高瓦斯低透氣煤層煤巖災變的多場多尺度耦合機理-西安科技大學

1、高瓦斯低透氣煤層煤巖災變的多場多尺度耦合機理一、項目基本情況項目名稱：高瓦斯低透氣煤層煤巖災變的多場多尺度耦合機理主要完成人：張?zhí)燔?潘紅宇 徐剛 宋爽 張磊完成單位：西安科技大學二、項目簡介：本項目針對我國高瓦斯低透氣性煤層瓦斯事故頻發(fā)的總體背景，以煤層采掘過程中煤巖災變的多場多尺度耦合機理為研究主線， 綜合運用采礦學、礦山壓力與巖層控制學、 礦山工程力學、損傷斷裂力學、滲流力學、 彈性力學、多尺度力學等理論，采用室內(nèi)試驗、數(shù)值編程計算及現(xiàn)場監(jiān)測分析相結(jié)合的方法， 開展了大量的研究工作， 其主要研究內(nèi)容包括以下幾點：（1）高瓦斯低透煤層煤巖樣力學性質(zhì)及其對瓦斯吸附 / 解吸試驗研究完善自主研

2、發(fā)的瓦斯吸附 / 解吸激振及測試系統(tǒng)，研究溫度、瓦斯壓力及激振動態(tài)載荷力對煤吸附 / 解吸瓦斯的影響。通過室內(nèi)試驗建立煤樣的吸附 / 解吸特性（ Langmiur 體積常數(shù)、 Langmiur 壓力常數(shù)）、擴散特性（擴散系數(shù)）、對流特性（傳熱系數(shù)）和滲透特性（滲透率、非 Darcy 流因子、加速度系數(shù)）與煤樣應變之間的關(guān)系。為煤層及其圍巖變形 - 瓦斯運移耦合的動力學響應計算提供必要的參數(shù)。（ 2）高瓦斯低滲透性煤層煤巖破壞多尺度耦合模型研究通過現(xiàn)場取樣， 對煤巖試樣進行電鏡掃描、 載荷作用下高分辨率工業(yè) CT掃描和現(xiàn)場觀測， 獲得煤巖體微觀結(jié)構(gòu)、 細觀損傷及宏觀裂隙在應力場中的發(fā)展和分布規(guī)律

3、。采用多尺度力學方法， 建立高瓦斯低透氣煤層煤巖的三維微單元強度分布模型及其受力的鄰近單元加權(quán)分擔模型。（ 3）多場耦合下礦壓顯現(xiàn)信息與瓦斯涌出量的異常變化關(guān)系研究通過現(xiàn)場觀測，分析礦壓、瓦斯涌出量的影響因素，掌握礦壓顯現(xiàn)和瓦斯涌出量異常變化規(guī)律。 以礦井中含瓦斯煤巖體構(gòu)成的大系統(tǒng)作為研究對象，分析應力場- 裂隙場 - 瓦斯場共同作用下，圍巖變形、瓦斯吸附 / 解吸、擴散和滲流等多種運動之間的耦合作用，建立具有復雜系統(tǒng)特征的瓦斯運移耦合動力學模型。運用快速 Lagrange分析法編制其動力學響應計算程序，并進行實例計算和分析。（ 4）高瓦斯低透煤層煤巖災變的多場多尺度耦合模型研究綜合以上三點研

4、究結(jié)果，在多孔介質(zhì)有效應力原理基礎(chǔ)上，研究因大量微損傷的積累并通過跨尺度的非線性串級發(fā)展而誘發(fā)的煤巖宏觀災變，給出煤巖宏觀破壞的概率函數(shù)和跨尺度敏感性函數(shù)， 研究采掘過程中，含瓦斯煤巖在應力場 - 裂隙場 - 瓦斯場的綜合作用下， 溫度、瓦斯壓力及孔隙率等因素對煤巖宏觀破壞概率和跨尺度敏感性的影響。本項目研究的對象賦存環(huán)境復雜，圍巖介質(zhì)運動形式多，耦合關(guān)系復雜，計算動力學響應的難度大， 所建立的動力學模型更接近實際。本項目的創(chuàng)新點體現(xiàn)在以下幾方面：（ 1）利用自主研發(fā)的激振及測試系統(tǒng)獲得低頻動態(tài)載荷與瓦斯吸附量間的定量關(guān)系。完善自主研發(fā)的瓦斯吸附 / 解吸激振及測試系統(tǒng)裝置，針對高瓦斯低透氣煤

