基于应力松弛效应的黏弹性煤层地应力分布模型及在突出煤层中的应用

• Published in: 煤炭学报 Vol. 49; no. 3; pp. 1447 - 1462
• Main Authors: 李伟, 邓东, 郭敬杰, 周梦琦, 王海锋, 程远平
• Format: Journal Article
• Language: Chinese
• Published: 中国矿业大学煤矿瓦斯治理国家工程研究中心,江苏徐州 221116 01.03.2024; 煤矿灾害防控全国重点实验室,江苏徐州 221116; 中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州 221116
• Subjects: 地应力分布模型; coal and gas outburst; 应力松弛; tectonic coal; viscoelastic coal reservoir; 黏弹性煤层; 煤与瓦斯突出; in situ stress distribution model; 构造煤; stress relaxation
• ISSN: 0253-9993
• DOI: 10.13225/j.cnki.jccs.XR23.1538

TD713; 地应力是控制煤矿瓦斯动力灾害的核心因素,现有地应力模型主要基于弹性煤岩体属性而建立,而对于黏弹性煤层介质不适用,需要建立适合煤层属性的地应力分布模型.煤层尤其是构造煤呈现显著的蠕变和应力松弛特性,基于此,构建了黏弹性煤层分数阶麦克斯韦应力松弛数学模型,对扩展伊顿模型中构造应力项改进为黏弹性煤层的应力松弛项,建立了黏弹性煤层地应力分布模型.结果表明,在地质时间尺度内,煤层黏弹性对差应力有显著影响,煤体蠕变和应力松弛程度随黏性系数和分数阶因子的增加而增加;并随弹性模量下降,泊松比、构造比及瓦斯压力增加,煤层应力特征表现为静水压力状态分布趋势,其中弹性模量和泊松比对垂直主应力与水平应力之间差异贡献较大,构造比对水平应力之间差异贡献较大,瓦斯压力对3个主应力贡献相等,应力松弛效应可改变最大、最小水平主应力相对大小及降低应力各向异性.基于临界应力模型,在不同地应力状态下同样获得了摩擦因数降低及瓦斯压力升高的煤层趋近静水压力分布.构造煤力学属性更有利于在地质时间尺度中趋向于静水压力状态.运用地应力模型验证了现场实测结果,并对构造煤瓦斯富集和渗透率降低提出了新的认识.