高强度开采煤体采动裂隙场演化及其与瓦斯流动场耦合作用研究

论文摘要

我国是世界上煤与瓦斯突出最为严重的国家之一。近年来的瓦斯相关事故的共同特点是发生事故工作面的煤层条件大部分为厚及特厚煤层,所采用的采煤方法大部分为综采放顶煤、大采高综采等高强度开采方法。然而,目前在瓦斯灾害以及煤与瓦斯突出的形成机理,瓦斯事故的预警、防治、应急救援等方面基础研究还很不够。在相关研究中对瓦斯爆炸的间接原因如具有爆炸危险的瓦斯是如何流动与涌出的研究不够深入,同时对煤体采动裂隙对瓦斯流动影响的研究关注也还不够。鉴于此,论文以高强度开采采动煤体为研究对象,采用现场实测与实验室实验相结合、理论分析与数值分析相结合的研究方法,利用采矿工程、岩石力学、渗流力学、等多学科交叉方法,研究了煤体采动裂隙场演化及其与瓦斯流动场耦合作用。论文的的结构见论文结构图,论文主要研究内容及成果有:（1）为了获取煤体内部及表面采动裂隙,进行了钻孔窥视、测线法和测窗法相结合煤体采动裂隙场的现场实测研究;在分析煤体采动应力分布特征的基础上,提出了工作面前方煤体采动裂隙场及其分区的概念,并对分区的分布特征和影响因素进行了分析。（2）为了模拟煤体裂隙及其演化,通过适当的数学方法对煤体的非均匀性进行了表征。具体做法是利用Monte Carlo方法生成伪随机数,对单元进行随机赋值;同时对FLAC3D自带Mohr-Coulomb模型进行了修改,利用VS2005开发了更适合煤体的基于弹脆塑性本构模型Fracture.dll。最后将现场煤体采动裂隙观测结果作为初始状态,利用FLAC3D调用Fracture.dll实现了煤体采动裂隙演化的模拟。（3）进行了一系列煤体渗透率应力敏感性的实验,模拟高强度开采对瓦斯渗流的影响。主要包括单/三轴渗透率应力敏感性实验、不同尺度下的煤样渗透率应力敏感性实验、不同孔隙压力下煤样渗透率应力敏感性实验、煤样渗透率应力敏感性并联实验。主要结论为:①煤样渗透率与所加应力的关系满足负指数关系数学表达式;不同的加载形式,对渗透率的影响程度不同,围压对渗透率的影响比轴压大;②随着煤体尺寸的增大,煤样渗透率与围压应力敏感性曲线斜率绝对值渐渐变小。当煤样尺寸增大至d=100 cm后,较低围压对煤样渗透率的影响已经不再明显;尺寸相同的情况下,较高的初始渗透率,煤体的渗流通道较大,更容易压缩。③对于低渗透率煤体,在较低的孔隙压力和流速下煤体内瓦斯流动存在滑脱效应。在较低的孔隙压力下,煤体渗透率相对较高,这与砂岩油、气藏储层的特性类似。④随着煤体受力状况发生变化,不同的煤层渗透能力将发生变化,主要渗流方向和流量的贡献率随之发生变化;（4）在上述研究基础上,分析了采动裂隙场演化过程中煤体渗透性的变化,建立了渗流—应力耦合方程。通过不同方案的数值模拟研究,进行瓦斯流动过程分析。（5）以天地王坡煤业有限公司3207工作面的瓦斯抽放为背景,利用研究成果,结合COMSOL Multiphysics软件进行了采动裂隙场对瓦斯抽放影响的数值模拟研究。研究表明裂隙的方位和走向对瓦斯流场分布起主要作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 论文选题背景及意义
• 1.2 国内外相关研究文献综述
• 1.2.1 煤岩体裂隙场演化研究现状
• 1.2.2 煤体裂隙场研究现状
