基于断层构造-煤体裂隙特征的分区式煤层注水数值模拟研究

摘要

煤层注水作为一种广泛使用的润湿技术，它因有效地包裹了煤体的每一个细小部分，进而改变煤体的物理力学性质，最终起到了很好的降尘作用。同时，水分进入煤体后，使煤体结构变得松散和容易割落，降低了冲击地压及煤震造成矿井垮塌的风险。然而，煤层注水作为一项灾害综合治理技术，缺少全面系统的研究。特别是在工程预案的制定过程中，无法量化分析断层与煤体裂隙对注水效果的影响，导致中国煤矿的煤层注水效果普遍较差。
　　因此，本文在结合矿井规程图并参考大量三轴压缩实验的基础上，将煤矿的复杂地质构造拆解为基本断层与裂隙，并逐一分析其对注水效果的影响。同时，借助MATLAB编程建立了包含大量采动裂隙的煤体模型，以精准仿真矿压动压区煤体的注水效果。针对矿井实际情况设计了分区式注水方案，并进行了注水效果的模拟分析，得到了渗流压力、速度与水分增量的量化分布及变化结果。
　　研究结果表明：断层发生转折、交叉及贯穿注水孔处，水分增量明显高于其他区域。相对于无预制断层煤体，在120h内，15MPa压力下，预制平面断层煤体增加的82.78m3单孔注水量，预制曲面断层煤体增加的70.94m3单孔注水量均集中于此；水分增量场与渗流压力场、渗流速度场在注水前期的分布基本一致，且随着大量断层被水分浸润，断层在起到储水作用的同时，也加速了附近煤体的润湿速度。
　　将课题研究成果在主要研究矿井进行了应用，实践表明：分区式注水前后，煤层孔隙率可由平均3.6%增大至5.7%；单孔注水量由目前国内外传统注水方式的不足70m3提高至132m3；煤体水分含量由注水前的平均2.8%增大至注水后的4.2%。采煤、移架及落煤高浓度粉尘作业环节注水后降尘率达到61.36%、68.75%、61.48%。而后，将本文研究成果推广至其它矿井综采面进行应用，同样取得了良好的降尘效果。

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ABSTRACT

CONTENTS

1 绪 论

1.1 选题背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 煤层注水理论研究现状

1.2.2 流体在煤岩体内渗流实验研究概况

1.2.3 煤层注水渗流数值模拟研究概况

1.2.4 煤层注水技术国内外研究概况

1.3 研究内容与技术路线

2 煤层注水基本理论

2.1 煤层注水润湿机理

2.1.1 煤的孔隙与裂隙结构

2.1.2 煤的孔隙率

2.1.3 煤的水分及其吸水性

2.1.4 煤层润湿机理

2.2 多孔介质渗流理论

2.2.1 饱和多孔介质渗流定律

2.2.2 非饱和多孔介质渗流定律

2.2.3 多孔介质应力平衡方程

2.2.4 流体连续性方程

2.3 流体层流基本理论

2.3.1 Navier-Stokes方程

2.4 本章小结

3 断层构造及采动裂隙预设机理

3.1 煤体断层平曲面分解组合

3.1.1 煤体三轴实验原理

3.1.2 煤体原生裂隙分解

3.1.2 煤体原生裂隙组合

3.2 采动裂隙预设机理

3.2.1 采动裂隙成因与起始位置分析

3.2.2 采动裂隙分布特征分析

3.2.3 采动裂隙预设准则

3.3 本章小结

4 煤层注水多物理场耦合渗流模拟分析

4.1 矿压静压区注水数值模拟

4.1.1 几何模型与参数设置

4.1.2 煤层注水渗流压力场分析

4.1.3 煤层注水渗流速度场分析

4.1.4 煤层注水水分增加量分析

4.2 矿压动压区注水数值模拟

4.2.1 几何模型与参数设置

4.2.2 煤层注水渗流压力场分析

4.2.3 煤层注水渗流速度场分析

4.2.4 水分增量结果分析

4.3 本章小结

5 工程应用

5.1 主要研究矿井概况

5.1.1 矿井概况

5.1.2 分区式煤层注水工艺

5.2 注水效果

5.2.1 主要研究矿井工程应用

5.2.2 推广矿井工程应用

5.3 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

作者简介及研究生期间学术与学业成果