采动裂隙场中瓦斯运移规律实验研究及数值模拟

发布时间：2017-04-05 23:12

  本文关键词：采动裂隙场中瓦斯运移规律实验研究及数值模拟，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：采动裂隙场中瓦斯运移规律是实现深部煤与瓦斯共采的重要基础。本文以打通一矿7#煤层为研究对象，采用含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置，进行了含瓦斯煤岩力学和渗流特性研究。建立了采动裂隙场工程简化三维矩形梯台几何模型，采用运移-扩散方程和Fick扩散定理构建瓦斯运移数学模型。利用COMSOLMultiphysics数值模拟软件，对Y型通风条件下采动裂隙场瓦斯运移规律进行了数值模拟，并与U型通风进行对比，分析两种通风下采动裂隙场中的瓦斯运移及浓度分布规律，得出以下主要研究成果： （1）从煤层微结构、煤层瓦斯赋存状态、采动裂隙场特性及形成过程、卸压煤岩体的渗流特性和影响煤层瓦斯含量的主要因素等几个方面入手对煤层中瓦斯流动特征进行了较深入的理论分析，将采动覆岩用裂隙发育的矩形梯台三维工程模型来描述，并对矩形梯台分区，更为准确的描述了采动条件下采空区裂隙场的分布规律。 （2）分别进行了不同瓦斯压力和不同围压下型煤全应力-应变瓦斯渗流实验，并得到了含瓦斯煤在三轴条件下的力学特性与渗流规律。在围压一定的条件下，，型煤三轴抗压强度随着瓦斯压力的增加而减小，渗透率随瓦斯压力的增加不呈单调的变化；在瓦斯压力一定的条件下，型煤三轴抗压强度随着围压的增加而增加，渗透率随围压的增加呈现单调减小的趋势。从渗透率—轴向应变曲线看，渗透率在轴向应变增加的进程中呈“U”字型变化，即渗透率随轴向应变增加先降低后升高。 （3）在本次模拟所设定的条件下，与U型通风相比较，Y型通风条件下整个工作面的瓦斯浓度都比较低，沿煤层走向瓦斯浓度从工作面往采空区深部区域逐渐升高，离工作面距离越远的区域，瓦斯浓度越高，瓦斯等值面图形态越趋近于空间V字形。U型通风工作面回风巷附近瓦斯浓度较高，瓦斯浓度变化形态比较规则，瓦斯浓度变化速度快。本次模拟结果显示：Y型通风，上隅角瓦斯浓度为0.26%；U型通风，上隅角瓦斯浓度为6.62%，Y型通风较好地解决了工作面瓦斯超限的问题。
【关键词】：采动裂隙场 渗透率 煤与瓦斯共采 Y型通风 瓦斯浓度
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TD712
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 1 绪论9-17
• 1.1 选题意义9-10
• 1.2 国内外研究现状分析10-13
• 1.2.1 岩体裂隙场演化研究现状10
• 1.2.2 采动裂隙场演化研究现状10-11
• 1.2.3 瓦斯流动理论的发展11-13
• 1.2.4 采动裂隙带与瓦斯流动规律研究现状13
• 1.3 本文主要研究内容及技术路线13-15
• 1.4 本文主要研究方法15-17
• 2 瓦斯在煤层中流动的理论分析17-37
• 2.1 煤层微结构17-21
• 2.1.1 孔隙微结构类型17-18
• 2.1.2 裂隙微结构类型18-20
• 2.1.3 煤体微结构特性的主要影响因素20-21
• 2.2 煤层瓦斯的赋存状态21-22
• 2.3 采动覆岩裂隙场的形成22-25
• 2.3.1 采动覆岩裂隙场三区划分23
• 2.3.2 采动覆岩裂隙场三带划分23-24
• 2.3.3 采动裂隙场的空间形态24-25
• 2.4 采动裂隙场基本特性25-27
• 2.4.1 煤层空隙特点25-26
• 2.4.2 多孔介质特性26
• 2.4.3 采空区瓦斯的升浮26-27
• 2.4.4 采空区瓦斯的扩散27
• 2.4.5 采空区瓦斯的聚集27
• 2.5 卸压煤岩体的空隙渗流特性27-32
• 2.5.1 采动卸压瓦斯空隙渗流特性27-28
• 2.5.2 卸压瓦斯运移特性28-29
• 2.5.3 瓦斯运移关键控制因素29-32
• 2.6 煤层瓦斯含量影响因素32-34
• 2.7 煤层瓦斯涌出量分析34-36
• 2.8 本章小结36-37
• 3 煤岩瓦斯流动规律的实验研究37-53
• 3.1 实验原理37-38
• 3.2 实验装置38-39
• 3.3 试验方案39-41
• 3.3.1 试件准备40
• 3.3.2 试验过程40-41
• 3.4 试验结果分析41-50
• 3.4.1 不同瓦斯压力煤岩全应力-应变瓦斯渗流实验41-43
• 3.4.2 不同围压煤岩全应力-应变瓦斯渗流实验43-45
• 3.4.3 应力-应变全过程中含瓦斯煤岩渗透率变化规律45-50
• 3.5 本章小结50-53
• 4 采动裂隙场中瓦斯运移规律数值模拟研究53-71
• 4.1 采动裂隙场中卸压瓦斯运移数学模型53-56
• 4.2 COMSOL Multiphysics 数值计算软件介绍56-57
• 4.2.1 结构力学模块56
• 4.2.2 地球科学模块56-57
• 4.2.3 CAD 导入模块57
• 4.3 采场几何模型57-59
• 4.4 模型网格划分59
• 4.5 主要模型参数的确定59-62
• 4.5.1 渗透率和孔隙率60-61
• 4.5.2 瓦斯质量源项61-62
• 4.5.3 模型边界条件设置62
• 4.6 采动裂隙场中瓦斯运移规律研究62-68
• 4.6.1 采空区瓦斯平面分布特征62-64
• 4.6.2 采空区瓦斯三维空间分布特征64-67
• 4.6.3 Y 型通风工作面瓦斯治理情况67-68
• 4.7 本章小结68-71
• 5 结论及展望71-73
• 5.1 主要结论及创新71-72
• 5.1.1 主要结论71
• 5.1.2 主要创新71-72
• 5.2 展望72-73
• 致谢73-75
• 参考文献75-79
• 附录79
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录79
• B. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目79

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