高瓦斯低透气煤层煤岩灾变的多场多尺度耦合机理-西安科技大学

1、高瓦斯低透气煤层煤岩灾变的多场多尺度耦合机理一、项目基本情况项目名称：高瓦斯低透气煤层煤岩灾变的多场多尺度耦合机理主要完成人：张天军潘红宇 徐刚 宋爽 张磊完成单位：西安科技大学二、项目简介：本项目针对我国高瓦斯低透气性煤层瓦斯事故频发的总体背景，以煤层采掘过程中煤岩灾变的多场多尺度耦合机理为研究主线， 综合运用采矿学、 矿山压力与岩层控制学、 矿山工程力学、 损伤断裂力学、渗流力学、 弹性力学、多尺度力学等理论，采用室内试验、数值编程计算及现场监测分析相结合的方法， 开展了大量的研究工作， 其主要研究内容包括以下几点：（ 1 ）高瓦斯低透煤层煤岩样力学性质及其对瓦斯吸附 / 解吸试验研究完善

2、自主研发的瓦斯吸附 / 解吸激振及测试系统，研究温度、瓦斯压力及激振动态载荷力对煤吸附 / 解吸瓦斯的影响。通过室内试验建立煤样的吸附/解吸特性（Langmiur体积常数、 Langmiur压力常数）、扩散特性（扩散系数）、对流特性（传热系数） 和渗透特性（渗透率、非Darcy流B因子、加速度系数）与煤样应变 之间的关系。为煤层及其围岩变形 - 瓦斯运移耦合的动力学响应计算提供必要的参数。（ 2 ）高瓦斯低渗透性煤层煤岩破坏多尺度耦合模型研究通过现场取样， 对煤岩试样进行电镜扫描、 载荷作用下高分辨率工业CT3描和现场观测，获得煤岩体微观结构、细观损伤及宏观裂隙 在应力场中的发展和分布规律。采

3、用多尺度力学方法， 建立高瓦斯低透气煤层煤岩的三维微单元强度分布模型及其受力的邻近单元加权分担模型。（ 3 ） 多场耦合下矿压显现信息与瓦斯涌出量的异常变化关系研究通过现场观测，分析矿压、瓦斯涌出量的影响因素，掌握矿压显现和瓦斯涌出量异常变化规律。 以矿井中含瓦斯煤岩体构成的大系统作为研究对象，分析应力场-裂隙场 - 瓦斯场共同作用下，围岩变形、瓦斯吸附 / 解吸、扩散和渗流等多种运动之间的耦合作用，建立具有复杂系统特征的瓦斯运移耦合动力学模型。运用快速Lagrange分析法 编制其动力学响应计算程序，并进行实例计算和分析。（ 4 ）高瓦斯低透煤层煤岩灾变的多场多尺度耦合模型研究综合以上三点研

4、究结果，在多孔介质有效应力原理基础上，研究因大量微损伤的积累并通过跨尺度的非线性串级发展而诱发的煤岩宏观灾变， 给出煤岩宏观破坏的概率函数和跨尺度敏感性函数， 研究采掘过程中， 含瓦斯煤岩在应力场 - 裂隙场 - 瓦斯场的综合作用下， 温度、 瓦斯压力及孔隙率等因素对煤岩宏观破坏概率和跨尺度敏感性的影响。本项目研究的对象赋存环境复杂，围岩介质运动形式多，耦合关系复杂， 计算动力学响应的难度大， 所建立的动力学模型更接近实际。本项目的创新点体现在以下几方面：（ 1 ） 利用自主研发的激振及测试系统获得低频动态载荷与瓦斯吸附量间的定量关系。完善自主研发的瓦斯吸附/ 解吸激振及测试系统装置，针对高瓦