• 1.2.3 瓦斯渗流理论研究现状
• 1.2.4 采动对瓦斯渗流影响研究现状
• 1.3 已有研究的不足
• 1.4 论文的主要研究内容和研究方法
• 1.4.1 主要研究内容
• 1.4.2 研究方法
• 1.4.3 技术路线
• 2 煤体采动裂隙场分布特征及演化规律研究
• 2.1 煤的内生裂隙
• 2.2 采动对煤体裂隙演化影响的现场实测研究
• 2.2.1 深孔窥视研究
• 2.2.2 测线法及测窗法研究
• 2.3 煤体采动裂隙（场）分布特征研究
• 2.3.1 煤体采动应力场特征分析
• 2.3.2 煤体采动裂隙场分区的提出
• 2.3.3 煤体采动裂隙场分区的分布特征分析
• 2.4 煤体采动裂隙场演化仿真原理
• 2.4.1 基于连续介质力学的裂隙模拟方法
• 2.4.2 伪随机数的生成
• 2.4.3 单元力学性质随机赋值
• 2.4.4 煤体弹脆塑性本构关系建立
• 2.5 煤体采动裂隙场演化数值实现
• 2.5.1 煤体非均质性的Monte Carlo法实现
• 3D中的数学表达式'>2.5.2 理想弹脆塑性本构关系在FLAC^3D中的数学表达式
• 2.5.3 程序编制与调试
• 2.5.4 初始裂隙场形成
• 2.5.5 煤体采动裂隙场演化模拟
• 2.6 小结
• 3 高强度开采对瓦斯渗流影响实验研究
• 3.1 实验背景
• 3.2 实验原理
• 3.3 实验内容
• 3.3.1 煤样制备
• 3.3.2 实验方案
• 3.3.3 实验流程
• 3.4 单/三轴渗透率敏感性实验结果及分析
• 3.4.1 单轴实验
• 3.4.2 三轴实验（轴压4MPa）
• 3.4.3 三轴实验（轴压10MPa）
• 3.5 考虑尺度效应的煤样渗透率应力敏感性实验结果及分析
• 3.5.1 实验结果
• 3.5.2 尺度效应公式推导
• 3.5.3 结果分析
• 3.6 不同孔隙压力下煤样渗透率应力敏感性实验结果及分析
• 3.6.1 实验结果
• 3.6.2 归一化处理分析
• 3.7 并联实验结果及分析
• 3.7.1 实验结果
• 3.7.2 对实验结果的讨论
• 3.8 小结
• 4 煤体采动裂隙场演化过程中的瓦斯流动研究
• 4.1 采动裂隙场演化过程中煤体渗透性的变化分析
• 4.2 瓦斯渗流-应力耦合方程建立
• 4.3 煤体采动裂隙场演化过程中瓦斯流动的数值模拟
• 4.3.1 渗透率为常数时瓦斯流动的数值模拟
• 4.3.2 渗透率为随机变量时瓦斯流动的数值模拟
• 4.3.3 渗透率为考虑裂隙存在的随机变量时瓦斯流动的数值模拟
• 4.4 小结
• 5 采动裂隙场对瓦斯抽放影响的数值模拟及其应用
• 5.1 工程应用背景概况
• 5.1.1 煤层及顶底板情况
• 5.1.2 瓦斯情况
• 5.1.3 工作面巷道布置
• 5.1.4 回采工艺
• 5.1.5 顶板管理
• 5.1.6 瓦斯抽放方案
• 5.2 煤层瓦斯抽放数值模拟
• 5.2.1 数值模拟软件COMSOL Multiphysics简介
• 5.2.2 考虑应力、裂隙、渗流耦合瓦斯抽放渗流场变化规律
• 5.2.3 测线法观测区域瓦斯抽放模拟
• 5.3 小结
• 6 结论、创新点与展望
• 攻读博士学位期间发表的学术论文与承担的科研项目
• 参考文献
• 致谢