5、層煤樣進行動態(tài)吸附 / 解吸試驗，定量獲得溫度、瓦斯壓力及低頻激振動載對煤吸附 / 解吸瓦斯的影響規(guī)律。（ 2）煤層及其圍巖變形 - 瓦斯運移耦合的動力學響應計算程序目前， Lagrange快速分析多用于圍巖體穩(wěn)定性方面的計算，即利用Gauss公式由節(jié)點速度計算單元應變率，利用本構(gòu)關(guān)系由單元應變計算單元應力，再由動量守恒關(guān)系計算節(jié)點的加速度、速度和位移。（ 3）高瓦斯低透氣煤巖多場多尺度耦合模型的建立及其災變機理分析將應力場 - 裂隙場 - 瓦斯場耦合下煤層及其圍巖變形 - 瓦斯運移耦合動力學模型所獲得的動力響應結(jié)果引入所建立的煤巖破壞的多尺度耦合模型，分別考慮溫度、瓦斯壓力及孔隙率等因素影響

6、下煤巖破壞失穩(wěn)機理并給出其宏觀破壞概率函數(shù)和跨尺度敏感性函數(shù)， 揭示多場多尺度耦合下高瓦斯低透氣煤層煤巖體災變機理。通過多場耦合下礦壓顯現(xiàn)與瓦斯涌出量的異常變化進行分析瓦斯涌出特征和瓦斯運移規(guī)律， 建立具有復雜系統(tǒng)特征的瓦斯運移耦合動力學模型，為工作面的安全生產(chǎn)的正常運行提供了科學依據(jù)。三、主要論文專著目錄（限20 條）知識產(chǎn)序論文專著名稱號Research on Creep Model and1 Delay Instability of Coal-Rock Containing Gas2 煤層水力壓裂增透范圍理論分析與試驗研究3 Winkler 地基上復合關(guān)鍵層模型及其力學特性Constru

7、ction and application4 of permeability evolution equation under mining.爆破震動中薩道夫斯基拓展5式的回歸分析6 破碎泥巖滲透特性試驗研究7 低透氣性煤層深孔預裂爆破增透數(shù)值模擬研究刊名作者潘紅宇，張濤Disaster Advances偉，李樹剛，張?zhí)燔姷让禾抗こ绦靹?，馬瑞峰等中南大學學報 (自潘紅宇，李樹然科學版 )剛等Energy Education徐剛，李樹剛，Science and馬瑞峰Technology PartA: Energy Science張?zhí)燔?,馬銳 ,湖南科技大學學報 (自然科學版 )喬寶明 ,康橋河

8、南理工大學學張?zhí)燔?，任金報虎等西安科技大學學張?zhí)燔?，王寧，報李樹剛，徐剛影響因?.6920.6021.0980.7550.6701.022年卷頁碼（ xx年 xx 卷 xx頁）2013 年6 卷 273-2772014 年41 卷 88-952012 年 43 卷4050-40562014 年 32 卷2723-27322012 年 27 卷12-162014 年 33 卷426-4312013 年 33 卷1-6發(fā)表時通訊作第一作者間者2013.3潘紅宇潘紅宇2014.06徐剛徐剛2012.1潘紅宇潘紅宇2014.4徐剛徐剛2012.3張?zhí)燔姀執(zhí)燔?014.8任金虎張?zhí)燔?013.1張?zhí)燔?/p>

