（安全技术及工程专业论文）复合关键层下采场压力及煤层瓦斯渗流耦合规律研究.pdf

煤体变形对瓦斯涌出的影响，其瓦斯涌出规律与渗流耦合模型数值计算结果相似，从现场实例验证了论文理论分析的正确性；在此基础上，对工作面煤层瓦斯预抽参数进行了优化设计。，论文通过复合材料结构力学理论建立了w i r l k l e r 地基复合关键层模型，对复合关键层破断距及工作面前方支承压力进行了分析，在此基础上建立了复合关键层下煤层瓦斯渗流耦合模型，将研究成果成功应用于亭南煤业公司1 0 l 综放面，并对1 0 1 综放面煤层瓦斯预抽参数进行了优化设计，抽放效果显著，取得了一定的经济和社会效益。关键词：复合关键层；复合材料结构力学；w i n l 【1 e r 地基；瓦斯渗流；固气耦合研究类型：应用研究s u b j e c t：m i n i n gf i e i dp r e s s u r ea n dc o a i b e dg a ss e e p a g es o l i d - g a sc o u p l e ds t u d yi nt h ec o n d i t i o no fc o m p o s i t ek e ys t m t u m ls p e c i a i t y：s a f e t y1 e c h n o l o g ya n de n g i n e e r i n gn a m e：p a nh 伽g y ui n s t r u c t o r ：l is hu g a n ga b s t r a c t( s i g n a t u r e )( s i g n a t u r e )w i t hm ed 印t l la i l di n t e n s i 够o fe x p l o i t a ：t i o ni n c r e 弱e ，s o n l ep r o x i m a lh a r dr o c ka p p e a r e dc o m p o s i t ee f f e c t ，t l l er e s u l t i l 培r o c kp r e s sa 拼) e a r a l l c eh a sg r e a ：t e rc l m l l e n g e st 0g a sd r a i r l a g ei l lc o a ls e 锄s os t l j d y i n gh a r dr o c k sc o m p o s i t ee f f e c t 觚di t si n n u i e n c et 0t h er u l eo fc o a l b e dm e t h a n es e 印a g e s ，i l 勰g r e a tm e o r e t i c a l 觚de n 西n e e r i i l gs i g i l i f i c a n c ef 0 rg u i d i n gg 觞d r a i n a g ei nc o a ls e 锄i nt h ec o n d i t i o no fc o m p o s i t e t h en l a i nc o n t e n t s ：( 1 ) u s i n gc o m p o s “em a t e r i 甜s t m c t u 】n a ln l e c h 砌c st 1 1 e o 巧，a i l a l y z e dc o m p o s i t ek e ys 仃a t u m sf o r c et h e o r e t i c a l l y ，d e t m d e dw i n k l e rf 0 1 m d a t i o nc o m p o s i t ek 0 ys t r a t i 朋s 证嘧v a l u s i n ga d v 锄c e dp r e s s p a s s 、s p r e a d i n ga i l da 仕e 删a t i o nt 0d e 印，w t l i c hf o n n e db yc o i n p o s i t ek e ys 伽抛m sf l e x u r ei 1 1i t sv e 巧n e 盯毗rs 缸a t 啪，a c l l i e v e dc o a lm 嬲s 敷i v 锄c e dp r e s si nt l l ec o n d i t i o no fc o m p