采动影响下覆岩应变-孔隙率-渗透率演化模型开发及应用

摘要

采场覆岩会随着工作面的推进发生移动、变形和破断等运动，纵向上形成“竖三带”，不同区域内的岩层受扰动后的渗透率变化也不同。因此，采动覆岩渗透率分布的研究对掌握瓦斯在采动覆岩中的运移规律进而提高井下抽采瓦斯效率均有重要意义。
　　本文首先引入应用于地表沉陷计算的影响函数法，推广建立了分区情况下的工作面上覆岩层移动模型，对关键参数选取进行讨论并合理地优化。为了验证移动模型的可靠性，通过在工作面上方地表设立地表沉陷观测站以及利用数值模拟方法对其地表的观测结果、覆岩层运动的模拟结果与模型的理论计算结果进行了双向对比验证。基于前述覆岩层移动计算模型，进一步开发了描述采动岩层应变-孔隙率-渗透率之间的模型。通过分析覆岩移动、垮落规律，在纵向上按覆岩发育“竖三带”分别发展了岩层渗透率计算方法，主要取得以下成果：
　　（1）开发了基于影响函数法的岩层移动模型，依据“竖三带”分区建立不同区域内岩层的移动模型，并对其中涉及到的关键参数进行讨论与优化。
　　（2）基于“竖三带”不同区域内采空区上覆岩层的移动特性，分别建立了岩层应变-孔隙率-渗透率模型，可对冒落带岩层（孔隙发育为主）、裂隙带以及弯曲下沉带岩层（裂隙发育为主）的渗透率分别进行计算。
　　（3）以阳煤五矿8133工作面为工程背景，将上述模型的理论结果分别与地表沉陷观测和3DEC数值模拟进行了对比，结果表明所建立的岩层移动数值模型的计算结果和实测吻合程度较高；同时，模拟结果表明垮落带最终发育高度为57.3m，岩层移动模型计算结果则为55.87m，二者之间的偏差较小。
　　（4）利用开发的岩层应变-孔隙率-渗透率模型对阳煤五矿8133工作面覆岩进行了渗透率分布变化的计算，计算结果表明：采空区上方55.87m附近的岩层受采动影响，裂隙较发育，渗透率变化大。结合矿方瓦斯治理的需求，提出了高抽巷层位高度设计的优化方案，在实际工程效果中对工作面瓦斯抽采效果良好，其中高抽巷的瓦斯抽采量占到了工作面瓦斯总抽采量的96.76%以上。
　　本文建立了一套分区计算岩层移动模型，以及相应的岩层应变-孔隙率-渗透率模型，利用现场观测、模拟分析验证模型可靠性，也取得了一定的工程效果。结果证明，理论计算结果具有良好的可靠性及实用性。通过本文的研究，针对采动覆岩建立的岩层移动模型以及应变-孔隙率-渗透率计算模型不但有利于井下瓦斯抽采，而且可以进一步推广应用于治理地层水涌出、设计地表保水开采方案等。

目录

声明

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1 研究背景与意义（Research Background and Significance）

1.2 研究现状及存在问题（Research Status and Problems）

1.3 研究目标和内容（Research Objectives and Contents）

1.4 研究方法及技术路线（Research Methods and Technical Routes）

2工作面覆岩层移动模型及应变-孔隙率-渗透率模型研究

2.1 裂隙带和弯曲变形带岩层移动模型的建立(Strata Movement Model in Fracture zone and Bending Zone)

2.2 冒落带岩层移动模型的建立(Strata Movement Model in Caving Zone)

2.3“竖三带”中采动覆岩渗透率分布研究(The Study of Permeability Distribution in Strata of Overlying Vertical Three Zones)

2.4 采动覆岩应变-孔隙率-渗透率模型的建立(Strain-Porosity-Permeability Model of Overlying Strata)

2.5 本章小结(Chapter Conclusion)

3 覆岩层移动模型在阳煤五矿8133工作面的实证研究

3.1 阳泉五矿8133工作面概况(General Situation of 8133 Working Face)

3.2 阳泉五矿8133工作面地表移动计算与现场观测数据对比分析(The Comparative Study of Surface Movement Calculation and Observation Data of 8133 Working Face)

3.3 岩层移动模型计算结果与3DEC数值模拟结果对比分析（The Comparative Analysis of Calculation Result and 3DEC Simulation of Strata Movement）

3.4 本章小结(Chapter Conclusion)

4 阳煤五矿8133工作面覆岩渗透率演化研究及应用

4.1 覆岩体渗透率演化计算结果及分析(The Calculation Result of Overlying Strata Permeability Distribution and Analysis)

4.2 阳煤五矿8133工作面高抽巷布置及瓦斯抽采效果评估(The Design of High Drainage Roadway of 8133 Working Face and Verification of Gas Drainage)

4.3 本章小结(Chapter Conclusion)

5 结论与展望

5.1 结论（Conclusions）

5.2 研究展望（Research Prospect）

参考文献

附录1

作者简历

学位论文数据集