邻近煤层开采下煤岩体结构体系及瓦斯越流规律研究

摘要

邻近煤层的开采将会导致采场产生一系列连锁反应，围岩卸压，应力重分布，在围岩中形成应力分区，最终导致岩体损伤，破断，裂隙发育，增大煤岩体的渗透性，进而瓦斯解吸，扩散，渗流等。由于瓦斯突出是煤矿中的一大灾难，因此弄清瓦斯的运移特征将是保证含瓦斯煤安全生产的前提。鉴于此本文以邻近煤层开采为研究对象，综合运用结构力学、岩石力学、流体力学、采矿工程、数值计算等理论，提出了邻近煤层开采围岩结构简化模型，并给出了该结构的内力解析解;研究了邻近煤层开采围岩体应力演化移动变形规律;建立了邻近煤层开采瓦斯越流流固耦合控制方程组，并通过数值计算的方法进行验证，分析邻近煤层中瓦斯的运移规律，为瓦斯防突、瓦斯抽放合理布置钻孔等提供理论依据。论文主要研究内容有:
　　 (1)阐述了煤岩体结构的断裂损伤机理及不同部位煤岩体的受力状态，提出了邻近煤层煤岩体采场围岩的结构简化模型，并给出该结构模型受载分布形式及其煤岩体拱结构的内力解析解。
　　 (2)基于FLAC3D分析了邻近煤层开采时围岩应力场演化规律，采场顶板围岩的应力分布演化规律，依据采场应力分析了不同区域的受力情况及裂隙发育情况;分析了围岩体积应变和剪应力的分布规律及开采速度对围岩应力分布的影响，验证了第2章结构模型的合理性。
　　 (3)基于构建的煤岩体变形本构方程、瓦斯连续方程、孔隙度及渗透系数的动态演化方程建立了单一煤层及围岩中的瓦斯流固耦合方程、邻近煤层瓦斯越流流固耦合控制方程组。
　　 (4)利用COMSOL Muliphisics有限元软件，将邻近煤层越流控制方程组采用固体力学模块、流体力学模块及PDE模式进行数值计算，研究了不同时刻煤层中瓦斯压力、孔隙度、渗透系数的变化规律，分析了开采长度、开采厚度对孔隙度和渗透系数的影响及瓦斯速度场的分布规律。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状综述

1．2．1 采场煤岩体裂隙演化研究现状

1．2．2 邻近煤岩体瓦斯运移规律研究现状

1．2．3 采动影响下瓦斯越流研究现状

1．3 研究内容

1．3．1 主要内容

1．3．2 拟解决的关键性问题

1．4 技术路线

1．4．1 研究方法和技术路线

1．4．2 创新性

2 邻近煤层开采下煤岩体结构体系解析

2．1 煤岩体损伤断裂机理

2．2 邻近煤层开采下煤岩体结构模型

2．3 煤岩体结构模型的内力计算

2．3．1 载荷作用下围岩拱结构内力计算

2．3．2 支座转动引起围岩拱结构的内力

2．3．3 两端竖钢架内力计算

2．4 小结

3 邻近煤层开采围岩卸压及移动规律的数值分析

3．1 工程概况

3．2 基本假设

3．3 三维地质模型

3．4 数值计算结果分析

3．4．1 初始地应力

3．4．2 煤岩体沿走向方向竖向应力分析

3．4．3 煤岩体沿走向方向位移分析

3．4．4 煤岩体体积应变增量分析

3．4．5 煤岩体剪应力分析

3．4．6 推进速度对围岩应力的影响

3．5 小结

4 邻近煤层开采瓦斯流固耦合模型

4．1 引言

4．2 含瓦斯煤岩体的物理方程

4．2．1 含瓦斯煤岩体的平衡方程

4．2．2 含瓦斯煤岩体的变形方程

4．2．3 含瓦斯煤岩体的本构方程

4．3 含瓦斯煤岩体运移方程

4．3．1 模型建立的基本假设

4．3．2 达西定律与扩散定律

4．3．3 气体状态方程

4．3．4 瓦斯含量方程

4．3．5 瓦斯流动的连续方程

4．4 煤岩体流固耦合方程的建立

4．4．1 孔隙度与渗透系数的动态方程

4．4．2 单一煤层瓦斯渗流耦合模型

4．4．3 邻近煤层瓦斯越流耦合模型

4．5 小结

5 邻近煤层开采瓦斯运移流固耦合数值分析

5．1 煤层开采与瓦斯运移流固耦合模拟的实现

5．2 流固耦合模型参数设置及模型建立

5．2．1 流固耦合模型参数设置

5．2．2 数值模型建立

5．3 数值计算结果分析

5．3．1 不同时刻瓦斯压力的演化特征

5．3．2 开采长度对瓦斯压力演化的影响

5．3．3 孔隙度与渗透系数的演化规律

5．3．4 开采长度对孔隙度与渗透系数的影响

5．3．5 孔隙度与渗透系数沿深度的变化规律

5．3．6 采厚对孔隙度与渗透系数的影响

5．3．7 瓦斯速度场分布规律

5．4 小结

6 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 展望

参考文献

在读期间发表的学术论文

作者简介

致谢