5、斯低透气煤层煤样进行动态吸附/ 解吸试验，定量获得温度、瓦斯压力及低频激振动载对煤吸附 / 解吸瓦斯的影响规律。（ 2）煤层及其围岩变形- 瓦斯运移耦合的动力学响应计算程序目前，Lagrange快速分析多用于围岩体稳定性方面的计算，即利用 Gaus於式由节点速度计算单元应变率，利用本构关系由单元应变计 算单元应力，再由动量守恒关系计算节点的加速度、速度和位移。（ 3 ） 高瓦斯低透气煤岩多场多尺度耦合模型的建立及其灾变机理分析将应力场 -裂隙场 -瓦斯场耦合下煤层及其围岩变形- 瓦斯运移耦合动力学模型所获得的动力响应结果引入所建立的煤岩破坏的多尺度耦合模型， 分别考虑温度、 瓦斯压力及孔隙率等

6、因素影响下煤岩破坏失稳机理并给出其宏观破坏概率函数和跨尺度敏感性函数， 揭示多场多尺度耦合下高瓦斯低透气煤层煤岩体灾变机理。通过多场耦合下矿压显现与瓦斯涌出量的异常变化进行分析瓦斯涌出特征和瓦斯运移规律， 建立具有复杂系统特征的瓦斯运移耦合动力学模型，为工作面的安全生产的正常运行提供了科学依据。三、主要论文专著目录（限20条）序 号i匕文专若名称刊名作者影响 因子年卷页他（xx 年xx卷xx 页）发表时 间通讯作 者A作者国内作者知识产 权是否 归国内 所有1Research on Creep Model and Delay Instability of Coal-RockContaining

7、 GasDisaster Advances潘红宇，张涛 伟，李树刚， 张天军等0.6922013 年6 卷 273-2772013.3潘红宇潘红宇潘红宇，张涛 伟，李树刚，张 天军等是2煤层水力压裂增透范围理论 分析与试验研究煤炭工程徐刚，马瑞峰 等0.6022014 年41 卷 88-952014.06徐刚徐刚徐刚，马瑞峰等是3Winkler地基上复合关键层 模型及其力学特性中南大学学报（自 然科学版）潘红宇，李树 刚等1.0982012年43卷 4050-40562012.1潘红宇潘红宇潘红宇，李树刚 等是4Construction and application of permeabil

8、ity evolution equation under mining.Energy Education Science andTechnology Part徐刚，李树刚， 马瑞峰2014年32卷 2723-27322014.4徐刚徐刚徐刚，李树刚， 马瑞峰是5爆破震动中萨道夫斯基拓展 式的回归分析a： Energy Science 湖南科技大学学报（自然科学版）张天军，马锐， 乔宝明，康桥0.7552012年27卷 12-162012.3张天军张天军张天军，马锐，乔 宝明，康桥是6破碎泥岩渗透特性试验研究河南理工大学学 报张天军，任金 虎等0.6702014年33卷 426-4312014.

9、8任金虎张天军张天军，任金虎 等是7低透气性煤层深孔预裂爆破 增透数值模拟研究西安科技大学学 报张天军，王宁， 李树刚，徐刚1.0222013年33卷 1-62013.1张天军张天军张天军，王宁， 李树刚，徐刚是8瓦斯抽米钻孔CF固化膨胀 封孔材料性能研究煤矿安全张天军，包若 羽，李树刚等0.5022016年47卷 5-132016.2张天军张天军张天军，包若 羽，李树刚等是9巷道与钻孔交叉三维数值建 模方法西安科技大学学 报张天军，张磊， 张超等1.0222015年35卷 688-6942015.11张天军张天军张天军，张磊， 张超等是10沁水盆地煤层气富集单元划 分煤田与地质勘探徐刚，李树

10、刚， 丁洋1.1172013年41卷 22-262013.12徐刚徐刚徐刚，李树刚， 丁洋是11米动影响卜卸压瓦斯渗流规 律物理相似模拟实验研究煤炭工程潘红宇，肖鹏， 李树刚等0.6022013年2期 87-902013.2潘红宇潘红宇潘红宇，肖鹏， 李树刚等是12顺煤层剪切带煤与瓦斯突 出机理分析煤田与地质勘探徐刚，李树刚， 马瑞峰1.1172014年42卷 16-202014.8徐刚徐刚徐刚，李树刚， 马瑞峰是13含瓦斯煤体内多场耦合及损 伤断裂机理湖南科技大学学 报（自然科学版）张天军，崔巍， 马锐0.7552013年28卷 1-52013.3张天军张天军张天军，崔巍， 马锐是14混合破

