采空区覆岩冒落及孔隙率分布规律研究

摘要

采空区是由遗煤与破碎岩石堆积形成的多孔介质区域，其内部气体流场分布主要受采空区孔隙率及渗透率的影响，而孔隙率与渗透率是由采空区覆岩冒落下沉规律决定的。因此，分析采空区覆岩随开采变化的冒落规律及三维空间孔隙率分布规律，对研究采空区流场分布规律有重要指导意义。
　　本文以王庄煤矿井田地质概况为研究背景，结合岩体质量评价方法，得到各岩层的节理间距及岩体力学参数。采用CDEM软件对8101工作面进行数值模拟，确定了采空区“竖三带”的分布范围：采空区冒落带范围为0～23m，裂隙带范围为25～60m，并与经验公式计算和现场高位钻孔考察结果进行对比，结果表明模拟得到的覆岩“竖三带”范围与工程实际接近，验证了节理间距和岩体力学参数确定的合理性。
　　通过建立采空区三维物理模型，模拟三维空间条件下采空区覆岩冒落过程，在模型中沿工作面走向、倾向分别取剖面进行分析：当工作面推进500m时，各岩层下沉量均已基本稳定，岩层下沉量达到最大，随着距工作面和煤壁距离的增加，岩层下沉量越大；靠近工作面及煤壁附近，由于受煤壁支撑的影响，下沉量明显减小；沿采空区竖直方向，岩层从下往上下沉量逐渐减小。
　　结合得到的采空区各岩层下沉量，计算得到采空区孔隙率的表达式，并利用MATLAB软件拟合得出采空区三维空间孔隙率分布图，结果表明：沿采空区走向方向，孔隙率随距工作面距离的增大逐渐变小，最大可达到0.3，当距工作面距离大于100m时，孔隙率基本不再变化；沿采空区竖直方向，孔隙率从下往上逐渐减小，但在远离工作面及煤壁处，冒落带范围孔隙率小于裂隙带孔隙率。将三维空间孔隙率分布导入Fluent软件中，模拟工作面及采空区流场分布规律，得到的上隅角瓦斯浓度和工作面两端压差与实测结果接近，验证了数值模拟得到的三维空间孔隙率分布的合理性，为进一步研究采空区流场分布研究提供了理论依据。

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1绪论

1.1选题背景及研究意义

1.2国内外研究现状

1.3本文研究内容、方法和意义

2岩石力学理论与覆岩冒落数值模拟理论基础

2.1岩石的力学性质

2.2有限单元法

2.3离散单元法

2.4CDEM软件介绍

2.5本章小节

3 数值模拟岩体力学参数的选取与验证

3.1王庄矿地质概况

3.2岩体力学参数的确定

3.3工作面采动覆岩岩体力学参数验证

3.4本章小结

4采空区三维孔隙率分布规律研究

4.1采空区覆岩冒落规律数值模拟研究

4.2采空区孔隙率分布规律研究

4.3孔隙率分布的验证及应用

4.4本章小结

5结论与展望

5.1主要结论

5.2展望

参考文献

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