三维采动应力条件下煤层覆岩及底板裂隙场演化规律与瓦斯运移特征研究

摘要

在煤矿开采活动中，煤层开采后顶底板岩层应力状态发生变化，工作面推进一定距离后采空区顶底板岩层产生弯曲、变形、剪切破坏，各岩层由于抗弯刚度不同引起的变形不协调，导致离层裂隙与纵向破断裂隙出现，形成顶底板围岩裂隙场。形成的采动裂隙场为工作面、采空区遗煤、邻近层涌出的瓦斯提供了积聚的空间，从而影响了采空区瓦斯的赋存、运移状态。国内外学者对采空区围岩裂隙场的研究多以物理平面相似模型实验及数值模拟为基础，但在实际的开采活动中，煤系地层处于复杂多变的三维应力状态，因此开展三向不等采动应力条件下裂隙场的演化规律研究具有重要意义。本文基于三维相似开采模拟试验和COMSOL数值模拟相结合的方法，对煤层围岩的采动应力变化规律、裂隙场演化规律及瓦斯运移特征进行研究，取得了以下主要研究成果：
　　①利用重庆大学自主研制的“多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统”，通过加热电热片熔化石蜡的方法模拟煤层开采过程，实现了三维应力条件下煤层开采过程的模拟实验；
　　②以川煤集团白胶煤矿2481工作面为原型，进行了三维采动应力条件下的相似模拟开采试验，得出了底板岩层的动态应力特征、弯曲变形规律、裂隙分布特征及底板采动破坏深度等变化规律；
　　③以平煤十矿己15煤层24080工作面为原型，进行了三维采动应力条件下的相似模拟开采试验，揭示了上覆岩层的动态应力特征、岩层移动规律、裂隙分布形态等变化规律；
　　④根据分形几何理论，通过对覆岩裂隙进行统计，得到了覆岩裂隙分形维数的变化规律；
　　⑤基于三向采动应力条件下形成的覆岩裂隙场空间分布特征，建立了三维数值模型，并利用COMSOL Multiphysics多场耦合软件进行了数值模拟，揭示了采空区瓦斯的运移规律。

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目录

1 绪 论

1.1研究意义

1.2研究现状

1.3研究内容、方法及技术路线

2 底板岩层采动破坏规律的三维模拟试验研究

2.1 相似实验原理

2.2矿区地质概况

2.3 相似模拟实验

2.4 实验结果及分析

2.5 本章小结

3 上覆岩层采动裂隙场演化规律的三维模拟试验研究

3.1矿区地质概况

3.2 相似模拟实验

3.3 实验结果及分析

3.4 本章小结

4 上覆岩层采动裂隙场的瓦斯运移数值模拟研究

4.1 COMSOL Multiphysics数值模拟软件介绍

4.2覆岩采动裂隙场数值模型的建立及边界条件的确定

4.3覆岩采动裂隙场瓦斯运移数值模拟的控制方程

4.4 覆岩采动裂隙场瓦斯运移规律数值模拟实验结果

4.5 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录

A：作者在攻读硕士学位期间的科研情况

B：作者在攻读硕士学位期间发表论文情况

C：作者在攻读硕士学位期间参与申请的专利