《（冶金行业）深部煤层群采动影响下瓦斯运移规律的数值模拟研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《（冶金行业）深部煤层群采动影响下瓦斯运移规律的数值模拟研究（74页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、中文题目 深部煤层群采动影响下瓦斯运移规律的数值模拟研究 外文题目 NUMERICAL SIMULATION RESEARCH ON THE METHANE DELIVERY LAW UNDER MINING INFLUENCE IN DEEP COAL GROUP 毕业设计 论文 共 75 页 其中 外文文献及译文 31 页 图纸共 0 张 完成日期 2011 年 6 月 答辩日期 2011 年 6 月 I 摘要摘要 深部煤层群的开采具有低透气性 危险性高 高应力 高瓦斯及高吸附性等特点 煤层群开采与单一煤层开采不同 煤层群开采过程中 煤层群底板巷道要经历上下煤层 分别开采引起的影响 底板巷
2、道围岩变形要比单一煤层底板变形严重 因此研究采动影 响下瓦斯运移规律对安全采煤极为重要 分析岩层运移规律 采动覆岩移动与保护层的开采 煤层开采后形成的 三带 确 定煤体微结构因素与瓦斯流动关系 分析煤层瓦斯赋存状态 以及煤层开采过程中煤层 围岩 邻近层中的瓦斯涌出关系 应用流固耦合以及渗流力学 基于 COMSOL Multiphysics 数值模拟方法 研究煤层开采后上覆煤层岩体卸压效应 模拟煤层开采压力 变化与瓦斯运移规律 研究结果可为消除煤与瓦斯突出危险 煤与瓦斯资源安全共采提 供理论依据 关键词 深部煤层群 瓦斯运移规律 流固耦合 煤与瓦斯共采 II ABSTRACT Deep coal
3、 seams have the features with the low permeability dangerous high stress methane and high adsorption Coal seams are different form signal coal with the mining coal seams floor tunnel in coal seams were mined coal to go through the upper and lower dynamic pressure effects caused It s serious form the
4、 signal coal So It s important to research the law of gas flowing Analysis the law of the coal movement of mining overburden the key protect coal mining Formed after the coal mining three zones Factors that determine the microstructure of coal and methane flow relationship Occurrence of coal seam me
5、thane and coal seams during the mining process rock near the level of methane emission in the relationship Application of fluid structure interaction and fluid mechanics Based on COMSOL Multiphysics numerical simulation to study the upper coal seam mining rock mass after the relief effect Simulation
