摘要
煤层气作为煤炭形成过程中的伴生物，是一种具有较大开发潜力的清洁能源，同时，也是造成煤矿动力灾害的先决因素。随着煤矿开采逐渐向深部延伸，煤层赋存环境面临复杂地质构造、高地应力、高瓦斯压力和低渗透率等问题。在煤层气开采和煤矿地下开采过程中，煤岩应力状态和渗透行为相较于原始状态将发生显著变化。特别地，随着煤矿开采深度增大，回采工作面前方煤岩受支承压力作用极易产生塑性变形甚至失稳破坏，导致煤岩力学特性和瓦斯流动规律变得十分复杂，从而很大程度上增加了煤与瓦斯突出事故发生的可能性。因此，研究煤层气开采和煤矿地下开采过程中煤岩变形特征和瓦斯渗流规律对保障煤矿安全高效生产具有重要现实意义。 本文所研究的煤样取自重庆松藻煤矿K2煤层和山西晋城赵庄煤矿3#煤层，分别开展恒定外应力下的降孔隙压力渗流试验(模拟煤层气开采)和不同围压、不同瓦斯压力下的的三轴压缩-渗流试验(模拟煤矿地下开采)，分别探明弹性阶段和损伤破裂过程中煤岩力学响应及渗透特征，厘清吸附-荷载耦合作用对煤岩损伤-渗流特征的影响机制，主要取得如下研究进展： (1) 分析孔隙压力降低过程中煤岩渗透率演化规律，从孔隙压力降低引起的基质收缩和有效应力增大对渗透率具有竞相作用的科学假设出发，探讨临界孔隙压力两侧渗透率演化的主导因素。基于多孔弹性介质变形理论推导孔隙压力变化下的煤岩渗透率模型，通过降孔隙压力渗流试验数据验证模型的合理性，揭示煤层气开采过程中瓦斯渗流特征。 (2) 分析不同围压和不同瓦斯压力下煤岩变形破坏阶段特征和损伤演化规律，阐明围压和瓦斯压力对煤岩物理力学参数变化的影响规律，进一步剖析全应力应变过程中损伤演化与渗透率变化间的协同响应机制，揭示气体对煤岩强度的劣化机理，探讨原位条件下气体压力变化对储层稳定性影响。 (3) 推导气体吸附与应力加载耦合下煤岩总损伤变量表达式，在弹塑性力学框架下建立煤岩损伤本构模型。引入渗透率跃增系数描述煤岩损伤破裂后渗透率突增现象，进一步构建基于弹塑性变形的损伤-渗透率模型。通过不同瓦斯压力下的试验数据分别验证了所建本构模型和损伤-渗透率模型的合理性，表明所建模型可较好描述煤矿地下开采过程中煤岩变形特征和瓦斯渗流规律。
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