采动煤岩体离散裂隙网络瓦斯流动特征及应用研究
发布时间：2020-09-17 21:32
下保护层开采时,上覆煤岩体垮落破断形成三带划分,其中断裂带上承被保护层下接保护层工作面,内部裂隙发育沟通,是卸压瓦斯汇聚流动的主要通道,也是如高抽巷、走向长钻孔等卸压瓦斯抽采工程的主要作用地带。断裂带内岩体堆积结构、裂隙形态和渗透率的分布特征,往往决定了抽采层位选择的合理与否,进而影响卸压瓦斯抽采的效果。本文运用岩石力学、矿山岩体力学、流体力学、渗流力学等理论,采用理论分析、实验研究、数值计算、现场验证相结合的方法,以采动煤岩体离散裂隙网络模型为骨架,以裂隙内瓦斯渗流特征为核心,构建了断裂带内卸压瓦斯流动模型,并以阳泉矿区的走向高抽巷卸压瓦斯抽采工程为背景,验证了模型对高抽巷合理层位选择的指导意义。获得的主要结论如下：(1)断裂带内不同层位覆岩均经历了超前支承-采动卸压-应力恢复三个阶段。卸压范围和卸压程度随着层间距的增加而减小,卸压比与层间距呈对数关系,在应力恢复阶段可视为侧限条件下煤壁上方岩层扩展支承区岩体重力重新作用于采空区而产生的三向应力的线性恢复过程。假设破断岩块为各向同性的弹性体前提下,采动裂隙开度的改变主要归因于破断岩块产生的弹性变形μσ1/Eα1和侧向水平应力对裂隙面的挤压变形bmax[1-exp(-Aμ/(1-μ)σ1)],推导了应力恢复过程中的应力-渗透性耦合关系。(2)覆岩三带在破坏特征、形态及介质流动模型上区别明显。相似模拟实验结果表明,断裂带内采动裂隙主要为水平离层裂隙和垂向破断裂隙,二者占裂隙总量的70.8%。裂隙开度随层位高度的增加而迅速衰减,近水平方向上的小角度裂隙闭合更为明显,断裂带内多以开度小于lmm的裂隙为主。在裂隙发育特征的基础上,构建了断裂带离散裂隙网络模型,定义了控制模型形态的主要三类参数,分别为外边界控制参数、断裂岩块尺度参数、裂隙开度参数。(3)对于单一裂隙来说,在低流量层流状态,裂隙流量与压差满足线性关系,随着流量的继续增加,惯性力造成的湍流效应逐渐显现。流态指数的变化表明,由层流向紊流的发展是连续的过程,实验条件下模拟裂隙试件进入完全紊流时存在临界流量为261mL/min,对应计算得到一般条件下,断裂带内卸压瓦斯流态转变的临界流量约为39.2m3/min。(4)采用瞬态法测定岩样原始渗透率范围为4.8～39.3×10-4mmD,采用稳态法测得峰后裂隙岩样渗透率范围在6.7～69.6mD,相比于原始渗透率增加了4个数量级。裂隙岩样在重新加载中则表现出类弹性行为,以裂隙开度的变化为桥梁,建立了描述应力恢复作用下应变-渗透率模型,并对实验数据进行拟合,理论值与实验值拟合程度平均拟合度在0.95以上,验证了模型的适用性。(5)阐述了上邻近层存在时断裂带内瓦斯流动汇集特征,利用有限元方法模拟得到影响高抽巷卸压瓦斯抽采效果的主要因素为层位的选择和抽采时间。通过构建分布矩阵,将断裂带裂隙渗透率转化为管路当量直径,建立了离散裂隙网络等效模型。(6)在定压边界条件下,利用离散裂隙网络等效模型分析了高抽巷层位选择对断裂带瓦斯流动场汇集特征的影响作用。高抽巷层位由断裂带上方40m下调至断裂带下沿时,瓦斯抽采量下降了25.0m3/min,抽采浓度降低了近55.0%。阳泉矿区高抽巷抽采实践统计表明,当高抽巷层位由距离开采煤层12倍采高下调至8倍采高(断裂带下沿)时,平均抽采量降低了18.8m3/min,平均抽采浓度降为43.0%。高抽巷层位的选择对抽采效果的影响显著,同时实际数据与解算得到的规律基本一致,验证了离散裂隙网络等效模型的合理性。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TD712.6
【部分图文】：