9、張?zhí)燔妵鴥?nèi)作者潘紅宇，張濤偉，李樹剛，張?zhí)燔姷刃靹?，馬瑞峰等潘紅宇，李樹剛等徐剛，李樹剛，馬瑞峰張?zhí)燔?,馬銳 ,喬寶明 ,康橋張?zhí)燔?，任金虎等張?zhí)燔姡鯇?，李樹剛，徐剛?quán)是否歸國內(nèi)所有是是是是是是是8瓦斯抽采鉆孔 CF 固化膨脹封孔材料性能研究煤礦安全張?zhí)燔?，包若羽，李樹剛?.5022016 年 47 卷5-132016.2張?zhí)燔姀執(zhí)燔姀執(zhí)燔姡粲?，李樹剛等是巷道與鉆孔交叉三維數(shù)值建9模方法西安科技大學學張?zhí)燔?，張磊，報張超?.0222015 年 35 卷688-6942015.11張?zhí)燔姀執(zhí)燔姀執(zhí)燔?，張磊，張超等是沁水盆地煤層氣富集單元?0分采動影響下卸壓瓦斯?jié)B流規(guī)11律物理相似模

10、擬實驗研究12 順煤層剪切帶煤與瓦斯突出機理分析含瓦斯煤體內(nèi)多場耦合及損13傷斷裂機理混合破碎巖樣滲透特性試驗14研究15 不同采高上保護層開采卸壓效應的 UDEC 數(shù)值模擬研究16 多種礦物成分破碎巖石滲透試驗工作面煤與瓦斯突出預警系17統(tǒng)設(shè)計及應用高瓦斯綜放工作面采空區(qū)瓦18斯涌出規(guī)律高瓦斯綜采工作面瓦斯治理19技術(shù)研究高河礦地面水力壓裂裂縫監(jiān)20測及其識別方法徐剛，李樹剛，煤田與地質(zhì)勘探丁洋潘紅宇，肖鵬，煤炭工程李樹剛等徐剛，李樹剛，煤田與地質(zhì)勘探馬瑞峰湖南科技大學學張?zhí)燔?，崔巍，?(自然科學版 )馬銳湖南科技大學學張?zhí)燔?，任金?(自然科學版 )虎等湖南科技大學學潘紅宇，索亮，報 (

11、自然科學版 )李樹剛等遼寧工程技術(shù)大張?zhí)燔?，任金學學報虎等張?zhí)燔姡嗡?，煤炭技術(shù)楊守國，張磊等張?zhí)燔?，李偉，科技導報宋爽等張?zhí)燔?，宋爽，煤炭技術(shù)楊守國等張?zhí)燔?，宋爽，煤炭技術(shù)劉超等1.1172013 年 41 卷22-260.6022013 年 2期87-901.1172014年 42 卷16-200.7552013 年 28 卷1-50.7552014 年 29 卷1-50.7552013 年 28 卷6-110.7452014 年 33 卷465-4690.2142015 年 34 卷125-1270.6892013 年 33 卷58-620.2142014 年 33 卷14-160.21

12、42015 年 34 卷185-1872013.12徐剛徐剛2013.2潘紅宇潘紅宇2014.8徐剛徐剛2013.3張?zhí)燔姀執(zhí)燔?014.9任金虎張?zhí)燔?013.9潘紅宇潘紅宇2014.4任金虎張?zhí)燔?015.10宋爽張?zhí)燔?015.03張?zhí)燔姀執(zhí)燔?014.3宋爽張?zhí)燔?015.4宋爽張?zhí)燔娦靹偅顦鋭?，丁洋潘紅宇，肖鵬，李樹剛等徐剛，李樹剛，馬瑞峰張?zhí)燔?，崔巍，馬銳張?zhí)燔姡谓鸹⒌扰思t宇，索亮，李樹剛等張?zhí)燔?，任金虎等張?zhí)燔?，宋爽，楊守國，張磊等張?zhí)燔姡顐?，宋爽等張?zhí)燔?，宋爽，楊守國等張?zhí)燔姡嗡?，劉超等是是是是是是是是是是是四、主要知識產(chǎn)權(quán)證明目錄（限10 條）序號知識產(chǎn)權(quán)類別知識產(chǎn)權(quán)