o s i t ek e ys t r a t u ms 仇l c t u r e p r o v i d e dt ：h e o r e t i c a lb a s i sf o rd e t c n n i i l i n gw o d d n gf a c e sc r o s s - o f j fp a c ea n ds u p p o r tl e c t o 够p ei nt l l ec o n d i t i o no fc o m p o s i t ek b ys t i 翟_ t i l m ( 2 ) u s i n gr f p a 3 dn 啪e r i c a ls i n m l a t i o n ，c o n t 斛i v e l y 锄a l y z e dt 1 1 ei n t e r v a ll a w 、a d v a l l l c e dp r e s sd i s t r i b u t i o na 1 1 dc o a lm a s s d e f o n n a t i o nl a wo fc o m p o s i t ek e ys t r a t l 】m 、c o m b i n a t i o nk e ys t r a t u ma n da m i c o m p o s i t ek e ys t r i 狮l m ；a p p l i e dp h y s i c a lm o d e l i n ge x p e r i m e n t sa i l a l y z e da n dg o tt h el a wo fc o m p o s i t ek e ys 缸a ：t u mi n t e r v a la j l da d v a n c e dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n ，e f r e c t i v e l yr e v e a l e dm ec o m b i n e de 船c t so fk e ys t r a n l m ( 3 ) u s i i 培c o a ls 锄p l e se l e c t r o - h y d r a u l i cs e n r 0t e s to fc o m p l e t es t r e s s s t r a i np r o c e s st h ep 印e ri ss u b s i d i z e db yt h e 眦t i o 舱ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o np r o j e c t ：t h ef u n d a m e n t a lt 1 1 e o 叫o fs i m u l 诅n e o u se x n 佻t i n go fc 0 a la n dg a sb 私e d0 nc h 锄g i n go fm i n i n gf r a c t u r ef i e l d ( 5 0 5 7 4 0 7 2 ) ，t h ec o u p l i n gm e c h a i l i s mo fm i n i n g i n d u c e df r a c t u r ef i e l da n dr e l i e v e dm e t h a n es e e p a g ef i e l d ( 5 0 8 7 4 0 8 9 ) ，卸dt h en a t u r a is c i e n c ef o u n d a t i o np r o j e c to fs h 啪x ip m v i n c e ：s t u d yo nc o u p l i n gm e c h 锄i 锄o fd y 彻m i ce v o l v e m e n t 西m i n i n 分i n d u c e df r a c t u r cf i e l d 锄ds e e p a g eo fg 瓠d e l i v e q ( 2 0 0 6 e 2 0 3 ) i 1 1 f i l t r a t i o nc h 蹦l c t e r i s t i c s ，d e t e m i n e dc o a lr o c k s g a sp e 肌e a b i l i 哆，a 1 1 da 1 1 2 l l