煤层注水水压、孔隙率、水分分布及变化规律模拟研究

摘要

煤层注水在煤矿安全和生产中具有重要意义，特别是在瓦斯治理、粉尘防治、冲击地压预防、软化煤体等方面具有重要作用。因此在煤体注水之后对煤体结构（如孔隙率、渗透率）的变化和分布进行相关研究是非常必要的;煤体注水的另外一个重要现象是注水后随之出现水分的增加，这不仅对煤体的结构等具有重要影响，同时还可以控制瓦斯和粉尘等，所以以上几个方面的研究尤为重要，开展注水之后煤体结构及湿润范围变化规律的研究具有重要意义。
　　采用comsol4.3b2D进行了数值模拟计算，通过相关理论分析及研究结合现场测试所得相关基础参数，建立了煤体注水的二维数值模拟模型，通过数值模拟结合后处理计算了注水压力4～14 MPa压力、注水时间0～6 d注水后钻孔周围煤体的水压分布、孔隙率分布、水分分布及其变化规律，通过一系列研究得出以下主要结论:
　　(1)注水后钻孔周围的水压和孔隙率、渗透率呈现出圆形分布，水分分布具有椭圆形等值线分布;水压、孔隙率和渗透率以及水分分布都符合Gauss2D分布。
　　(2)注水过程中钻孔周围煤体的水压、孔隙率和水分都随着注水时间和注水压力的升高逐渐增大并向更远处迅速扩展，水分分布等值线在x轴方向发展的趋势更为明显;水分分布在纵向和横向上具有明显的各向异性，其分布在横向和纵向的比例为1.64174。
　　(3)水压分布等值线、孔隙率分布等值线与水分分布等值线的中心始终保持为钻孔的中心。钻孔周围煤体的孔隙率随着注水时间的延长，当水分增加到一定程度时煤体的孔隙率开始变大，随着水分的增加，孔隙率也逐渐增加，当煤体水分达到一定值时会出现煤体孔隙率升高速率加快的拐点，与钻孔的距离越远孔隙率升高的水分拐点越低，拐点的最低含水率为2.5％;注水后煤体孔隙率与注水之后该处的水压之间具有直线关系，注水压力越大，直线的截距越小，斜率越大。
　　(4)注水过程中存在一个关键的迅速突破的高压值，当注水压力大于该压力时注水效果才能更加明显，针对本文的研究范围注水压力10 MPa为突破压力。
　　(5)根据注水的数值模拟及后处理所得数据，经过逐步回归、指数回归、多项式回归、直线回归等方法建立了注水后钻孔周围煤体水压分布、孔隙率分布、水分分布等关于注水压力和时间的在不同位置处的分布函数。
　　以上研究结果表明，依据合适的理论和物理方程，建立多物理场耦合的数值模拟模型对煤层注水进行研究不仅能较大程度降低工作量，还有利于开展多因素综合研究，对注水问题的研究更加充分，有利于更加全面的了解煤层注水的效果。对指导煤体注水的工程设计和考察能否达到预期效果具有指导意义。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 煤层注水国内外研究现状

1．2．1 煤层注水防尘

1．2．2 煤层注水治理瓦斯

1．2．3 注水软化煤体

1．2．4 冲击地压

1．3 主要研究内容及方法

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 研究方法

1．3．3 技术路线

2 煤层注水基本理论研究

2．1 煤层注水数值模拟模型相关理论

2．1．1 煤体注水渗流方程

2．1．2 煤体注水连续方程

2．1．3 煤层瓦斯运移的连续性方程

2．1．4 力学平衡方程

2．1．5 交叉耦合方程

2．2 煤体注水数值模型参数及变量

2．3 模型的建立

2．4 本章小结

3 注水过程中水压分布规律研究

3．1 钻孔周围水压分布规律与注水压力关系研究

3．2 基于均匀设计的注水过程中煤体压力分布规律研究

3．3 逐步回归方法

3．4 注水工艺参数的逐步回归研究

3．4．1 数据的标准化

3．4．2 P0的逐步回归分析

3．4．3 A的逐步回归分析

3．4．4 W的逐步回归分析

3．5 本章小结

4 煤体孔隙率变化规律研究

4．1 钻孔周围煤体孔隙率分布与注水压力的关系

4．2 钻孔周围煤体孔隙率分布于注水时间和压力的关系

4．3 钻孔周围煤体孔隙率分布于水分含量的关系

4．4 钻孔周围煤体孔隙率分布于水压的关系

4．5 本章小结

5 钻孔周围煤体水分含量分布规律研究

5．1 注水6d不同注水压力下煤体含水率分布研究

5．2 基于全面试验的煤体水分含量分布规律研究

5．3 本章小结

结论

参考文献

作者简历

学位论文数据集