掘进巷道煤与瓦斯突出数值模拟研究

摘要

煤与瓦斯突出是一种极为复杂的矿井动力灾害。整个发生过程涉及吸附解吸动力学、构造动力学、瓦斯煤岩体两相耦合的灾害动力学、渗流动力学、地球物理学等多学科领域。国内外学者对煤与瓦斯突出过程机理进行了大量的研究，但是仍旧不能满足对煤与瓦斯突出预防与控制的要求。近年来，随着矿井开采深度不断增加，矿井温度随之提高，温度已成为煤与瓦斯突出机理研究中不可忽视的一个因素。因此，在煤与瓦斯突出演化过程模拟研究中需要考虑温度。本文建立了煤与瓦斯突出孕育过程的热-流-固耦合模型，根据某高瓦斯矿井实测参数，运用耦合软件COMSOL Multiphics与真实破坏过程分析软件RFPA（Realistic Failure Process Analysis）对煤与瓦斯突出发生过程进行模拟研究，模拟得出整个发生过程中各参数的变化规律及煤岩破裂过程本文主要研究内容:
　　(1)系统分析了煤与瓦斯突出机理及影响因素;提出煤与瓦斯突出孕育过程中煤岩孔隙率、渗透率动态方程及热-流-固耦合模型基本数学假设，建立相应动态方程;
　　(2)根据某高瓦斯矿井岩层实测参数及掘进巷道几何断面尺寸，运用三维建模软件Solidworks建立相应的几何模型，与数值模拟软件COMSOL Multiphysics同步链接。
　　(3)建立高瓦斯矿井煤与瓦斯突出孕育过程热-流-固耦合模型，运用COMSOLMultiphysics结合MATLAB进行数值模拟，得巷道掘进后一段时间内围岩孔隙率、渗透率、瓦斯压力、瓦斯流动速度等参数演化图。
　　(4)煤与瓦斯突出之前有放炮作业等扰动;将这种扰动以外界动载荷的形式加载于真实破坏过程分析模型中，运用RFPA软件对煤与瓦斯突出过程进行数值模拟，得出了煤与瓦斯突出发生过程中煤岩破裂演化过程模拟图。
　　本文数值模拟针对于某高瓦斯矿井岩层特征及梯形巷道断面方式，整个模拟过程系统反应了煤与瓦斯突出发生整个过程，模拟结果对煤与瓦斯突出防治理论研究有一定指导意义;分析得出各参数演化规律对煤与瓦斯突出预防与控制具有一定的理论价值和应用价值。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 问题的提出

1．2 国内外研究现状

1．3 本文研究内容及创新点

2 煤与瓦斯突出机理

2．1 煤与瓦斯突出发生过程

2．2 煤与瓦斯突出影响因素

2．3 小结

3 孔隙率、渗透率动态方程

3．1 突出煤体的孔隙、裂隙结构特征

3．2 突出煤的孔隙率动态方程

3．3 突出煤渗透宰动态方程

3．4 小结

4 煤与瓦斯突出耦合模型

4．1 含瓦斯煤应力场方程

4．2 含瓦斯煤渗流场方程

4．3 含瓦斯煤温度场方程

4．4 边界条件

4．5 小结

5 煤与瓦斯突出多场耦合数值模拟及应用研究

5．1 某矿基本概况

5．2 数值模拟

5．3 小结

6 结论及展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间主要成果