y z e dt h ei m p a c to fs t r e s s ，s t r a i n ，p o r ep r e s s u r e ；b u i l tc o a l - b e dm e t h a n es e e p a g ec o u p l e dm a m e m a t i c a lm o d e li nt h ei n n u e n c eo fc o m p o s i t ek e ys 蛐l m ，m e a n w t l i l e ，d i s c u s s e dt i m ev a r i a b l ed i s c r e t i z a t i o n 、r e p r e s e n t a t i v ee l e m e n t a r yv o i u m ea n a i y s i sa i l dc o a lm a s sf o m a t i o nf i e l de q u a t i o nd i s c r e t i z a t i o nt oc o a l - b e dm e t h a i l es e 印a g ec o u p l e dm a t h e m a t i c a lm o d e l ( 4 ) u s i n gr f p a 2 dn 啪秭c a ls i m u l a t i o n ，c o n s i d e r e dm ei m p a c to fc o m p o s i t ek e ys 仃i l t i n 趾d 趾t i - c o m p o s i t ek e ys t r a t 啪o nt h ea d v a n c e dp r e s s u r ea i l dg a ss e e p a g eo ft h ec o a ls e 锄，a n a l y z e dt h ec h a n g em l eo fo v e r l y i n gs t r a t am o v e m e n t 、a d v a i l c e dp r e s s u r ea n dg a sp e m e a b i l i t yc o e 珩c i e n tc a u s e db ym i n i n gi nt l l e s et w o 咖t u r e s ( 5 ) t h r o u g ht h er o c k b u r s to b s e r v a t i o na i l dg a sm o i l i t o r i i 培i n1o1 如l l ym e c h a i l i z e dt o p - c o a lc a v i n gf a c eo ft i n gn a nm i n e ，g o tc o a lf k ew a i g h t i n gd i s t a n c ea n dc o a lm a s sa d v a n c e dp r e s s ，w h i c hi ss i m i l a rt ot h er e s u l t so ft h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n so fw i n h e rf b u n d a t i o nc o r n p o s i t ek b ys t r a l u m ；a i l a l y z e dt h ei m p a c to fa d v a i l c e dp r e s sa n dc o a lm a s sf o m l a t i o nt og a se m i s s i o n ，i t sg 嬲e m i s s i o nl a wi ss i m i l a rt ot h er e s u n so fs e e p a g ec o u p l e dm a t h e m a t i c a lm o d e lc a l c u l a t i o n s ，t h l l sv a l i d a t e dt h ec o r r e c t n e s so fm et h e s i s m e o r e t i c a la i l a l y s i sb yf i e l de x 锄p l e s ；o nt h i sb a s i s ，c 删e do no p t i i i l a ld e s i g n i n gt oc o a lf 如em e t l l a n ep r e - e x t r a c t i o np 蹦h n e t e r s ，h a sa c h i e v e dr e m a r k 曲l ee c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s t h r o u 曲c o m p o s i t em a t e r i a ls m t u 】n a lm e c l l 趾i c st h e o 哆，b u i l tw i n “e rf o u n d a t i o nc o i n p o s i t ek e ys t r 批m o d e li nt h et h e s i s ，a n a l y z e dk e ys i m e r v a la l l da d v a n c e dp r e s si n 胁n to fc o a lf a c e ，b a s e do n “s ，b u i l tc o a l - b e dm 砒a n es e 印a g ec o u p l e dm o d e l i nm ei n n u e n c eo fc o m p o s i t ek 0 ys t r 2 曲m ，a p p l i e dr c s e a r c hr e s u l t ss u c c e s s m l l yi n10lf u l l ym e c h a i l i z e dt o p - c o a lc a v i n gf a c eo ft i n gn a l lc o a l ，a n dc 秭e do no p t i m a ld e s i g i l i n gt 0m e t h a n ep r e e x 协a c t i o np 猢e t e r si n1ol 如l l yi i l e c h a i l i z e dt o p - c o a lc a v i n gf a c e ，e x t r a c t i o ne f i e c ti sr e m a r k a b l e ，h a sa c l l i e v e dc e r t a i ne c o n o m i ca i l ds o c i a lb e i l e 丘t s k e yw o r d s ：c o m p o s i t ek e ys t r a n 瑚c o m p o s i t em a t e r i a ls t m c t u r a lm e c h a l l i c sw i i l k l e rf o 啪d a t i o ng a ss e e p a g es o l i d - g a sc o u p l e dt h e s i s：a p p l i c a t i o n西安科技大学学位论文独创性说明本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了感谢。学位论文作者签名潞忘专日期：功多学位论文知识产权声明书黧篓蕊卜嗽：铡圳日靴敝储鹕：潞惑了舯刻磁轹芳铡口1 绪论1 1 选题背景及研究意义1 绪论1 1 1 选题背景煤层瓦斯是在煤的形成过程中生成并赋存于煤层及煤系地层的一种天然气【l 】。我国是煤炭生产和消费大国，国有矿井中高突瓦斯矿井占到了4 9 8 以上。据统计，2 0 0 5 年，全国煤矿发生瓦斯事故4 1 4 起、死亡2 1 7 1 人1 2 】。2 0 0 6 年，发生瓦斯事故3 2 7 起、死亡1 3 1 9 人【3 j 。2 0 0 7 年，发生瓦斯事故2 7 2 起、死亡1 0 8 4 人。2 0 0 8 年，瓦斯事故死亡人数降到1 0 0 0 人以下，死亡7 7 8 人【4 】，不仅严重威胁着矿井安全生产，而且造成巨大经济损失和社会危害p j 。大力开发煤层气【6 】( 瓦斯) ，既可以充分利用地下资源，又可以改善矿井安全条件和提高经济效益，还有利于改善地方环境质量和全球大气环境。目前我国已探明原煤储量达到9 8 0 0 亿t ，煤层气( 瓦斯) 资源相当丰富，据估算，陆上埋深2 0 0 0 m 以浅的煤层气资源量为3 2 3 5 万亿m 3 ，相当于4 5 0 亿t 标准煤，多于陆上常规天然气的资源量( 2 9万亿m 3 ) ，其储藏量约占世界的1 3 ，极具开采利用价值。