立井揭煤气固耦合数值模拟及防突技术

摘要

立井揭穿具有煤与瓦斯突出危险性的煤层是当今立井施工中的一项重大安全技术问题。随着煤矿开采深度每年不断的增加，立井揭穿具有煤与瓦斯突出危险性煤层的危险性也在不断增大，严重制约着矿井的安全高效生产。本文采用理论分析、数值模拟分析和工程试验相结合的方法，系统的研究了立井揭含瓦斯煤岩力学分布特征及防突技术。首先，基于含瓦斯煤有效应力原理，通过合理的假设和简化，构建了含瓦斯煤气固耦合方程。然后，将气固耦合方程组嵌入COMSOLMultiphysics软件，分析了不同井筒开挖直径、不同瓦斯压力和不同安全岩柱厚度条件下立井揭煤过程中工作面周围煤岩体的应力分布规律和立井掘进过程中待揭煤层的渗流特性。最后根据立井掘进工作面周围煤岩体应力分布特点，设计采用扇形密集抽采钻孔抽采待揭煤层瓦斯，取得了很好的防突效果。
　　数值模拟结果表明:不同井筒开挖直径、不同瓦斯压力和不同安全岩柱厚度条件下立井工作面周围煤岩体的应力分布规律相似，都存在着应力集中区，卸压区和原岩应力区。在井筒四周存在应力集中区，应力集中区的存在是因为立井开挖过程中，此处煤岩体的原始三向应力平衡状态变成二向荷载，应力发生重新分布。在工作面前（下）方是“漏斗”形采动卸压区，中心为最大卸压区。井同开挖直径越大、预留安全岩柱厚度越小，应力集中区的范围和峰值越大，卸压区的范围也越大。含瓦斯煤的孔隙瓦斯压力越大，煤体的有效应力越低，煤体的强度降低幅度越大。随着瓦斯压力的不断增大，工作面周围煤岩体塑性变形破坏区域不断增大，越容易发生煤与瓦斯突出。
　　采用主动测压的方法，仅需两天时间左右即测得11-2煤层瓦斯压力1.22MPa，判断为煤与瓦斯突出煤层。根据潘三矿深部进风井揭11-2煤工作面应力分布特点，通过采用扇形密集抽采钻孔连续抽采煤层瓦斯28天，累计抽采瓦斯量15951m3，煤层瓦斯预抽率高达57.7％，11-2煤组评价区域内残余瓦斯压力最大值0.32MPa，残余瓦斯含量最大值2.85m3/t。有效的降低了煤层的瓦斯压力和瓦斯含量，在立井井筒四周构成了一定范围的阻止煤与瓦斯突出发生的安全区域，防突效果显著。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 问题的提出及其研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 煤与瓦斯突出的发生条件

1．2．2 立井揭煤防突技术现状研究

1．2．3 采动应力场与瓦斯流动场耦合研究现状

1．3 研究内容与技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

2 含瓦斯煤气固耦合模型建立

2．1 模型构建的基本假设

2．2 含瓦斯煤体有效应力原理

2．2．1 本体有效应力

2．2．2 结构有效应力

2．2．3 等效有效应力

2．3 含瓦斯煤变形场控制方程建立

2．3．1 平衡方程

2．3．2 几何方程

2．3．3 本构方程

2．4 孔隙率和渗透率的动态模型建立

2．4．1 孔隙率动态模型

2．4．2 渗透率动态模型

2．5 含瓦斯煤体的渗流场控制方程

2．5．1 渗流运动方程

2．5．2 渗流状态方程

2．5．3 煤体瓦斯含量方程

2．5．4 渗流连续方程

2．6 定解条件

2．6．1 初始条件

2．6．2 边界条件

2．7 小结

3 立井工作面前方煤岩气固耦合作用下数值模拟分析

3．1 COMSOL Multiphysics数值模拟软件简介

3．2 物理模型的建立

3．3 模拟结果分析

3．3．1 不同岩柱厚度下立井工作面前方煤岩体应力分布

3．3．2 不同井简直径时立井工作面前方煤岩体应力分布

3．3．3 煤层瓦斯压力变化对立井工作面前方煤岩体应力分布的影响

3．3．4 立井掘进过程中待揭煤层渗流特性分析

3．4 小结

4 潘三矿深部进风井揭煤突出危险性分析及防突技术研究

4．1 试验区概况

4．2 煤层突出危险性预测

4．2．1 测压钻孔设计

4．2．2 煤层瓦斯压力测定

4．2．3 煤层瓦斯含量测算

4．3 防突技术

4．3．1 瓦斯抽采钻孔设计

4．3．2 瓦斯抽采效果考察

4．4 防突效果分析

4．4．1 残余瓦斯压力测定

4．4．2 残余瓦斯含量测算

4．5 小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果