“三软”煤层上保护层开采下伏煤岩瓦斯气固耦合模型及应用

发布时间：2020-11-10 08:47

　　 近年来,随着我国煤矿开采强度的增加和开采深度的加大,许多矿井开采水平逐渐进入高应力区,开采条件日益复杂和恶化,特别是“三软”(煤层顶底板和煤层属软煤岩)突出煤层,煤与瓦斯突出的强度、频次均呈增强趋势。上保护层开采是优先选择的区域性防突措施,受高应力、高瓦斯和煤岩松软等煤岩瓦斯赋存条件和开采环境的影响,上保护层开采面临如何提高下伏被保护层防突效果和预防工作面瓦斯异常涌出等诸多难题。本文根据河南平顶山四矿煤层瓦斯赋存地质条件,通过相似模拟试验和数值模拟相结合的方法,系统研究了“三软”煤层上保护层开采下伏煤岩体的移动变形、卸压特征及卸压瓦斯流动等规律,并进行了瓦斯抽采模型应用,论文主要研究工作如下:(1)进行了“三软”煤层上保护层开采底板围岩透气性演化相似试验研究,系统研究了上保护层开采过程中下伏煤岩体移动变形及透气性变化的时空演化规律。(2)基于单孔介质理论,构建了基于Poyting-Thomson体蠕变力学模型的采动煤岩体变形与卸压瓦斯流动的气固耦合动力学模型。(3)基于COMSOL Multiphysics多物理场耦合平台,构建了采动煤岩体变形与卸压瓦斯流动的多物理场耦合模型,验证了相似模拟试验的结果。(4)基于COMSOL Multiphysics多物理场耦合平台,分别进行了“三软”煤层瓦斯顺层钻孔抽采和穿层钻孔抽采模型应用,并在顺层钻孔抽采模型应用中将分别基于蠕变力学模型和传统的基于线弹性力学模型建立的气固耦合动力学模型做了对比。
【学位单位】：青岛理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TD712
【部分图文】：

下钻孔抽采过程中，由于钻孔抽采会持续一岩体的持续压缩作用会重新分布，导致煤体是煤体蠕变现象的重要表现之一。因而，蠕型包括经验蠕变模型、损伤蠕变模型、元件蠕变模型。由于岩石蠕变元件模型可以从概分量，因而很多学者使用蠕变元件来解释岩三种基本元件分别为虎克体、库伦体和牛顿性，库伦体表示岩石的塑性特性，牛顿体表示组合之下，我们选择其中具有代表性的蠕型（Kelvinbody）：由一个虎克体和一个牛顿学模型如图 1-1 所示。

图 1-2 广义 Kelvin 模型Fig.1-2 Generalized Kelvin model程可表示为：0 0 21 21 expEtE E t 0时，01E ，表明该模型有瞬时应变；当t 时， 一种稳定蠕变。因而，广义开尔文模型是一种拥有初始瞬。埃丁 汤姆逊体模型（Poyting-Thomson body）：由一个虎体模型并联而成，其力学模型如图 1-3 所示。

图 1-2 广义 Kelvin 模型Fig.1-2 Generalized Kelvin model示为：0 0 21 21 expEtE E ，01E ，表明该模型有瞬时应变；当t 定蠕变。因而，广义开尔文模型是一种拥有姆逊体模型（Poyting-Thomson body）：由并联而成，其力学模型如图 1-3 所示。
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本文编号：2877737