我国的瓦斯资源开发从1 9 5 2 年开始，开发主要采用抽放的方式，虽然在一定程度上起到了防止瓦斯事故发生的作用，但收效甚微，没有从根本上解决问题【7 】。煤层瓦斯储层渗透系数低、煤层瓦斯压力较低、煤层在水力压裂等强化措施下形成常规破裂隙所占比例低，是限制我国高瓦斯矿井井下瓦斯抽放效果的主要原因。因此，我国煤层气开发的重点应放在井下，利用地下开采活动在采场周围形成的支承压力，使煤壁前方煤体裂隙扩展、贯通、加密，弱化煤体强度，并在煤壁一定深度形成塑性区，此区域对煤层渗透特性的影响较大，能提高抽放的效果。要提高采动影响下煤层瓦斯抽放效果，则必须掌握煤层开采矿山压力显现的基本特征，利用煤层前方支承压力分布特点，结合煤与瓦斯渗流的耦合特性，设计优化瓦斯抽放( 抽采) 钻孔布置。而由于煤层开采深度及强度的增加，仅仅研究老项岩层的稳定、破断及由此产生的矿山压力显现等问题已显出其局限性。我国部分矿井上覆坚硬岩层较多，这时出现了多亚关键层结构，采场来压步距增大，同时多亚关键层跨落在工作面前方煤体形成较大的支承压力区，由此影响煤体骨架的变形及破坏，并对本煤层瓦斯渗透系数产生较大的影响，由此产生的渗透系数变化达到1 0 0 0 多倍，进而影响本煤层瓦斯渗流。反过来，瓦斯的流动状况及分布规律也影响煤体骨架的变形及破坏，二者是相互作用、相互影响的，即在煤层开采中瓦斯渗流与煤体变形之间存在着复杂的耦合关系。西安科技大学博士学位论文笔者在位于陕西彬县和长武县交界处的亭南煤业公司1 0 1 综放面开采时进行的矿压观测和瓦斯涌出监测中，发现其上覆岩层亚关键层较多，初次来压步距达到6 5 7 m ，支撑压力大，持续时问长，瓦斯涌出量大，与一般老顶相差较大，其特殊的矿压特征显示亚关键层之间存在某种相关性。当两层略硬岩层相距较近时，将产生类似于复合板或复合梁那样的结构效应，它们的承载能力不是简单的线性叠加，远比线性叠加值大。钱鸣高院士【8 】把两相距较近的关键层产生的承载能力显著增强现象称之为关键层的复合效应，即复合关键层。这时，如分别对单一亚关键层进行分析，以此研究单一关键层条件工作面前方煤体支承压力及本煤层瓦斯渗流固气耦合规律，将产生较大误差。目前对复合关键层条件下煤层前方支承压力及煤层瓦斯渗流耦合理论的研究尚处于空白阶段，因此对复合关键层及煤层瓦斯渗流耦合理论进行分析与研究，对复合关键层条件下煤层开采瓦斯治理显得尤为重要。1 1 2 研究意义本文试图通过综合性研究方法，对复合关键层破断距进行推导和计算，以分析复合关键层对煤体支承压力及变形的影响，并结合瓦斯渗流，建立复合关键层下本煤层瓦斯渗流耦合数学模型。这将对复合关键层条件下煤矿瓦斯抽采有非常重要的意义。( 1 ) 对复合关键层进行理论分析，研究复合关键层初次破断与周期破断规律，对指导复合关键层条件下工作面来压提供理论依据；( 2 ) 分析复合关键层条件下前方煤体支承压力及分区特征，对工作面支架选型及超前支护提供理论支持；( 3 ) 复合关键层破断引起支承压力及煤体变形加剧，煤层渗透气性系数增大，此区域煤层瓦斯涌出剧增，这是瓦斯抽采的重点区域。为了提高瓦斯抽采率、优化瓦斯抽放工艺参数，通过复合关键层条件下本煤层瓦斯渗流固气耦合理论研究，进而布置本煤层合理的瓦斯抽放系统，对于探索适合在复合关键层条件下本煤层瓦斯抽放利用技术、解决瓦斯灾害及保护大气环境，早日实现煤与瓦斯安全共采，提供了理论基础和科学依据。因此对复合关键层进行理论分析，研究复合关键层条件下工作面前方煤体支承压力分布规律及本煤层瓦斯渗流固气耦合规律，具有重要实际应用价值。1 2 国内外研究动态及发展趋势1 2 1 岩层移动理论研究现状基岩段岩层介质具有两个显著特性：其一层状特性，在移动过程中，易出现层与层间的离层现象；其二破断前的近似连续介质与破断后的非连续介质的双重特性。对于厚21 绪论硬岩层，其双重特性更为明显。岩层移动贯穿于岩层变形破断及其破断后运动的全过程，要弄清岩层的移动变形既要研究岩层破断前的变形与断裂特征，更要研究其破断后的运动特性，这是岩层移动学科有别于其他主要考察岩体破断前运动特征的岩土工程学科的显著特征。岩层移动研究方法只有很好地适应岩层的上述特点，才能与实际结论相符合。岩层移动研究方法主要包含三类：实测研究方法，主要包括地表沉陷观测，从地面往岩层打岩层移动观测钻孔或在煤层顶板布置岩移观测巷，尽管研究取得了大量成果，但该研究方法成本大、周期长，更不能掌握岩层移动的全貌。