裂隙煤岩气水两相渗流和固体变形耦合作用的研究论文

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1、ADissertationinEngineeringMechanics舢删Ⅷ㈣舢㈣Ⅲ㈣Ⅷ删Y2841919StudyonCoupledDeformationandGas．、耽IterTwoPhaseFlowModelforFracturedCoalandRockbyChenShikuoSupervisor：ProfessorY撕gTianhongNortheasternUniVersi哆May2012独创性声明本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用

2、过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢=￡E思。学位论文作者签名：胁矗，习于’阻p匕人，『F侣笠自：I一夕一I’。／j日期：M2．7’7学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后：半年口一年口一年半口两年影学位论文作者虢伽问新虢依哆签字日期：M乙．17．(}签字日期：“12．7、c7

3、东北大学博士学位论文摘要裂隙煤岩气水两相渗流与固体变形耦合作用研究摘要岩体是一种非均匀各向异性的裂隙型介质，包含了大小不同的各种孔隙、裂隙，这些缺陷不但大大地改变了岩体的力学性质，也严重影响着岩体的渗透特性。同时岩体渗流主要受控于岩体中广泛发育的节理裂隙及其连通网络。在原始地应力条件下，其地质属性及岩体水力学特性相对稳定，在采动条件等工程外部荷载作用下，岩体及节理裂隙都受到扰动，岩体结构及裂隙张开度发生变化从而使岩体的物理力学属性和节理裂隙的渗透特性发生变化，这也是产生工程地质灾害的主要诱因之一。建立准确描述裂隙岩体中应力一渗流问题的耦合模型，是解决工程地质灾害问题的一种有效

4、手段。考虑到天然节理裂隙的地质属性及应力一渗流的耦合效应，在渗流分析过程中视孔隙和微裂隙为孔隙结构，而将较小尺度(岬级及以下)的节理裂隙统一视为裂隙结构，同时研究较大尺度(岬级以上)的节理裂隙其开度变化对渗透性的影响，从裂隙岩体表征方法入手，基于渗流广义立方定律，考虑岩石节理变形对裂隙开度变化的影响，研究多重介质裂隙煤岩体的气水两相渗流与固体变形耦合特性，本文的主要工作如下：1．研究了煤岩介质的孔隙结构特征及其渗流力学行为。通过扫描电镜观察岩石的孔隙特征及其连通性，用压汞试验测定其孔隙率的大小，为后续描述煤岩介质渗透性演化模型提供参考。岩石或岩体是一种多孔隙／裂隙的高度非均匀

5、材料，岩石或岩体的孔隙和裂隙对其渗透性具有直接的作用，孔隙和裂隙的贯通、分布情况等因素对岩石的渗透性都有很大的影响。2．煤层是典型的双重介质，孔隙作为流体的存储空间，而裂隙则是流体的主要渗流通道。瓦斯在煤层中的运移包含吸附解吸、扩散、渗流过程，又存在渗流场、应力场的动态耦合作用，为了研究其复杂的物理过程，需要建立考虑吸附解吸过程的裂隙岩体渗流气固耦合模型。本文推导了孔隙／裂隙不同有效应力系数口。和口，情况下的孔隙率一渗透率和裂隙率一渗透率模型，并综合吸附变形的影响，分别采用连续介质和双重介质模型的方法研究了煤层瓦斯抽采过程。研究发现吸附变形常数，瓦斯压力及应力大小对孔隙／裂隙

6、体积的改变作用明显。同时研究了煤层注水过程中的气水两相渗流阶段，建立了描述煤层气水两相渗流的双重介质流固耦合模型。3．针对天然地质岩体，忽略对其裂隙结构特征的表达来研究其渗流力学行为是欠妥东北大学博士学位论文摘要的。对一般工程问题而言，建立真实三维裂隙岩体系统，往往很难实现对裂隙结构特征的精细描述，建立的数值模型较大，会造成前处理费时费力，并给数值求解带来相当大的难度。通过引入ECV耦合变量(Ex仃usionCouplingVadables)来实现二维平面和三维空间之间的数据传递，这样在很大程度上就克服了这一难题，并可以对裂隙面实现较高精度的表征，获取真实裂隙的开度和裂隙渗透

7、性的演化，同时利用自适应网格方法来得到与开度变化较匹配的高精度解，获得了一种较好地描述真实岩体的数值表征方法。4．注意到裂隙结构对系统的影响，那么其应力渗流耦合特性当然就不容忽视。借助ComsolMutiphysics的弹性层概念来对裂隙面的力学特性进行描述，并结合裂隙渗流广义立方定律，通过弱项PDE方程和ECV耦合变量来描述裂隙渗流的耦合特性，将煤层气水两相渗流的双重介质流固耦合模型与之结合起来构建了多重介质裂隙岩体渗透性演化模型，建立了有效的裂隙岩体表征方法和数值模型，并基于前人单裂隙渗流试验的研究