6、 of coal seam methane pressure and migration law The results can eliminate coal and methane outburst coal mining and methane resources to provide a theoretical basis for total security Keywords Deep coal group The law of gas flowing Mining induced fractures development Safety and simultaneous extrac
7、ting of coal and methane 目录 1 1 绪论绪论 1 1 1 1 课题研究的背景 目的及意义 1 1 1 1 课题的研究目的 1 1 1 2 研究深层采煤以及开采保护层的意义 1 1 1 3 研究瓦斯运移规律的意义 2 1 2 研究现状 2 1 2 1 深部煤层群开采研究现状 2 1 2 2 采动裂隙场的研究现状 3 1 2 3 煤与瓦斯流耦合的研究现状 4 1 3 课题研究内容及技术路线 6 1 3 1 研究内容 6 1 3 2 技术路线 7 2 2 煤层瓦斯的赋存与瓦斯渗流煤层瓦斯的赋存与瓦斯渗流 8 8 2 1 煤体微结构分析 8 2 2 煤层瓦斯的赋存状态 9
8、2 3 流体在多孔介质中的运动方程 达西定律 10 2 4 煤层瓦斯运移的基本规律 11 2 4 1 开采煤层中瓦斯的流动 11 2 4 2 邻近层与围岩中瓦斯流动 12 2 4 3 瓦斯在采空区涌出分析 13 3 3 煤层开采岩层移动及规律煤层开采岩层移动及规律 1414 3 1 采动覆岩运动规律 14 3 1 1 采动覆岩运动形式 14 3 1 2 覆岩采动裂隙动态分布规律 15 3 1 3 煤层开采岩层运移破坏的 三带 16 3 2 关键层运动对邻近层瓦斯涌出的影响分析 17 3 2 1 关键层定义及判别 17 3 2 2 关键层及其运动 18 3 2 3 关键层运动对邻近层瓦斯涌出的影
9、响分析 19 3 3 小结 19 4 4 采动影响下瓦斯运移的数学模型采动影响下瓦斯运移的数学模型 2020 4 1 基本假设 20 4 2 采动影响下瓦斯运移规律的数学模型 20 5 5 基于基于 COMSOLCOMSOL 的瓦斯运移规律的数值模拟的瓦斯运移规律的数值模拟 2323 5 1 数值方法简介及软件介绍 23 5 1 1 数值方法简介 23 5 1 2 COMSOL 软件简介 23 5 1 3 固气耦合方程及边界条件 24 5 2 模型的建立 24 5 2 1 工程概况 24 5 2 2 模型的设计原则 25 5 2 3 模型的基本参数 25 5 2 4 几何模型的确定 25 5
10、2 5 网格的划分 26 5 3 数值模拟模拟结果及计算结果分析 27 5 3 1 采动影响下覆岩裂隙发育模拟结果分析 27 5 3 2 卸压瓦斯运移规律模拟结果分析 29 6 6 结论与展望结论与展望 3434 6 1 结论 34 6 2 展望 34 参考文献参考文献 3636 附录附录 A A 3838 附录附录 B B 5151 论文 1 1 绪论 我国是世界上第一产煤大国 煤炭资源分布极其广泛 储存条件变化很大 特别是 高瓦斯 复杂地质条件的深部煤层的矿井安全问题尤为突出 严重影响了矿井的正常生 产 随着煤炭的高度开采 瓦斯爆炸 煤与瓦斯突出等类似事故也频繁发生 迄今为止 瓦斯灾害依然
11、是我国煤矿伤亡 损失最大以及发生最频繁的重大恶性事故 严重威胁着 矿井的安全生产 并给煤矿企业带来沉重的经济负担 深部煤层群具有高瓦斯 低渗透性 开采且与单层煤开采不同的特点 不仅有上覆 岩层的垮落还有下底板的瓦斯涌出 因此研究深部煤层群瓦斯运移规律尤为重要 了解 瓦斯运移规律可以使开采深部煤层时更准确更安全 本文针对深部煤层群的特点 研究开采保护层的情况下瓦斯的渗流规律 运用数值 模拟方法模拟在开采保护层时采动影响下的上覆岩层的垮落变形及裂隙场的分布规律 包括开采保护层形成的 三带 以及裂隙与节理的分布规律 研究裂隙场的分布对被保 护层的瓦斯卸压作用以及瓦斯赋存运移在裂隙场作用下的分布规律