11、碎岩样渗透特性试验 研究湖南科技大学学 报（自然科学版）张天军，任金 虎等0.7552014年29卷 1-52014.9任金虎张天军张天军，任金虎 等是15/、同采高上保护层开采卸压 效应的UDEC数值模拟研究湖南科技大学学 报（自然科学版）潘红宇，索亮， 李树刚等0.7552013年28卷 6-112013.9潘红宇潘红宇潘红宇，索亮， 李树刚等是16多种矿物成分破碎岩石渗透 试验辽宁工程技术大 学学报张天军，任金 虎等0.7452014年33卷 465-4692014.4任金虎张天军张天军，任金虎 等是17工作面煤与瓦斯突出预警系 统设计及应用煤炭技术张天军，宋爽， 杨守国，张磊 等0.2

12、142015年34卷 125-1272015.10宋爽张天军张天军，宋爽， 杨守国，张磊等是18图瓦斯综放，作面采空区瓦 斯涌出规律科技导报张天军，李伟， 宋爽等0.6892013年33卷 58-622015.03张天军张天军张天军，李伟， 宋爽等是19局瓦斯综米工作面瓦斯治理 技术研究煤炭技术张天军，宋爽， 杨守国等0.2142014年33卷 14-162014.3宋爽张天军张天军，宋爽， 杨守国等是20高河矿地面水力压裂裂缝监 测及其识别方法煤炭技术张天军，宋爽， 刘超等0.2142015年34卷 185-1872015.4宋爽张天军张天军，宋爽， 刘超等是四、主要知识产权证明目录（限10

13、条）序号知识产权类别知识产权具体名称国家（地区）授权号授权日期证书编 号权利人发明人专利有 效状态1发明专利一种煤体渗透特性测 试系统及方法中国CN201410150520.02014/4/151866391西安科技大学张天军；任金虎；李树刚；于 胜红；赵佩佩；宋爽；李伟；成 小雨；崔巍;张磊功效2发明专利一种煤与瓦斯突出模 拟系统及方法中国CN201410150976.72014/4/151888496西安科技大学张大军，任金虎，李树刚，于 胜红，赵佩佩，宋爽，李伟，成 小雨，崔巍,张磊功效3发明专利煤矿井下水力压裂实 验实验室模拟系统及 方法中国CN201410150621.82014-0

14、4-151963900西安科技大学张天军；任金虎；李树刚；于 胜红；赵佩佩；宋爽；李伟；成 小雨；崔巍;张磊功效4发明专利破碎岩石二轴渗流试 验系统及方法中国CN201410032061.62014-01-231934877西安科技大学张天军；任金虎；陈占清；于 胜红；赵佩佩；宋爽；李伟；崔 巍；张磊；成小雨功效5发明专利一种大型巷道支护实 验室模拟系统及方法中国CN201410483291.42014-09-192360197西安科技大学张天军；于胜红；许龙星；任 金虎；李伟；宋爽；张磊；成小 雨；尚宏波；魏文伟；王乾；包 若羽功效6实用新型专利一种围岩支护让压锚 杆装置中国CN201320

15、714002.82014-04-93510666西安科技大学张天军，宋爽，刘超，李伟，任 金虎，于胜红，崔巍，王宁，张 磊功效7实用新型专利煤与瓦斯突出模拟及 煤体渗透特性测试装 置中国CN201420181896.32014-08-133749277西安科技大学张天军，任金虎，赵佩佩，于 胜红，宋爽，李伟，成小雨， 崔巍，张磊功效8实用新型专利承压可调的弯曲岩样 渗透性能测试装置中国CN201320632730.42013/11/123478641西安科技大学张天军，任金虎，陈占清，于 胜红，成小雨，崔巍，李伟，宋 爽，张磊功效9实用新型专利破碎岩石二轴渗流试 验用装料装置中国CN20132

