采动破碎岩体渗流特性及渗流耦合模型研究

论文摘要

采矿活动必然造成地下岩体应力的重新分布和岩体的破裂损伤,这种损伤极大地改变了围岩的渗透性,从而导致了矿井突水和瓦斯突出等安全事故。采动破碎岩体是岩土工程中一种较为常见的多孔介质,具有较高的压实性和渗透性,其渗透系数比完整岩体增加一至数个量级,煤矿开采中常会遇到破碎岩体中的渗流问题,因而采动破碎岩体渗流行为的研究对于促进煤矿安全生产、实现煤炭资源的绿色开采和煤炭工业的可持续发展有着重要的理论意义和工程实际价值。同时,如何及时有效地对突水和瓦斯突出进行预测及防治,需要进一步研究渗流破坏机制,所以建立相应的渗流耦合模型,是进行机制分析的理论基础,对预测及防治具有重大的科学指导意义。针对低渗透性煤层瓦斯赋存和运移的特点,根据瓦斯渗流与煤体变形的基本理论,引入煤体孔隙变形与透气性演化的耦合作用方程,建立了考虑煤层吸附、解吸作用的含瓦斯煤岩固气耦合作用模型。应用该模型模拟研究了不同压力影响下瓦斯抽放过程中煤层透气性的演化和抽放孔周围瓦斯压力的变化规律。采空冒落区破碎岩体,属于高孔隙特征,瓦斯渗流为非线性非Darcy渗流特性,本文提出基于Fick扩散定律和Brinkman方程的瓦斯扩散-通风对流运移模型,比较适合采空冒落区的风流运动和瓦斯对流扩散规律。通过数值求解,研究采煤工作面采空冒落区内瓦斯运移的作用机理。计算结果表明,本文提出的模型兼顾流体压力梯度和风流动能作用的特点,科学合理,符合实际。针对矿井突水问题,考虑采动破碎岩体的非达西渗流特性,本文认为Brinkman方程比较适合描述从含水层中的Darcy层流向巷道中的Navier-Stokes紊流过渡的流体流动过程,基于质量守恒和压力平衡,建立了突水流体流动数值模型。据此,以采动诱发陷落柱、断层突水为例,应用COMSOL Multiphysics系统数值分析工具,通过在模型中耦合了Brinkman方程、Navier-Stokes方程和Darcy方程,把含水层、岩体破碎带和巷道整个突水水流路径连接在一起,模拟突水流动全过程。计算结果表明,陷落柱、断层作为含水层渗流和巷道突水自由流动的过渡区域,在采掘扰动下,其渗透性变化对于突水压力和流速演变十分敏感,陷落柱或断层导水破碎带沟通了含水层和巷道之间的水力联系,而含水层充足的补给水量是保持恒定的高水压并沿陷落柱或断层形成突水的根源。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究问题的提出及重要意义
• 1.2 国内外研究现状、发展动态
• 1.3 本文研究的思路及主要内容
• 第二章 采动破碎岩体渗流破坏演化机理
• 2.1 破坏诱发渗透性演化方程
• 2.2 破碎岩体非Darcy渗流机理表征
• 2.2.1 渗流基本方程表达
• 2.2.2 Brinkman方程非Darcy效应模拟
• 2.3 小结
• 第三章 基于COMSOL MULTIPHYSICS的多物理场耦合分析
• 3.1 概述
• 3.2 有限元分析软件COMSOL Multiphysics简介
• 3.2.1 COMSOL Multiphysics软件概述
• 3.2.2 COMSOL Multiphysics使用过程简介
• 3.2.3 COMSOL Multiphysics基本模块略述
• 3.2.4 COMSOL Multiphysics中的地球科学模块功能介绍
• 3.3 COMSOL Multiphysics中多物理场耦合分析
• 3.4 小结
• 第四章 煤层瓦斯的渗流耦合模型研究
• 4.1 煤层瓦斯运移扩散的Darcy渗流气固耦合模型及卸压抽放机理研究
• 4.1.1 控制方程
• 4.1.2 计算模型和方案
• 4.1.3 讨论
• 4.1.4 小结
• 4.2 采空冒落区非Darcy瓦斯扩散-通风对流模型研究
• 4.2.1 计算模型建立
• 4.2.2 算例
• 4.2.3 小结
• 第五章 岩体破坏突水机理及非线性渗流模型
• 5.1 岩体破坏突水机理及渗流模型的认识
• 5.2 非线性渗流突水模型建立
• 5.3 算例
• 5.3.1 突水计算中水流三个物理方程的描述
• 5.3.2 采动诱发陷落柱突水模拟
• 5.3.3 断层突水数值模拟
• 5.4 小结
• 第六章 结论及展望
• 6.1 本文的主要结论
• 6.2 今后的工作与展望
• 参考文献
• 致谢
• 发表论文情况
• 作者简介