13、具體名稱國家授權(quán)號授權(quán)日期證書編權(quán)利人（地區(qū)）號1發(fā)明專利一種煤體滲透特性測中國CN201410150522014/4/151866391西安科技大學試系統(tǒng)及方法0.02發(fā)明專利一種煤與瓦斯突出模中國CN201410150972014/4/151888496西安科技大學擬系統(tǒng)及方法6.7煤礦井下水力壓裂實CN201410150623發(fā)明專利驗實驗室模擬系統(tǒng)及中國2014-04-151963900西安科技大學1.8方法4發(fā)明專利破碎巖石三軸滲流試中國CN201410032062014-01-231934877西安科技大學驗系統(tǒng)及方法1.65發(fā)明專利一種大型巷道支護實中國CN20141048329

14、2014-09-192360197西安科技大學驗室模擬系統(tǒng)及方法1.46實用新型專利一種圍巖支護讓壓錨中國CN201320714002014-04-93510666西安科技大學桿裝置2.8煤與瓦斯突出模擬及CN201420181897實用新型專利煤體滲透特性測試裝中國2014-08-133749277西安科技大學6.3置8實用新型專利承壓可調(diào)的彎曲巖樣中國CN201320632732013/11/123478641西安科技大學滲透性能測試裝置0.49實用新型專利破碎巖石三軸滲流試中國CN201320714002013/11/183511772西安科技大學驗用裝料裝置3.210實用新型專利煤礦深

15、孔爆破用裝藥中國CN201320830342013/12/153579107西安科技大學裝置9.9專利有發(fā)明人效狀態(tài)張?zhí)燔?;任金虎;李樹剛 ;于勝紅; 趙佩佩 ;宋爽;李偉;成 有效小雨; 崔巍;張磊張?zhí)燔?,任金虎,李樹剛 ,于勝紅, 趙佩佩 ,宋爽,李偉,成 有效小雨, 崔巍,張磊張?zhí)燔?;任金虎;李樹剛 ;于勝紅; 趙佩佩 ;宋爽;李偉;成 有效小雨; 崔巍;張磊張?zhí)燔?;任金虎;陳占清 ;于勝紅; 趙佩佩 ;宋爽;李偉;崔 有效巍; 張磊 ; 成小雨張?zhí)燔?;于勝紅;許龍星 ;任金虎; 李偉;宋爽; 張磊;成小雨; 尚宏波;魏文偉 ;王乾;包 有效若羽張?zhí)燔?, 宋爽,劉超,李偉,任

16、金虎, 于勝紅 ,崔巍,王寧,張有效磊張?zhí)燔?,任金虎,趙佩佩 ,于勝紅, 宋爽, 李偉,成小雨 , 有效崔巍, 張磊張?zhí)燔?,任金虎,陳占清 ,于勝紅, 成小雨 ,崔巍,李偉,宋 有效爽, 張磊張?zhí)燔?,任金虎,陳占清 ,于有效勝紅, 宋爽,李偉, 崔巍,張磊張?zhí)燔?, 宋爽,劉超,楊守國 ,王寧, 任金虎 ,李偉,成小雨 , 有效于勝紅 , 崔巍,張磊五、推廣應用情況（技術(shù)發(fā)明、技術(shù)開發(fā)、技術(shù)推廣、社會公益類項目）（限 1500 字）六、科學意義和價值（基礎(chǔ)研究類項目）我國煤礦地質(zhì)構(gòu)造及煤層賦存條件比較復雜，現(xiàn)開采的礦井， 40%以上是高瓦斯或煤與瓦斯突出礦井，礦井的開采深度平均已達 45

17、6m，最深達到 1365m。雖然煤礦安全規(guī)程對煤礦生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)做出了具體規(guī)定，煤礦的技術(shù)裝備、監(jiān)測手段也不斷得到改善，但礦生產(chǎn)事故仍時有發(fā)生，特別是高瓦斯低透氣煤層采掘工程，由于煤巖體動力失穩(wěn)引起的巖爆、煤爆、煤與瓦斯突出等事故造成的生命和財產(chǎn)損失非常嚴重。目前，國內(nèi)外關(guān)于巖爆、煤爆、煤與瓦斯突出的認識大都依據(jù)經(jīng)典的剛度理論、能量及沖擊傾向性理論和彈塑性失穩(wěn)理論等，對于上述災害的預測多采用經(jīng)驗類比分析、地音監(jiān)測和鉆屑法測量等手段。這些理論和方法在煤礦動力災害防治中得到了較好的應用，但對于高瓦斯低透氣煤層在采掘過程中的各種動力災變現(xiàn)象尚不能給出完好的解釋和預測。 高瓦斯低透氣煤層煤巖樣力學性質(zhì)及