16、0714003.22013/11/183511772西安科技大学张天军，任金虎，陈占清，于 胜红，宋爽，李伟，崔巍，张磊功效10实用新型专利煤矿深孔爆破用装药 装置中国CN201320830349.92013/12/153579107西安科技大学张天军，宋爽，刘超，杨守国， 王宁，任金虎，李伟，成小雨，于胜红，崔巍，张磊功效（限1500字）五、推广应用情况（技术发明、技术开发、技术推广、社会公益类项目）六、科学意义和价值（基础研究类项目）我国煤矿地质构造及煤层赋存条件比较复杂，现开采的矿井,40朝上是高瓦斯或煤与瓦斯突3矿井，矿井的开采深度平均已达 456m,最深达到1365ml虽然煤矿安全规

17、程对煤矿生产各个 环节做出了具体规定，煤矿的技术装备、监测手段也不断得到改善，但矿生产事故仍时有发生， 悸别是高瓦斯低透气煤层采掘工程，由于煤岩体动力失稳引起的岩爆、煤爆、煤与瓦斯突出等事 故造成的生命和财产损失非常严重。目前，国内外关于岩爆、煤爆、煤与瓦斯突出的认识大都依 居经典的刚度理论、能量及冲击倾向性理论和弹塑性失稳理论等，对于上述灾害的预测多采用经 脸类比分析、地音监测和钻屑法测量等手段。这些理论和方法在煤矿动力灾害防治中得到了较好 的应用，但对于高瓦斯低透气煤层在采掘过程中的各种动力灾变现象尚不能给出完好的解释和预 则。高瓦斯低透气煤层煤岩样力学性质及其对瓦斯吸附/解吸实验研究有待

18、深入研究。高瓦斯低透煤层处在多场复杂环境中，随着空间覆岩结构的强度劣化与平衡失效，其煤岩体中采动应力 场和裂隙场的分布形态也发生变化与迁移，瓦斯应力场也会随之变化，这三者是相互影响、制约 的一个动态关系，其结果将引起煤层孔隙裂隙结构、吸附/解吸特性、扩散特性、对流特性和渗透悸性的变化，甚至导致煤岩力学性质发生质变。反之，将进一步诱发局部化变形至灾的可能性。 只有深入地、多层次、全方位地摸清高瓦斯低透煤层煤岩样的力学特性与瓦斯吸附/解吸特性，使之达到由量变升华为质变，才能降低与实际误差，为煤层及其围岩变形-瓦斯运移耦合动力学响应是供可靠、真实的参数支持。 高瓦斯低透气煤层煤岩破坏多尺度耦合模型研

19、究尚缺联系性与结构网络的细观辨识性。矿 山围岩体的孕育、形成、发展至灾的非线性动力学过程经历了由微、细结构（正如煤体结构的破 即或断裂是一个从原子键尺度到宏观尺度跨越约107量级尺度的过程）到宏观结构破坏的复杂历隹，其形态看不见摸不着，而高瓦斯低透气煤层煤岩的多条件制约性又增加了采掘煤岩动力失稳 的不确定性与随机性。所以，微观与宏观试验及理论模型的耦合关系就成为本项目研究的重点之 一。目前，对于多尺度耦合研究大多集中在采空区或巷道顶板关键层及深浅位覆岩变形层面上， 或者是针对不同尺寸（度）煤岩的应力-应变及力学性质方面的室内试验与相似模拟试验所展开的讲究，这都取得了一些实质性进展。高瓦斯低透气

20、煤层采掘过程中，原岩应力场和原始瓦斯压力场的平衡被打破，煤岩应力重新 分布，形成了采掘空间周围裂隙场，瓦斯发生动力运移，使得采掘空间周围煤岩体处于多场共存 的环境中。煤层及其围岩的损伤、变形、破坏、失稳所引起煤层孔隙裂隙结构、吸附/解吸特性、忙散特性、对流特性和渗透特性的变化，会影响瓦斯吸附/解吸速度、扩散速度、热流密度、渗流速度和瓦斯涌出量变化。反过来，瓦斯含量、压力的变化也会引起煤层及其围岩的进一步变形和 立力场演化。这种相互影响关系贯穿在煤岩体从微观结构变化到细观损伤裂隙的产生，直至发生 宏观破坏的过程中，而煤岩体宏观破坏反过来又会影响其裂隙发展及微结构变化，进而影响煤岩 物理力学性质的

