卸荷煤体分数阶渗透率模型参数探讨及其在渗流模拟中的应用

• Published in: 煤炭学报 Vol. 47; no. 6; pp. 2386 - 2395
• Main Authors: 赵家巍, 周宏伟, 刘泽霖, 谢森林, 赵文慧, 钟江城, 史艳楠, 王毅颖
• Format: Journal Article
• Language: Chinese
• Published: 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京 100083%中国矿业大学(北京)能源与矿业学院,北京 100083 01.06.2022; 煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京100083%中国矿业大学(北京)能源与矿业学院,北京 100083%中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院,北京100083%中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京 100083; 临沂大学土木工程与建筑学院,山东临沂276000%河北工程大学机械与装备工程学院,河北邯郸 056038
• Subjects: 渗透率模型; 卸荷煤体; 充填开采; 损伤演化; 分数阶导数
• ISSN: 0253-9993
• DOI: 10.13225/j.cnki.jccs.2021.1148

TD821; 采动煤体卸荷过程中,因原始及新生裂隙持续扩展而产生损伤破坏,导致渗透率急剧升高,经典煤储层应力-渗透率模型适用范围仅限于煤体线弹性变形阶段,无法反映煤体峰后渗透率的变化规律.借助在描述非线性力学行为方面具备独特优势的分数阶导数,通过已有试验和理论分析,基于现有应力-渗透率模型提出的适应于采动卸荷煤体的双参数分数阶渗透率模型,当阶数γ=0时,分数阶渗透率模型退化为经典的S-D模型,表明S-D模型是分数阶渗透率模型的一种特殊情形,当阶数γ=1时,分数阶渗透率模型表现为S-D模型的幂函数形式,展现峰后渗透率的强非线性变化特征,从而将经典S-D渗透率模型的适用范围拓展至峰后阶段.然而,双参数分数阶渗透率模型参数的物理意义不尽明确,为此,根据改进的Mazars损伤准则,获得了煤体卸荷过程中损伤变量的演化规律,借此探讨了所建渗透率模型中2个参数的关系,得到了只含损伤变量D的单参数分数阶渗透率模型,将模型中的静态参数修正为动态参数,符合损伤扩容过程中煤体割理压缩系数不断变化的事实,弥补了现有应力-渗透率模型中所引入的静态参数与损伤变量不关联的缺陷,使其物理意义更加清晰.将分数阶渗透率模型应用于充填采动煤体瓦斯渗流规律数值模拟,获得了充填采动煤体瓦斯渗流规律,提高充填体弹性地基系数,加剧了本层煤的瓦斯突出风险而减小了下层煤向本层煤涌入的采煤工作面瓦斯体积分数.因此,实施充填开采以后,存在利害两面性,特别是对于瓦斯突出矿井,充填前需加强瓦斯突出风险的评估工作.