深部煤體高壓注水致裂-潤濕耦合機理及其細觀展布研究

《深部煤體高壓注水致裂-潤濕耦合機理及其細觀展布研究》是依託山東科技大學，由程衛民擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：深部煤體高壓注水致裂-潤濕耦合機理及其細觀展布研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：程衛民
• 依託單位：山東科技大學

項目摘要

為完善煤層注水在深部礦井開採中的災害防治理論體系，探究煤體高壓注水致裂與潤濕耦合機理，本項目利用煤體損傷斷裂力學理論，探討高壓注水致裂-潤濕耦合條件下煤體損傷斷裂力學機制；運用電子探針、X射線衍射儀等從細觀角度分析注水潤濕特性及其對煤體細觀結構、物象組分的影響作用；研製真三軸注水致裂滲流試驗裝置，進行高壓注水致裂與潤濕耦合試驗，研究不同潤濕條件下煤體注水致裂力學性能與應力場、注水壓力、潤濕等因素的關係，並採用SEM、工業CT檢測系統對水壓裂縫破裂引起的煤體細觀結構變化進行分析，明確煤體高壓注水致裂細觀結構展布特徵及其對煤體注水潤濕效能的影響機制；在此基礎上，數值模擬分析水力作用下煤體增透效果及其潤濕性能變化規律；建立高壓注水煤體破裂與自身潤濕性能之間的本構關係模型，研究煤體高壓注水致裂與潤濕耦合機理及其潤濕、致裂裂縫細觀展布規律，為深部煤體高壓注水致裂增透、潤濕防沖與防塵提供理論依據。

結題摘要

為完善煤層注水在深部礦井開採中的災害防治理論體系，探究煤體高壓注水致裂與潤濕耦合機理，對注水致裂-潤濕耦合條件下煤體損傷斷裂特性進行研究，並建立注水致裂-潤濕耦合作用下煤體破裂與自身潤濕性能之間的本構關係模型，研究深部煤體高壓注水致裂-潤濕耦合機理及其細觀展布規律。在此期間，發表學術論文28篇，其中，SCI檢索22篇，EI檢索6篇，申請發明專利18項，其中授權國內發明專利17項，授權國際發明專利1項（申請PCT國際專利3項），獲得省部級科技二等獎2項，培養博士後1人，博士生1人，碩士生5人。主要創新成果如下：（1）確定了煤體常規特性對煤體潤濕性的關係，闡釋了不同化學處理對煤中官能團的影響，揭示了煤樣官能團與煤樣接觸角的定量關係以及煤中化學參數對煤層潤濕性能的影響作用。（2）基於聲發射陣列技術設計開發新型真三軸應力-潤濕耦合實驗設備，探明了注水時P波與潤濕輪廓面的關係；與此同時，對潤濕範圍與裂隙關係進行了分析，證實了裂隙對潤濕影響相關推斷，為預判煤岩內部裂隙分布情況提供了新方法。（3）利用高解析度X射線掃描成像系統，開展了圖像的幾何尺寸校正、閾值選取以及三維重構等工作，實現了煤體三維孔裂隙結構的可視化；提取不同孔徑範圍內的孔裂隙結構參數，並建立了煤樣多尺度孔裂隙網路模型，定量化表征了煤體的宏細觀結構特徵；將三維計盒算法和迂曲度分形維數的計算方法與CT三維數字模型相結合，定量表征煤體孔裂隙結構的複雜程度，建立了分形維數與孔隙率和滲透率的關係模型。（4）運用核磁共振技術對不同力學環境下煤體滲流潤濕特性進行了研究，得到了不同力學環境下液測滲透率變化規律，並對煤岩孔隙裂隙宏細觀結構進行了分形表征，揭示了實測孔隙體積分形維數與煤樣孔隙數量及體積變化的定量關係；探明了煤層注水逾裂增滲潤濕動力特性的分形表征，建立了分形毛細管束滲流模型。