21、变化。可见，高瓦斯低透气煤岩中所发生的岩爆、煤爆及煤与瓦斯突出等动力失 隐是典型的多场多尺度耦合现象。多场多尺度耦合是非线性现象的一个重要特征，它包括不同尺 复上物理过程的耦合和跨越多个尺度物理性质的关联。作为一种非连续介质，含瓦斯煤岩是一种 含有极其复杂和不规则原生孔隙和次生裂隙的固流两相介质，煤岩的动力破坏现象是因大量微损 伤的积累并通过跨尺度的非线性串级发展而诱发宏观灾变，并表现为短时间内外部条件微小改变 引起系统状态剧烈变化，对于这些非线性不连续现象，利用多尺度耦合方法可以得到更切合实际 的结果。七、客观评价、知情同意证明等八、主要完成人情况1.主要完成人情况表（不超过 11人）序号姓

22、名行政职 务技术职 务工作单位主要学术和技术创造，性贡献1张天军四女科技大学在多孔介质有效应力原理基础上，研究 因大量微损伤的积累并通过跨尺度的非线 性串级发展而诱发的煤岩宏观灾变，给出煤岩宏观破坏的概率函数和跨尺度敏感性函 数，研究采掘过程中，含瓦斯煤岩在应力场 -裂隙场-瓦斯场的综合作用下， 温度、瓦斯 压力及孔隙率等因素对煤岩宏观破坏概率 和跨尺度敏感性的影响。2潘红宇四女科技大学研究含瓦斯煤岩体的蠕变本构关系，对 其延迟失稳机理进行了分析。结合非线性时 效参数蠕变模型，考虑瓦斯流动因素和瓦斯 压力带来的损伤，提出了含瓦斯煤岩体的 TPM模型；采用最小势能原理分析了掘进 面煤岩体的延迟失

23、稳过程。实验测定了吸附 时间、粒径、水分对瓦斯放散初速度的影响， 并运用菲克定律进行了分析；结合含瓦斯煤 耦合温度场方程、应力场方程及渗流场方 程，建立煤层瓦斯渗流热-固-气耦合数学模 型。对主要创新点的工作均作出了创造，性贡 献。完成人在项目技术研发工作中投入的工 作量占本人总工作量的 70%以上。3徐刚四女科技大学将应力场-裂隙场-瓦斯场多场耦合下 煤层及其围岩变形-瓦斯运移耦合动力学模 型所获得的动力响应结果引入所建立的煤 岩破坏的多尺度耦合模型，从而建立高瓦斯 低透气煤层煤岩灾变的多场多尺度耦合模 型。4宋爽四女科技大学分析应力场-裂隙场-瓦斯场共同作用 下，煤层、围岩变形、瓦斯吸附

24、/解吸、扩 散和渗流等多种运动之间的耦合作用，建立具有复杂系统特征的瓦斯运移耦合动力学 模型。5张不右四女科技大学开展高瓦斯低透气煤层煤岩试样的力 学性质测试及瓦斯吸附/解吸试验等各项参 数以及温度、瓦斯压力及激振动态载荷对煤 吸附/解吸瓦斯的影响规律。2.完成人合作关系情况序号合作方式合作者/项 目排名合作起始 时间合作完 成时间合作成果1科学研究潘红宇/42014.12016.4/、同孔隙度中心受压圆形 薄板试样渗透特性试验研 究2科学研究徐刚/22013.12016.4煤巷综掘面瓦斯流场数值 模拟及瓦斯涌出构成分析3科学研究宋爽/22012.92015.9工作面煤与瓦斯突出预警 系统设计及应用4科学研究张磊/22014.112016.4巷道与钻孔交叉三维数值 建模方法5科学研究徐刚/32013.112014.11米动煤岩体变形与瓦斯渗 流的耦合机理及大直径长 钻孔瓦斯