三维采动应力条件下煤层覆岩及底板裂隙场演化规律与瓦斯运移特征研究

发布时间：2017-04-13 06:07

  本文关键词：三维采动应力条件下煤层覆岩及底板裂隙场演化规律与瓦斯运移特征研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在煤矿开采活动中,煤层开采后顶底板岩层应力状态发生变化,工作面推进一定距离后采空区顶底板岩层产生弯曲、变形、剪切破坏,各岩层由于抗弯刚度不同引起的变形不协调,导致离层裂隙与纵向破断裂隙出现,形成顶底板围岩裂隙场。形成的采动裂隙场为工作面、采空区遗煤、邻近层涌出的瓦斯提供了积聚的空间,从而影响了采空区瓦斯的赋存、运移状态。国内外学者对采空区围岩裂隙场的研究多以物理平面相似模型实验及数值模拟为基础,但在实际的开采活动中,煤系地层处于复杂多变的三维应力状态,因此开展三向不等采动应力条件下裂隙场的演化规律研究具有重要意义。本文基于三维相似开采模拟试验和COMSOL数值模拟相结合的方法,对煤层围岩的采动应力变化规律、裂隙场演化规律及瓦斯运移特征进行研究,取得了以下主要研究成果:①利用重庆大学自主研制的“多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统”,通过加热电热片熔化石蜡的方法模拟煤层开采过程,实现了三维应力条件下煤层开采过程的模拟实验;②以川煤集团白胶煤矿2481工作面为原型,进行了三维采动应力条件下的相似模拟开采试验,得出了底板岩层的动态应力特征、弯曲变形规律、裂隙分布特征及底板采动破坏深度等变化规律;③以平煤十矿己15煤层24080工作面为原型,进行了三维采动应力条件下的相似模拟开采试验,揭示了上覆岩层的动态应力特征、岩层移动规律、裂隙分布形态等变化规律;④根据分形几何理论,通过对覆岩裂隙进行统计,得到了覆岩裂隙分形维数的变化规律;⑤基于三向采动应力条件下形成的覆岩裂隙场空间分布特征,建立了三维数值模型,并利用COMSOL Multiphysics多场耦合软件进行了数值模拟,揭示了采空区瓦斯的运移规律。
【关键词】：覆岩及底板 采动条件 三向不等应力 裂隙演化 瓦斯运移
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD325;TD712
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-9
• 1 绪论9-19
• 1.1 研究意义9-10
• 1.2 研究现状10-15
• 1.2.1 底板岩层采动破坏规律研究现状10-12
• 1.2.2 上覆岩层采动裂隙场演化及瓦斯运移规律研究现状12-13
• 1.2.3 数值模拟技术在采矿工程中的应用13-14
• 1.2.4 煤矿保护层开采方法研究现状14-15
• 1.3 研究内容、方法及技术路线15-19
• 1.3.1 主要研究内容与方法15-16
• 1.3.2 技术路线16-19
• 2 底板岩层采动破坏规律的三维模拟试验研究19-41
• 2.1 相似实验原理19-21
• 2.1.1 相似模型实验19
• 2.1.2 相似理论19-21
• 2.2 矿区地质概况21-26
• 2.2.1 矿区位置21-22
• 2.2.2 矿区煤层22-23
• 2.2.3 工作面地质情况23-26
• 2.3 相似模拟实验26-33
• 2.3.1 实验装置26-29
• 2.3.2 模型相似比的确定29-30
• 2.3.3 实验模型制作30-32
• 2.3.4 实验过程32-33
• 2.4 实验结果及分析33-39
• 2.4.1 底板应力监测及特征34-35
• 2.4.2 底板纵向破断裂隙分布特征35-37
• 2.4.3 底板岩层弯曲变形特征37-38
• 2.4.4 底板离层裂隙分布特征38-39
• 2.4.5 底板裂隙带划分及最大破坏深度的确定39
• 2.5 本章小结39-41
• 3 上覆岩层采动裂隙场演化规律的三维模拟试验研究41-63
• 3.1 矿区地质概况41-44
• 3.1.1 矿区位置41-42
• 3.1.2 矿区煤层42-44
• 3.2 相似模拟实验44-48
• 3.2.1 实验装置44
• 3.2.2 模型相似比的确定44-45
• 3.2.3 实验模型制作45-46
• 3.2.4 实验过程46-48
• 3.3 实验结果及分析48-61
• 3.3.1 上覆岩层应力监测及特征48-50
• 3.3.2 上覆岩层竖直切面裂隙的分布特征50-53
• 3.3.3 上覆岩层水平切面裂隙的分布特征53-56
• 3.3.4 上覆岩层裂隙场数值模型的建立56-57
• 3.3.5 上覆岩层裂隙分布的平面量化统计57-59
• 3.3.6 上覆岩层裂隙分布的分形研究59-61
• 3.4 本章小结61-63
• 4 上覆岩层采动裂隙场的瓦斯运移数值模拟研究63-75
• 4.1 COMSOL Multiphysics数值模拟软件介绍63
• 4.2 覆岩采动裂隙场数值模型的建立及边界条件的确定63-64
• 4.3 覆岩采动裂隙场瓦斯运移数值模拟的控制方程64-66
• 4.3.1 采空区变密度混合组分输运方程64-65
• 4.3.2 裂隙内瓦斯RNG k-ε 湍流流动方程65-66
• 4.3.3 岩石多孔介质内瓦斯运移方程66
• 4.4 覆岩采动裂隙场瓦斯运移规律数值模拟实验结果66-72
• 4.4.1 覆岩裂隙场内瓦斯压力随时间变化的分布规律66-68
• 4.4.2 覆岩裂隙场不同高度的瓦斯浓度分布规律68-70
• 4.4.3 覆岩裂隙场不同走向区域的瓦斯压力与流场分布规律70-72
• 4.5 本章小结72-75
• 5 结论与展望75-77
• 5.1 结论75-76
• 5.2 展望76-77
• 致谢77-79
• 参考文献79-83
• 附录83
• A：作者在攻读硕士学位期间的科研情况83
• B：作者在攻读硕士学位期间发表论文情况83
• C：作者在攻读硕士学位期间参与申请的专利83

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本文编号：302956