外载应力对煤岩瓦斯渗透率的三维数值研究

本文主要探讨了外载应力对煤岩瓦斯渗透率以及原煤中瓦斯微观流动状态的影响规律。研究者通过在不同应力加载条件下对原煤瓦斯渗流特性进行实验，并利用离散元分析软件UDEC中的可压缩流体模块进行数值模拟，以期揭示应力与煤层透气性之间的关系。实验结果显示，实验数据与数值模拟结果高度一致。 首先，研究分为三个阶段：快速压实阶段。在这个阶段，当煤岩受到的压力小于7.5 MPa，即低于其自身强度时，瓦斯渗透率随着应力的增大而下降。这是因为低应力下，煤岩结构相对稳定，裂隙间的封闭程度较高，阻碍了瓦斯的流动。 其次，线弹性阶段，即压力在7.5~15.1 MPa范围内，煤岩所受应力处于其强度范围之内。在这个阶段，由于煤岩中原生裂隙的闭合程度不显著，瓦斯渗透率随应力增加的变化不大，说明煤岩的弹性特性在此范围内仍起主导作用。 最后，塑形变形阶段，当煤岩所受应力超过15.1 MPa，超过了其强度，煤岩开始发生塑性变形，内部产生次生裂隙，且裂隙宽度随应力增加而扩大。这些次生裂隙成为瓦斯流动的主要通道，导致煤层的瓦斯渗透率迅速增加，显示出明显的非线性关系。 通过数值分析和实验验证，这项研究提供了深入理解煤岩瓦斯渗流特性随应力变化的重要依据，对于预测和控制煤矿开采过程中的瓦斯涌出具有实际意义，有助于优化矿井安全管理和提高采掘效率。同时，该研究也为其他类似地质构造条件下的气体流动行为提供了有价值的参考模型。