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1、 专业 专注 深部煤层群采动影响下瓦斯运移规律的数值模拟研究毕业论文深部煤层群采动影响下瓦斯运移规律的数值模拟研究毕业论文 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 课题研究容及技术路线 6 1 3 1 研究容 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
2、 8 8 2 1 煤体微结构分析 8 2 2 煤层瓦斯的赋存状态 9 专业 专注 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
3、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 专业 专注 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
4、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 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 专业 专注 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
5、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
6、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 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 提高瓦斯事故防水平 具有安全效应 有效减排温室气
7、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 专业 专注 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
8、保护层开采后卸压瓦斯抽采的关键所 在 1 1 3 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
9、流与煤岩体变 形的耦合规律 其渗流骨架的固体力学描述还没有完备 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
10、 尤其是在深部煤层的开采下 研究瓦斯的运移规 律能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 专业 专注 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 我国从 1958 年开始在北票和地区进行试验 取得效果后 虽然已在全国有条件的突出矿 井推广应用
11、 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 解吸 扩散 渗流 活化流动的条件通过合理高效的瓦斯抽采方法和抽采系统 同时实现瓦斯资源 的高效抽采 瓦斯资源的抽采可大幅度地减少 卸压煤层 的瓦斯含量 消
12、除其煤与瓦 斯突出危险性 减少卸压煤层开采时的瓦斯涌出量 从而实现卸压煤层的安全高效开采 1 2 2 采动裂隙场的研究现状 天泉院士等对我国煤矿开采覆岩破坏与裂隙分布作了大量的实测和理论研究 1 4 对 采场上覆岩层移动破断与采动裂隙分布规律提出了 横三区 竖三带 的总体认识 即 沿工作面推进方向覆岩将分别经历煤壁支撑影响区 离层区 重新压实区 由下往上岩 层移动分为冒落带 裂隙带 整体弯曲下沉带 得出计算裂隙的公式 国许多学者对覆 岩离层进行了多方面的研究 5 10 由于对岩层部移动的动态过程难以清楚的了解 因而难以掌握岩层开采裂隙动态发 育规律 这显然不能更好地适应煤矿绿色开采实践的需求
13、未解决岩层控制中更为广泛 的问题 钱鸣高院士等于 1996 年提出岩层控制关键层理论 11 13 它为深入研究岩层部移 动的动态过程和岩层采动裂隙动态分布规律提供了强有力的理论工具 关键层理论的基 本学术思想为 由于成岩时间及矿物成分不同 煤系地层形成的厚度不等 强度不同的 多层岩层 其中一层至数层厚硬岩层在煤层移动中起主要控制作用 将对岩体活动全部 或局部起控制作用的岩层称为关键层 关键层判别的主要依据是其变形和破断特征 即 在关键层破断时 其上部全部岩层或局部岩层的下沉变形是相互协调一致的 前者称为 岩层活动的主关键层 后者称为亚关键层 也就是说 关键层的断裂将导致全部或相当 专业 专注
14、部分的上覆岩层产生整体运动 覆岩中的亚关键层可能不止一层 而主关键层只有一层 为了弄清开采时由下往上传递的岩层移动动态过程 并对岩层移动过程中形成的采场矿 压显现 煤岩体中瓦斯流动和地表沉陷等状态的变化进行有效监测与控制 关键在于弄 清关键层的变形破断及其运动规律以及在运动过程中与软岩层间的相互耦合作用关系 钱鸣高院士 缪协兴教授提出了煤层开采后上覆岩层中会形成两类裂隙 一类是离 层裂隙 是随岩层下沉在层与层间出现的沿层面裂隙 它使煤层产生膨胀变形而使瓦斯 卸压 另一类裂隙为竖向裂隙 是随岩层下沉破断形成的穿层裂隙 它沟通了上 下岩 层间瓦斯通道 2000 年树刚教授等通过相似模拟实验分析了采
15、动后覆岩关键层活动特征对裂隙带分 布形态的影响 首次提出上覆岩层中破断裂隙和离层裂隙贯通后的分布特征 14 2003 年 程远平 俞启香 袁亮等运用数值模拟和现场试验相结合的研究方法 研究上覆远程卸 压岩体移动和裂隙分布以及远程卸压瓦斯的渗流流动特性 提出了符合远程卸压瓦斯流 动特性的远程瓦斯抽采方法 15 2004 年 石必明 俞启香 周世宁等通过对缓倾斜煤层 保护层开采深部煤岩破裂变形的研究 得出覆岩垮落及裂隙演化规律 16 泽功研究了受 采动影响采场覆岩裂隙的时空演化机理 结果表明 采场覆岩在采动过程中 岩层之间 产生不一致性的连续变形 这种岩层间的不协调变形将形成岩层移动中的各种裂隙分
16、布 17 从离层 层裂和断裂发展到冒落 受采影响覆岩的变形是由下至上逐层递进发展的 所以也会产生短期的离层 覆岩中的离层而和纵向破断裂而存在着开和闭合 从产生 发展到最终闭合是一个动态演化过程 模拟实验研究发现 对于处在采空区的小同空间 位置的上覆岩层 其裂隙演化过程所经历时间周期完全不同 在采空区上下风巷 工作 面上方和开切眼区域 顶板岩层中裂隙充分发育后将可保持相当长的时间周期 2005 年 石必明 俞启香教授基于相似材料模型试验 首次应用非接触式数字近景摄影技术研究 远距离保护层开采过程中覆岩微变形移动特性 得出在远距离保护层开采时 被保护层 位于弯曲下沉带 它在一定围发生膨胀变形 引起煤层透气性增大 1 2 3 煤与瓦斯流耦合的研究现状 自 1947 年前苏联学者 P M 克里切夫斯基将渗透理论用于描述层瓦斯运移过程 得出 了考虑瓦斯吸附性质的瓦斯渗透规律 为煤岩瓦斯渗流理论的发展奠定了基础 到现在 煤岩瓦斯耦合作用理论几经发展了近 60 年 目前 在国外反应瓦斯运移机理的数学模型 主要集中在煤层瓦斯渗流规律 煤层瓦斯扩散理论 煤层瓦斯渗流 扩散规律以及多物 专业 专注 理场
