流固耦合作用下煤岩渗流演化与润湿分布规律研究

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煤层注水作为冲击地压、瓦斯防治、粉尘治理的综合性预防技术,应用在深部煤炭资源开采灾害防治工作时面临着高地应力、裂隙闭合不发育、低孔隙率难渗透、高瓦斯压力等新环境,导致传统注水理论与技术工艺指导深部煤层注水工作时出现注水压力增加,注水流量降低,湿润效果欠佳等问题,严重制约、影响了煤层注水的防灾减灾效果。本文针对综采工作面煤层注水粉尘治理、防冲卸压等重要参数确定,围绕注水钻孔及采动应力引发的非均布荷载作用下的煤体注水流固耦合与润湿抑尘技术理论,综合运用理论分析、实验室研究、计算机数值模拟及现场工程实践相结合的方法,对流固耦合作用下煤岩渗流演化与润湿分布规律进行研究。基于达西定律、状态方程及连续性方程等渗流基础理论推导基本微分方程并求解,获得了钻孔注水围岩渗透压力分布的理论解。即在煤层物理力学参数一定情况下,确定了注水压力、注水时间与破坏范围、润湿半径间的关系。进行了原始地应力与钻孔引起应力的重新分布应力的解析解求解,在此基础上求解了钻孔注水流固耦合作用下基于Coulomb强度准则下的破坏半径的理论解,并采用FORTRAN自编程程序进行了算例验证。利用岩石多场耦合渗流与增透实验系统对煤岩试件开展了三轴压缩与渗流试验,揭示了原煤与型煤试件的全应力应变渗流特征。基于声波测试方法进行了煤层注水润湿影响因素及分布规律分析。针对型煤的渗透特性、力学特性进行了分析,在采集了铺设煤层的力学、渗流基本参数的基础上,依托大尺度煤层注水渗流平台,开展了煤层注水渗流模拟试验。基于电导率与水分变化关系理论,结合单片机和湿度传感器设计了煤粉湿度检测系统,分析了非均布荷载煤层注水润湿分布规律。运用数值模拟软件Fluent对钻孔注水过程中的流体压力场、速度场及水分增量效果进行了数值模拟研究,应用理论推导函数和试验数据构建渗流模型,对比分析了不同孔隙水压下和不同应力下钻孔径向周围煤体内润湿范围以及渗流速度等因素。结合煤矿现场实际和实验数据,通过UDF加载编译煤体在应力场中体积变形的数学模型,以及孔隙率随孔隙水压变化的数学模型,实现了应力-渗流耦合的动态数值模拟。基于付村煤矿综采工作面实际,由渗透压力分布的解析解确定了钻孔注水的重要参数钻孔间距;根据现场及类比法确定了注水钻孔的长度、钻孔倾角及注水方式等。进行钻孔注水量统计分析,考察验证煤层注水润湿半径,测试结果说明理论解析解的正确性。进行了现场粉尘浓度测定,对比可以看出,该注水工艺取得较好的注水防尘效果。本文研究流固耦合作用下煤岩渗流演化与润湿分布规律,相关研究成果对改善煤体渗透性能,增强润湿效果,提高煤层注水抑尘效果具有重要的指导意义。
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