原煤渗透特性流固耦合实验研究和防水煤柱稳定性分析

发布时间：2017-05-26 20:20

  本文关键词：原煤渗透特性流固耦合实验研究和防水煤柱稳定性分析，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：破碎原煤松软,钻芯取样困难,尽管型煤加工容易实现,但型煤与原煤样在孔、裂隙结构上存在很大差异,不能很好地反映原煤的渗透特性。本论文提出一种酚醛树脂包裹原煤试件的制作方法,采用酚醛树脂包裹原煤试件,进行受压状态下原煤的渗透试验,得到原煤渗透性的流固耦合经验公式。采用FLAC3D软件,通过编译FISH语言,构建基于尖点突变理论的防水煤柱稳定性流固耦合-强度折减法分析方法;结合河南新安煤矿采空区突水情况,通过数值模拟计算,得到不同采空区水压条件下防水煤柱的合理最小尺寸,本文的主要工作如下:1)酚醛树脂包裹原煤试件的配比分析和制作。针对原煤易破碎且不易成形,不利于进行应力-渗流耦合作用的实验研究。酚醛树脂常温下力学性能稳定,凝固后酚醛树脂透明度较高,鉴于此,采用酚醛树脂进行包裹煤样,进行应力-渗流耦合实验。该试件可真实地反映采煤工作面的煤体的裂隙结构,为研究原状煤体渗透性提供了个全新的试验研究载体,解决了破碎煤体难于取样或取样尺寸受限的技术难题;同时酚醛树脂包裹原煤试件中原煤采用的是大尺寸不规则原煤,保证了煤体原有孔隙裂结构基本不受扰动。2)受压条件下酚醛树脂包裹原煤试件的渗透率测试。通过在酚醛树脂包裹原煤试件表面分别施加平行于煤样节理面和垂直煤样节理面的荷载,测得不同应力加载方式、应力大小及水压条件下原煤的渗流量。实验研究发现:当施加应力平行原煤节理方向时,随应力的增大,试样渗透流量增加;当应力垂直原煤节理方向时,随应力的增大而减少。通过对实验数据进行拟合分析,构建三维应力条件下原煤渗透率的流固耦合方程。3)河南新安煤矿防水煤柱稳定性分析。针对河南大有能源股份有限公司新安煤矿突水事故频发,详细统计了新安煤矿的历年突水情况,并对矿井突水原因进行分析。为探究新安煤矿防水煤柱的合理最小留设尺寸,从岩石力学和渗流力学出发采用流固耦合分析方法探讨采空区防水煤柱在采动应力和高水力梯度作用下的流固耦合效应,通过引入流固耦合-强度折减法分析方法研究承压采空区突水过程的流固耦合突变机理,在此基础上通过分析计算得出不同采空区水压条件下,防水煤柱的合理最小尺寸。针对新安煤矿的煤层地质力学条件,耦合分析发现当采空区水压分别为1 MPa、2 MPa、3 MPa、4 MPa、5MPa时,所需防水煤柱最小合理厚度分别为16 m、18 m、21 m、24 m、28m。
【关键词】：流固耦合 数值模拟分析 块状原煤 防水煤柱
【学位授予单位】：湖南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD745;TD822.3
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-21
• 1.1 研究工程背景及意义12-13
• 1.2 国内外研究现状13-18
• 1.2.1 煤体渗流试验研究13-14
• 1.2.2 理论分析14-16
• 1.2.3 数值模拟实验16-17
• 1.2.4 突水防治施工研究17-18
• 1.3 研究内容18-19
• 1.4 研究路线19-21
• 第二章 裂隙煤岩体流固耦合特性分析21-30
• 2.1 流固耦合作用下煤岩体的渗流规律21-25
• 2.1.1 应力与孔隙压作用下煤岩体的渗透系数演化规律21-22
• 2.1.2 体积应力与孔隙压共同作用下煤体渗流规律22-23
• 2.1.3 在法向应力作用下的煤岩体裂隙渗流机理分析23-25
• 2.2 裂隙煤岩体流固耦合模型25-28
• 2.2.1 连续介质流固耦合模型25-26
• 2.2.2 拟连续介质流固耦合模型26-27
• 2.2.3 裂隙介质流固耦合模型27-28
• 2.4 本章小结28-30
• 第三章 酚醛树脂包裹原煤试件的制备30-39
• 3.1 原煤取样30-31
• 3.2 试样制备31-38
• 3.2.1 合理酚醛树脂成分配比31-34
• 3.2.2 推荐尺寸34
• 3.2.3 试样制备过程34-38
• 3.3 本章小结38-39
• 第四章 受压条件下原煤渗透性的流固耦合实验39-51
• 4.1 现有煤体渗透性测试方法的不足39-40
• 4.2 受压条件下原煤渗透性的流固耦合实验40-50
• 4.2.1 实验仪器及实验加载40-43
• 4.2.1.1 实验设备40-41
• 4.2.1.2 实验过程41-43
• 4.2.2 实验结果分析43-50
• 4.2.2.1 渗流量分析43-47
• 4.2.2.2 原煤渗透性分析47-48
• 4.2.2.3 原煤渗透率的流固耦合方程48-50
• 4.3 本章小结50-51
• 第五章 新安煤矿防水煤柱稳定性数值模拟51-71
• 5.1 新安煤矿概况51-52
• 5.1.1 地理位置51-52
• 5.1.2 地形地貌52
• 5.2 新安矿井水文条件52-55
• 5.2.1 突水情况介绍52-54
• 5.2.2 突水原因分析54-55
• 5.3 突水的流固耦合机理55-58
• 5.3.1 流固耦合分析55-57
• 5.3.2 防水煤柱弹塑性分析57-58
• 5.4 突变理论防水煤柱稳定强度折减法58-61
• 5.5 防水煤柱数值模拟实验61-65
• 5.5.1 突变理论防水煤柱稳定强度折减法数值模拟实现61-62
• 5.5.2 数值模型建立62-63
• 5.5.3 数值实验模拟过程及参数选定63-65
• 5.6 数值模拟计算及结果分析65-69
• 5.6.1 不同折减系数防水煤柱渗透系数分析65-66
• 5.6.2 防水煤柱安全系数分析66-68
• 5.6.3 防水煤柱安全系数和防水煤柱、防水煤柱厚度关系分析68-69
• 5.7 本章小结69-71
• 第六章 结论与展望71-74
• 6.1 主要结论71-72
• 6.2 展望72-74
• 参考文献74-79
• 致谢79-80
• 附录80-81

【参考文献】

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1 韩立尚;宋蕾;杨成立;贾世茂;张星河;丁荣春;;建筑物荷载作用下采空区地下水流失研究[J];金属矿山;2010年09期

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本文编号：398027