表１－１保护层开采实赃矿井逡逑Ｔａｂｌｅ邋１－１邋Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ邋ｍｉｎｅ邋ｏｆ邋ｍｉｌｌｉｎｇ邋ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ邋ｃｏａｌ邋ｓｅａｍ逡逑矿井名称逦保护层逦披巧护层逦层间祀／ｍ逦巧护层冀型逦窗话逡逑谁南潘一矿逦Ｂ１１媒层逦ｃｎ媒层逦７２逦下保护层逦程迈平等Ｐ］逡逑巧北巧巧矿逦１日媒层逦７、Ｓ、目媒层逦Ｓ４逦下保护层逦王岳等心］逡逑巧泉教思矿逦１５媒层逦３媒层逦１１７．７逦下巧护层逦刘洪永等Ｍ逡逑淮北来化史矿逦１日煤层逦８煤层逦日日逦下保护层逦王巧睡等心１逡逑武烺乌兰矿逦７、８媒层逦２、３媒层逦训逦下保护层逦高峰等［Ｂ］逡逑从空间上看，断骗巧居化处于巧护居与被保护居玄间，忠上后下，被巧护厦逡逑的印压瓦斯可由此间的期睹通道向巧护居Ｘ巧面及采空区涌入，保护厦采空区瓦逡逑斯也可上挥至此形成蜗索，因此断融巧通常是瓦斯抽采措施集中区域。大吾Ｘ程逡逑实战表明Ｕ气巧巧护居开采过捏中，利巧走向高化抽采巷道，对部近上巧护层瓦逡逑斯和采空区积索瓦斯可形成掠好的抽采效果，抽采能力强，能够有敲避免巧压瓦逡逑斯踊入采空区，威曲Ｘ化面■生产安全，fB别适用于大采高}P采、}P放开采等高产逡逑高玻综合机械化采煤方法和邻近居掠多的近距岛煤层巧开采条件。逡逑
当达到式（３－３）条件时，端部将首先发生拉张破巧，直接顶的丈承条件掉变为逡逑巧丈梁，在直接顶培趣前，其变形相对于上靖若项岩居而言掠大，其培蓝摆型逡逑如图３－３巧示。逡逑１邋１邋１邋Ｉ邋１邋ｉ邋１邋ｉ邋１逡逑图３－３直接顶悼枎力学分析逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋３－３邋Ｍｅｃｈａｎｉｃ邋ｓｉＵｉａｔｉ曰Q嗗澹铮驽澹悖幔觯椋钅垮澹椋恚恚澹洌椋幔簦邋澹颍铮铮驽义显谒椭智榭鱿拢赏ü苯佣ビ肜隙ゼ涞翰鉼s判定是吾达到fB想条件逡逑直接顶和老顶的受力模型|!化为切布载荷下的弯曲问题，志大捉度化现在岩梁逡逑中段，怯下式计强；逡逑，逦＿５｛Ｑ邋＋邋ｍ，ｙ）Ｌ＾逡逑厚－—３Ｓ４Ｓ，Ｉ，—逡逑＼逦＇邋＇逦（３－７）逡逑５ｍ＾ｙＬ逡逑＿邋３８４邋k危ｅ义鲜街校蔽敢唤聪钪敬笊斩龋哄义系悖椋颍幔沃苯酉钅洗笊斩龋诲义稀觯蓿啊隙プ陨碓睾杉龋诲义现苯佣プ陨碓睾杉龋哄义系阂焕隙レ阅Ｖ茫诲义戏剑拗苯佣プ阅Ｎ幔诲义侠隙ス咔删埽哄义希桑笠恢苯佣ス咝缘堋ｅ义希常村义
本文编号：2821262
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TD712.6
【部分图文】：
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当达到式（３－３）条件时，端部将首先发生拉张破巧，直接顶的丈承条件掉变为逡逑巧丈梁，在直接顶培趣前，其变形相对于上靖若项岩居而言掠大，其培蓝摆型逡逑如图３－３巧示。逡逑１邋１邋１邋Ｉ邋１邋ｉ邋１邋ｉ邋１逡逑图３－３直接顶悼枎力学分析逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋３－３邋Ｍｅｃｈａｎｉｃ邋ｓｉＵｉａｔｉ曰Q嗗澹铮驽澹悖幔觯椋钅垮澹椋恚恚澹洌椋幔簦邋澹颍铮铮驽义显谒椭智榭鱿拢赏ü苯佣ビ肜隙ゼ涞翰鉼s判定是吾达到fB想条件逡逑直接顶和老顶的受力模型|!化为切布载荷下的弯曲问题，志大捉度化现在岩梁逡逑中段，怯下式计强；逡逑，逦＿５｛Ｑ邋＋邋ｍ，ｙ）Ｌ＾逡逑厚－—３Ｓ４Ｓ，Ｉ，—逡逑＼逦＇邋＇逦（３－７）逡逑５ｍ＾ｙＬ逡逑＿邋３８４邋k危ｅ义鲜街校蔽敢唤聪钪敬笊斩龋哄义系悖椋颍幔沃苯酉钅洗笊斩龋诲义稀觯蓿啊隙プ陨碓睾杉龋诲义现苯佣プ陨碓睾杉龋哄义系阂焕隙レ阅Ｖ茫诲义戏剑拗苯佣プ阅Ｎ幔诲义侠隙ス咔删埽哄义希桑笠恢苯佣ス咝缘堋ｅ义希常村义
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