实验室模拟研究方法，目前多为平面应力模型，模型的侧向变形及干燥收缩变形误差难以估计和排除。实验室模拟研究方法是一种经济有效的方法，应进一步发展岩移的模拟试验技术研究，包括三维立体模型，改善实验的测试手段，开展试验误差及误差排除方法的研究，提高模型实验研究结果的可靠性与准确性。理论研究方法，是岩层移动研究最便捷的方法。其研究方法的实质是根据研究问题建立其数学力学模型，然后求解此模型，得到问题的解。1 9 8 1 年刘天泉1 9 j 等系统总结了概率积分法在我国应用中的经验，提出了覆岩破坏的基本规律，并给出了冒裂带高度的计算方法。李增琪( 1 9 8 5 ) 采用f o u r i e r 变换推导了岩层与地表移动的弹性力学表达式。张玉卓( 1 9 8 6 ) 在连续介质力学理论基础上发展了岩层移动的位错理论。何万龙【lo 】( 1 9 8 6 1 9 9 2 ) 提出了山区地表移动预计计算方法。郝庆旺【1 1 j ( 1 9 8 8 ) 提出了采动岩体沉陷的空隙扩散模型。杨硕【1 2 】( 1 9 9 0 ) 给出了开采沉陷的力学预测模式。范学理【1 3 】( 1 9 9 1 ) 等先后采用相似材料模型试验对不同地质采矿条件下开采覆岩与地表移动进行了研究。邓喀中( 1 9 9 3 ) 提出岩体开采沉陷的结构效应，( 1 9 9 9 ) 研究了综采放顶煤地表移动规律特殊性，得出综放开采时地表移动更加剧烈，地表危险移动范围增大【1 4 1 ，同年采用采动岩体动态力学模型，对采动引起的覆岩移动破坏的时空规律进行了研究【”】。王悦汉，邓喀中( 2 0 0 1 ) 又采用不同的岩体移动力学模型模拟不同时段的岩层移动，建立了各阶段岩层移动模型的微分方程，给出了各模型的边界条件以及各模型之间的转换条件，建立了采动岩体动态力学模型，编制了相应的计算机可视化程序【l 酬。邓喀中( 2 0 0 4 ) 又根据老采空区特点，提出了残余移动变形等效采厚的概率积分预测方法【l7 。邹友峰( 1 9 9 4 ) 提出条带开采沉陷预计的三维层状介质理论u 弘1 9 j 。吴立新( 1 9 9 4 ) 提出了条带开采覆岩破坏的托板理论【2 0 】。于广明( 1 9 9 4 1 9 9 7 )提出了开采沉陷的非线性机理和规律，以及分形损伤在开采沉陷中的应用【2 1 ，2 2 ，2 3 1 。谢和平从能量的角度出发，分析研究了岩石的变形破坏过程，揭示了这一过程的能量耗散及能量释放特性阱j 。于广明( 2 0 0 0 ) 首次研究揭示了地表点动态下沉的分形增长规律【2 5 】。表明地表点动态下沉曲线具有统计分形特征，实现了地表点动态下沉曲线分形插值，同时揭示了岩体内部移动和破坏的物理机制。于广明( 2 0 0 0 ) 对岩体中初始节理对采动覆岩断裂扩展规3西安科技大学博士学位论文律、采动覆岩断裂范围、采动覆岩断裂分布、岩体内部沉陷范围的影响进行系统研究1 2 6 j ，提出初始节理对采动覆岩断裂的影响作用，建立了初始节理端部附近的最大切向应力计算表达式和初始节理开裂的力学条件。苏仲杰【2 7 】建立了岩板挠度的力学模型，真实地反映了离层岩板在水应平力和自重应力作用下变形的本质。崔希民( 1 9 9 6 ) 对主断面的地表移动与变形进行了实时位移的分析，应用流变模型进行开采沉陷研究。余学义口8 ，2 9 ，3 0 ，3 1 1 以k n o t h e 理论为基础，通过z e r 0模型，建立覆岩移动变形的流变模型，分析地表动态移动变形特性，给出地表动态下沉盆地的移动变形预计理论及其参数。s f a l c 6 n 根据模型模拟开采沉陷的问题提出了编码和执行算、法【3 2 j 。按照地形基准范围和控制变形提供必要的数据，以确定或调整这些参数。并用d h h 程序进行处理。l u ce m p e r e 昕m o t 研究了支持3 d 岩石裂隙模型数据库软件o b s i f r a c ，该数值模型能使用关系数据库对岩石裂隙网络进行描述【3 3 j 。t o m 旋a m b r o 乏i 委在南斯拉夫v e l e n j e 煤矿应用人工神经网络预计采动损害深陷，取得了很好的效果4 。西班牙学者m i a l v a r e z f e m 知d e z 研究用广义n k 影响函数来预计地表深陷p5 。r 锄e s hp s i n 曲应用黏弹模型对印度、孟加拉西部的m i g a l l j 煤田进行了地表移动预计，取得了很好的效果州。随着科学技术的发展和研究手段的不断提高，岩层移动计算分析向自动化、智能化、复杂化和可视化方向发展。