回采工作面前方煤体瓦斯渗流-涌出特性数值模拟研究

摘要

煤层瓦斯的赋存和流动是一个复杂的问题。由于实际煤矿开采中煤体所处物理环境的复杂性，很难详细分析瓦斯在其中的流动状态。本文以实验所测煤体参数为基础，运用 ANSYS有限元软件对工作面前方煤体瓦斯渗流场进行了数值模拟，探讨了在瓦斯压力和采动应力的影响下，瓦斯渗流场在煤体的分布特点，以及瓦斯压力和采动应力对渗流特性的作用特点。
　　运用 ANSYS有限元软件对煤层进行了渗流场和采动应力场的数值模拟。通过推导瓦斯渗流控制方程，对瓦斯渗流理论与热传导理论进行比较，确定 ANSYS热分析功能对瓦斯渗流进行模拟分析的可行性，以及相关参数边界的转换方式，并对渗透率分别在瓦斯压力和采动应力的单因素影响下的瓦斯渗流，进行了数值模拟分析。将煤样的瓦斯压力—渗透率对应关系通过参数非线性定义的功能，代入模型进行模拟分析，得出瓦斯压力影响下的渗流场，同时对比无影响的瓦斯渗流场，得出瓦斯压力对渗流过程的影响特点；模拟回采区域煤岩采动应力场，根据煤体膨胀率和有效应力—渗透率关系，分析采动煤层的渗透率分布，并以此为模拟参数进行煤体的渗流模拟。
　　模拟结果显示，瓦斯压力和采动应力对瓦斯渗流都有促进作用，可降低工作面煤壁附近煤体的瓦斯压力，通过分析工作面瓦斯渗流速度，也可得出瓦斯涌出速度和涌出量。但在工作面暴露初期，由于采动影响造成煤体应力分布不均，煤体膨胀卸载，从而引起渗透率发生不规则变化，导致煤体瓦斯渗流极不稳定，并依此进行了瓦斯压力、采动应力对煤与瓦斯突出的影响分析。
　　通过建立煤层物理模型，可以进行一系列的瓦斯渗流模拟，并且具有一定的通用性，也为研究分析煤层瓦斯渗流提供了一条新思路。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 煤层瓦斯渗流研究现状

1.3 问题的提出及研究意义

1.4 本文主要研究内容与方法

第二章 煤层瓦斯渗流理论分析

2.1 渗流理论基础

2.2 瓦斯渗流数学模型

2.3 本章小结

第三章 瓦斯渗流数值模拟的实现

3.1 ANSYS软件介绍

3.2 ANSYS渗流模拟原理

3.3 瓦斯渗流数值模拟方法

3.4 渗流算例

3.5 本章小结

第四章 瓦斯压力影响下的瓦斯渗流

4.1 瓦斯压力对渗流影响分析

4.2 渗流场模拟

4.3 模拟结果分析

4.4 本章小结

第五章 采动应力影响下的瓦斯渗流

5.1 采动应力对渗流影响分析

5.2 采动应力场模拟分析

5.3 实际采动应力下的瓦斯渗流

5.4 模拟结果分析

5.5 本章小结

第六章 瓦斯渗流模拟应用分析

6.1 煤与瓦斯突出诱因模拟结果分析

6.2 瓦斯涌出量预测

6.3 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 主要创新点

7.3 展望

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士学位期间发表的学术论文