗粒的加载。采用o型圈密封形式改进了千斤顶与罐体及法兰与法兰间在高压情况下的密封效果。使用该系统能够进行压应力加载下煤粒瓦斯的吸附量及解吸量的测定工作。(4)压应力加载下不同气体解吸特征的实验研究在不同气体压力环境中,通过对煤粒施加不同的压应力,研究了n2、ch4及co2的解吸特征。具体内容如下:对吸附平衡压力为0.6mpa及1.7mpa的煤粒分别进行0-16mpa间几个应力阶段的加载,测定其解吸曲线。通过langmuir型解吸方程对解吸曲线进行拟合发现,整体上来说langmuir型方程说可以很好的描述压应力作用下煤粒瓦斯的解吸曲线,尤其是放散初期的曲线,在后期的放散过程中,曲线的拟合效果逐渐变差。实验同时发现,压应力对不同气体的解吸过程均有促进作用,随着应力的增大,三种气体的解吸量出现了波动式增大的特征。通过对解吸速度的拟合研究发现,加载压应力后,解吸速度逐渐增大,同时解吸速度的衰减速度也将逐渐增大。另外,如果平衡压力相同,加载应力相同的条件下,三种气体的初始解吸速度co2>ch4>n2。(5)三轴应力作用下煤体渗透率演化规律实验研究通过三轴渗透率测试实验,研究煤体在从未受力至失稳阶段的渗透率演化规律。通过声发射装置监测到的加载过程中的声发射次数及声发射能量研究煤体在加载过程中的破坏情况,并与煤体渗透率的测定结果相结合,研究压应力作用下煤体渗流率的演化特征。实验发现,在应力加载初始阶段,声发射振铃计数很小,随着应力的增加声发射振铃计数开始出现明显增加,当煤体发生破坏后,声发射振铃计数增速减小。应力加载下的声发射能量变化也具有相似的趋势。声发射信号的特征反映了煤体内部的破坏情况,对应煤体渗透率的演化特征。当声发射信号开始密集时,煤体渗透率也开始升高。在全应力应变过程中,煤样渗透率出现了先降低,然后下降趋势变缓再升高的特征。单轴应变量与渗透率的关系近似“U”型曲线。(6)含瓦斯煤体流固耦合模型的建立及数值计算在建立的考虑吸附能力变化条件下的各向异性渗透率模型的基础上结合多孔介质弹性力学、Darcy定律及质量守恒定律,建立了考虑吸附修正因子M与不考虑M的含瓦斯煤体流固耦合模型,并通过COMSOL Multiphysics软件,对流固耦合模型进行了数值解算,然后评估了Langmuir体积形变及内膨胀因子对渗透率的影响。(7)应力对瓦斯解吸及渗流的控制机理现场验证通过结合井下现场应力扰动(工作面推进速度、工作面来压、掘进工作面放炮)与瓦斯涌出量变化情况,分析井下动力扰动与瓦斯涌出量变化之间的对应关系,验证压应力作用下应力对瓦斯解吸及渗流的控制机理。工作面推进速度、工作面来压、掘进工作面放炮都对工作面周围的应力分布造成了影响,而且通过对瓦斯涌出量监测发现,在应力扰动造成工作面周围的应力改变时,瓦斯涌出量也发生了改变,这种应力变化与瓦斯涌出量之间的良好对应关系说明,工作面推进速度、工作面来压、掘进工作面放炮通过改变含瓦斯煤体的受力情况影响瓦斯的解吸和渗流,进而控制了工作面瓦斯的涌出量。通过现场监测数据,压应力作用下应力对瓦斯解吸及渗流的控制机理得到了很好的验证。