18、其對瓦斯吸附/ 解吸實驗研究有待深入研究。高瓦斯低透煤層處在多場復雜環(huán)境中，隨著空間覆巖結(jié)構(gòu)的強度劣化與平衡失效，其煤巖體中采動應力場和裂隙場的分布形態(tài)也發(fā)生變化與遷移，瓦斯應力場也會隨之變化，這三者是相互影響、制約的一個動態(tài)關(guān)系，其結(jié)果將引起煤層孔隙裂隙結(jié)構(gòu)、吸附/ 解吸特性、擴散特性、對流特性和滲透特性的變化，甚至導致煤巖力學性質(zhì)發(fā)生質(zhì)變。反之，將進一步誘發(fā)局部化變形至災的可能性。只有深入地、多層次、全方位地摸清高瓦斯低透煤層煤巖樣的力學特性與瓦斯吸附/ 解吸特性，使之達到由量變升華為質(zhì)變，才能降低與實際誤差，為煤層及其圍巖變形- 瓦斯運移耦合動力學響應提供可靠、真實的參數(shù)支持。 高瓦斯低

19、透氣煤層煤巖破壞多尺度耦合模型研究尚缺聯(lián)系性與結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡的細觀辨識性。礦山圍巖體的孕育、形成、發(fā)展至災的非線性動力學過程經(jīng)歷了由微、細結(jié)構(gòu)（正如煤體結(jié)構(gòu)的破壞或斷裂是一個從原子鍵尺度到宏觀尺度跨越約107量級尺度的過程）到宏觀結(jié)構(gòu)破壞的復雜歷程，其形態(tài)看不見摸不著，而高瓦斯低透氣煤層煤巖的多條件制約性又增加了采掘煤巖動力失穩(wěn)的不確定性與隨機性。所以，微觀與宏觀試驗及理論模型的耦合關(guān)系就成為本項目研究的重點之一。目前，對于多尺度耦合研究大多集中在采空區(qū)或巷道頂板關(guān)鍵層及深淺位覆巖變形層面上，或者是針對不同尺寸（度）煤巖的應力- 應變及力學性質(zhì)方面的室內(nèi)試驗與相似模擬試驗所展開的研究，這都取得了一些

20、實質(zhì)性進展。高瓦斯低透氣煤層采掘過程中，原巖應力場和原始瓦斯壓力場的平衡被打破，煤巖應力重新分布，形成了采掘空間周圍裂隙場，瓦斯發(fā)生動力運移，使得采掘空間周圍煤巖體處于多場共存的環(huán)境中。煤層及其圍巖的損傷、變形、破壞、失穩(wěn)所引起煤層孔隙裂隙結(jié)構(gòu)、吸附/ 解吸特性、擴散特性、對流特性和滲透特性的變化，會影響瓦斯吸附/ 解吸速度、擴散速度、熱流密度、滲流速度和瓦斯涌出量變化。反過來，瓦斯含量、壓力的變化也會引起煤層及其圍巖的進一步變形和應力場演化。這種相互影響關(guān)系貫穿在煤巖體從微觀結(jié)構(gòu)變化到細觀損傷裂隙的產(chǎn)生，直至發(fā)生宏觀破壞的過程中，而煤巖體宏觀破壞反過來又會影響其裂隙發(fā)展及微結(jié)構(gòu)變化，進而影響