12、模拟深部煤层群煤 层开采情况下瓦斯渗流 煤层开采裂隙场之间的关系 1 1 课题研究的背景 目的及意义 1 1 1 课题的研究目的 深部煤层的开采具有高瓦斯 低渗透性等特点而且开采煤层群与开采单一煤层不同 开采煤层群不但会引起上覆岩层的垮落而且会引起下底板的瓦斯涌出 高瓦斯 复杂地 质条件的深部煤层的矿井安全问题尤为突出 严重影响了矿井的正常生产 然而 随着 煤炭的高度开采 瓦斯爆炸 煤与瓦斯突出等类似事故也频繁发生 瓦斯的开发利用具 有一举多得得功效 提高瓦斯事故防范水平 具有安全效应 有效减排温室气体 产生 良好的环保效应 作为一种高效 洁净能源 商业化能产生巨大的经济效益 因此研究 深部煤
13、层群瓦斯运移规律既能维护安全生产又能准确定位瓦斯卸压值 为瓦斯抽采创造 良好条件 创造经济价值 1 1 2 研究深层采煤以及开采保护层的意义 深部煤层具有高瓦斯低透气性的特点 开采易造成采空坍塌 造成井下人与财产的 深部煤层群采动影响下瓦斯运移规律的数值模拟研究 2 巨大损失 随着开采规模扩大 地下采空区日见增多 地面塌陷区面积增加 直接威胁 人民生活和生产的发展 保护层开采的目的是利用矿山压力引起的岩层运动规律 使被 保护层产生卸压膨胀变形释放弹性潜能 使煤体内瓦斯赋存状态被激活 煤层透气性增 大 使瓦斯抽采成功成为可能 因此 岩层移动卸压是保护层开采后卸压瓦斯抽采的关 键所在 1 1 3
14、研究瓦斯运移规律的意义 瓦斯在煤岩体中的运移规律理论从煤层瓦斯渗流规律 煤层瓦斯扩散理论 煤层瓦 斯渗流 扩散规律 多物理场 多相煤岩瓦斯耦合规律以及煤层卸压瓦斯越流规律到采 动裂隙带瓦斯运移规律的研究 在一定的简化假设下 其发展已经形成较为严密的理论 体系 并在煤矿安全生产中起到了一定的作用 但由于瓦斯在煤岩体中的运移规律是一 个非常复杂的过程 受多种因素影响 各种理论有其一定的适用条件 且大部分的研究 室集中于煤岩体在应力峰前区的瓦斯运移规律 并未涉及煤矿瓦斯治理和开采的本质 不论是高度应力软煤层 还是煤层岩层破坏后或煤岩体在应力峰后区的渗流与煤岩体变 形的耦合规律 其渗流骨架的固体力学描
15、述还没有完备 因此 煤矿瓦斯治理和抽放理 论的发展方向应着眼于峰后煤岩体的渗流结构关系 采动岩体中的裂隙分布与演化规律 进而研究瓦斯在其中的运移规律 瓦斯的用途广泛 一是用作民用燃料 例如发电用燃料 工业用燃料 汽车用燃料 和气体工业用燃料及其它类燃料 二是瓦斯化工 瓦斯化工有两条途径 一条是瓦斯化 工 另一条是合成气化工 煤矿瓦斯的利用主要集中在瓦斯抽采较高的国有重点煤矿区 尤其是 45 户安全重点监控企业 现有煤矿瓦斯利用以民用和工业燃气为主 已达到 80 瓦斯发电则是主导发展方向 瓦斯化工也具有广阔的市场前景 因此 对待这种无色无味的气体 尤其是在深部煤层的开采下 研究瓦斯的运移规 律能
16、有效的避免不必要的损失和事故 而且了解运移规律可以充分利用瓦斯创造更大的 效益 1 2 研究现状 1 2 1 深部煤层群开采研究现状 在国外 1933 年法国最先进行开采保护层防止煤与瓦斯突出的试验 到目前为止 论文 3 几乎所有开采有突出冲击地压煤层的国家 只要煤层赋存条件允许都优先开采保护层 波兰是在世界上较早采用下保护层开采方法采煤的国家之一 因为 煤炭是波兰国民经 济的主要支柱之一 前苏联也是应用保护层开采方法较早且较成功的国家之一 在国内 我国从 1958 年开始在北票和重庆地区进行试验 取得效果后 虽然已在全国有条件的突 出矿井推广应用 但当时在煤层群多重保护层开采作用机理以及保护效果评价等方面未 进行过深入系统研究 直到现在为止对于下保护层开采后上覆岩层裂隙分布及卸压作用 效应研究几乎是空白 针对我国高瓦斯矿区煤系地层多为煤层群的条件和煤层的低透气 性特征 结合我国煤矿长期治理瓦斯的成功经验 提出并已实现一种在高瓦斯煤层群条 件下煤与瓦斯共同作为资源 通过固 气两套系统进行煤与瓦斯安全高效共采 即通过 首采煤层 的开采 在煤系地层中产生 卸压增透增流 效应图 形成瓦斯 解
