采空区覆岩冒落数值模拟及三维空间孔隙率分布研究

摘要

采空区内部气体的流动属多孔介质渗流，采空区内流场的分布受冒落岩石孔隙率的影响。覆岩的冒落下沉规律决定了冒落岩石碎胀特性、孔隙率在采空区三维空间内的分布，进而决定了采空区内流场的分布。所以，对覆岩冒落以及采空区三维空间孔隙率分布开展研究，对于采空区流场的分析具有重要意义。
　　依据赵庄煤矿地质勘探报告，结合不同岩层性质，采用岩石质量评价法，确定了各岩层合理的节理间距与力学参数。对采动岩层数值模拟，将模拟结果中冒落带、裂隙带的高度与经验公式计算、现场考察分析结果比较，模拟得出的覆岩冒落规律接近于工程实际，验证了节理间距与力学参数的合理性。
　　通过对比不同上边界、侧向边界尺寸模型中数值模拟结果的老顶下沉量，得到在对赵庄煤矿采空区数值模拟时的合理模型边界尺寸：当模型上边界尺寸大于70m，侧向边界尺寸大于100m时，才能得到可靠的模拟结果。采用合理的边界尺寸对覆岩数值模拟，研究得出覆岩冒落下沉规律：当推进距离大于300m后，老顶沿推进方向在采空区中部最大下沉量不变；随着距工作面距离增加，老顶下沉量呈线性增加，在工作面后方120m位置处下沉量达最大值2.46m。
　　结合赵庄矿3304工作面岩层分布，在UDEC中建立物理模型，对采动覆岩数值模拟，将二维模拟结果修正并转化为三维，得到在采空区三维空间内冒落岩层各交界面的下沉量。对下沉量数据分析处理，以表达式与分布图表示出了采空区三维空间中孔隙率分布。将孔隙率分布导入采空区流场物理模型，对比采空区流场数值模拟结果与现场实测数据，验证了孔隙率分布的合理性，为大采高工作面采空区孔隙率的设定提供了一种新方法。

目录

封面

声明

致谢

中文摘要

英文摘要

目录

1绪论

1.1课题的研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3本文的研究内容、方法和意义

2岩石力学理论与数值模拟基础

2.1岩石力学性质

2.2拉格朗日元法介绍

2.3通用离散元程序UDEC介绍

2.4本章小结

3岩体力学参数的确定及验证

3.1赵庄煤矿地质概况

3.2岩体力学参数的确定

3.3采动覆岩力学参数的验证

3.4本章小结

4覆岩冒落数值模拟模型尺寸确定及下沉规律研究

4.1模型边界效应对数值模拟的影响

4.2模型合理边界尺寸的确定

4.3顶板下沉规律研究

4.4本章小结

5采空区三维空间孔隙率分布及应用

5.1采空区覆岩冒落下沉规律研究

5.2三维空间孔隙率分布研究

5.3孔隙率分布的验证及应用

5.4本章小结

6结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

作者简历

学位论文数据集