21、煤巖物理力學性質(zhì)的變化。可見，高瓦斯低透氣煤巖中所發(fā)生的巖爆、煤爆及煤與瓦斯突出等動力失穩(wěn)是典型的多場多尺度耦合現(xiàn)象。多場多尺度耦合是非線性現(xiàn)象的一個重要特征，它包括不同尺度上物理過程的耦合和跨越多個尺度物理性質(zhì)的關(guān)聯(lián)。作為一種非連續(xù)介質(zhì)，含瓦斯煤巖是一種含有極其復雜和不規(guī)則原生孔隙和次生裂隙的固流兩相介質(zhì)，煤巖的動力破壞現(xiàn)象是因大量微損傷的積累并通過跨尺度的非線性串級發(fā)展而誘發(fā)宏觀災變，并表現(xiàn)為短時間內(nèi)外部條件微小改變引起系統(tǒng)狀態(tài)劇烈變化，對于這些非線性不連續(xù)現(xiàn)象，利用多尺度耦合方法可以得到更切合實際的結(jié)果。七、客觀評價、知情同意證明等八、主要完成人情況1. 主要完成人情況表（不超過 11人

22、）序號行政職技術(shù)職主要學術(shù)和技術(shù)創(chuàng)造性貢獻姓名工作單位務務在多孔介質(zhì)有效應力原理基礎(chǔ)上，研究因大量微損傷的積累并通過跨尺度的非線性串級發(fā)展而誘發(fā)的煤巖宏觀災變，給出煤1張?zhí)燔娢靼部萍即髮W巖宏觀破壞的概率函數(shù)和跨尺度敏感性函數(shù)，研究采掘過程中， 含瓦斯煤巖在應力場- 裂隙場 - 瓦斯場的綜合作用下， 溫度、瓦斯壓力及孔隙率等因素對煤巖宏觀破壞概率和跨尺度敏感性的影響。研究含瓦斯煤巖體的蠕變本構(gòu)關(guān)系，對其延遲失穩(wěn)機理進行了分析。結(jié)合非線性時效參數(shù)蠕變模型， 考慮瓦斯流動因素和瓦斯壓力帶來的損傷，提出了含瓦斯煤巖體的TPM 模型；采用最小勢能原理分析了掘進面煤巖體的延遲失穩(wěn)過程。 實驗測定了吸附2潘

23、紅宇西安科技大學時間、粒徑、水分對瓦斯放散初速度的影響，并運用菲克定律進行了分析；結(jié)合含瓦斯煤耦合溫度場方程、應力場方程及滲流場方程，建立煤層瓦斯?jié)B流熱 -固 -氣耦合數(shù)學模型。對主要創(chuàng)新點的工作均作出了創(chuàng)造性貢獻。完成人在項目技術(shù)研發(fā)工作中投入的工作量占本人總工作量的 70%以上。將應力場 - 裂隙場 - 瓦斯場多場耦合下煤層及其圍巖變形 - 瓦斯運移耦合動力學模3徐剛西安科技大學型所獲得的動力響應結(jié)果引入所建立的煤巖破壞的多尺度耦合模型， 從而建立高瓦斯低透氣煤層煤巖災變的多場多尺度耦合模型。分析應力場 - 裂隙場 - 瓦斯場共同作用下，煤層、圍巖變形、瓦斯吸附/解吸、擴4宋爽西安科技大學

24、散和滲流等多種運動之間的耦合作用，建立具有復雜系統(tǒng)特征的瓦斯運移耦合動力學模型。開展高瓦斯低透氣煤層煤巖試樣的力5張磊西安科技大學學性質(zhì)測試及瓦斯吸附 / 解吸試驗等各項參數(shù)以及溫度、 瓦斯壓力及激振動態(tài)載荷對煤吸附 / 解吸瓦斯的影響規(guī)律。2. 完成人合作關(guān)系情況序號合作方式合作者/項合作起始合作完合作成果目排名時間成時間不同孔隙度中心受壓圓形1科學研究潘紅宇 /42014.12016.4薄板試樣滲透特性試驗研究2科學研究徐剛 /22013.12016.4煤巷綜掘面瓦斯流場數(shù)值模擬及瓦斯涌出構(gòu)成分析3科學研究宋爽 /22012.92015.9工作面煤與瓦斯突出預警系統(tǒng)設(shè)計及應用4科學研究張磊 /22014.112016.4巷道與鉆孔交叉三維數(shù)值建模方法采動煤巖體變形與瓦斯?jié)B5科學研究徐剛 /32013.11 2014.11流的耦合機理及大直徑