根据已有观测资料反求参数、计算开采影响的动态地表移动变形1 3 7 1 ，并能计算观测煤层、岩体内部、含断层等复杂条件下的移动变形，计算结果可以各种图形方式给出，直观可视。1 2 2 关键层与复合关键层理论研究现状采场围岩在变形、破坏和运动过程中，由于成岩时间、矿物成分和地质构造的不同，岩层中各层厚度及力学特性等方面存在不同程度的差别，而其中一些较坚硬厚岩层在采场围岩变形和破坏中起主要控制的作用，它们以某种力学结构支承上覆岩体的压力，而它们破断后形成的如砌体梁等结构形式，直接影响着开采过程中的矿压显现和岩层移动。采场覆岩关键层破断失稳前，将以弹性地基板或梁的结构形式产生挠曲下沉变形，此时关键层下部岩层将产生非协调的连续变形离层，如有亚关键层存在，则局部破断后的关键层将形成砌体梁结构，这将在主关键层下部产生连续变形和非连续变形之间的不协调性离层。主关键层与亚关键层、亚关键层与亚关键层破断形成砌体梁结构后，将在覆岩中产生由非连续变形而形成的不整合离层，此种离层将发生在开采边界的四周，而非中部。离层量大小取决已破断关键层的断裂块度、垫层松散系数及开采深度。而上覆岩层在下沉过程中产生的拉伸变形大于其极限变形时，将会在上覆岩层中产生破断裂隙，破断裂隙的大小取决于相应岩层的下沉量、岩性及岩层厚度等。41 绪论关键层的变形、破裂、运动和形成结构将在采场围岩引起大范围的岩层活动，这种活动向下可影响到采场、支架和底板岩体，向上可影响到地面，因此关键层结构模型可作为岩层移动、采场矿压和地表沉陷等研究的统一基础。根据上述情况，钱鸣高院士【8 ，3 8 ，3 9 ，4 0 1 于1 9 9 6 年首次提出了采场上覆关键层理论，该理论认为：对采场上覆岩层起全部或局部控制作用的岩层称为关键层，前者称为主关键层，后者称为亚关键层。同时还对关键层的几何特征、岩性特征、变形特征、破断特征以及支承特征给出了明确的定义，并从梁的角度推出了关键层的强度和刚度判别式。缪协兴【4 lj 提出超长综放工作面采场覆岩关键层破碎块度较普通短工作面小。由此，使采场来压强度小，且压力分布均匀，有利于顶煤破碎和放出。余为【4 2 】对短壁开采中的覆岩关键层的岩性和结构特征进行了力学分析，推导了相应的关键层变形关系式，得到了各种开采参数下关键层的变形，提出了有效控制关键层下沉的措施。吕绍林f 4 3 】认为瓦斯突出的发生和发展受控于赋存在岩石含瓦斯煤岩石体系中诸多因素的综合作用，并在此基础上提出了关键层应力墙的瓦斯突出机理。二。西安科技大学李树刚m 】分析了煤层采动后采场覆岩关键层活动特征对导气裂隙带分布形态的影响，提出上覆岩层中破断裂隙和离层裂隙贯通后在空间形成椭抛带分布，阐述了卸压甲烷在椭抛带的升浮扩散运移理论；侯忠杰【4 5 4 6 ，4 7 】把关键层理论应用于地表厚松散层浅埋煤层，并利用推导出的组合关键层岩柱回转接触面尺寸，分析其滑落失稳和回转失稳的关系即“r - s 稳定性，给出了组合关键层岩柱不同断裂度的最大回转角。得出地表厚松散层浅埋煤层顶板管理的主要问题是组合关键层岩柱的滑落失稳，讨论了地表松散层厚度对组合关键层岩柱稳定性的作用，给出了较精确的老顶断裂岩块回转端角接触面尺寸，并分别按照滑落失稳和回转失稳计算出了类型判断曲线；黄庆享( 1 9 9 9 ) m 1建立了浅埋煤层采场老顶周期来压的“短砌体梁 和“台阶岩梁”结构模型，分析了顶板结构的稳定性，揭示了工作面来压明显和顶板台阶下沉的机理是项板结构滑落失稳，给出了维持顶板稳定的支护力计算公式；黄庆享( 2 0 0 5 ) 【4 9 ，5 0 ，5 l 】基于现场实测发现的采动厚沙土层载荷传递现象，应用开发的动态载荷相似模拟系统，得出了厚沙土层采动破坏特征、工作面顶板关键层全结构的载荷总体分布规律以及顶板结构中a ，b 和c 关键块的动态载荷传递规律；发现了周期来压期间二次“卸荷拱现象，揭示了关键块载荷小于载荷层全厚载荷的机理；提出了载荷传递因子的概念，给出了卸荷拱高度的计算公式和载荷传递因子的计算公式，解决了关键块上的载荷计算问题。随着对关键层的深入研究，发现当覆岩中存在两层以上坚硬岩层时，无论上部或下部坚硬岩层都将对下部或上部坚硬岩层的采动变形和破断产生影响，这种影响就为两坚硬岩层间的复合效应。如果两坚硬岩层为关键层，则它们之间的相互影响称为关键层的复合效应。在此基础上，钱鸣高、鲜学福、廖协兴对关键层复合效应及复合关键层的基本概念5西安科技大学博士学位论文进行了定义，并用离散元模拟了复合效应的影响，拟合出了复合效应方程，为复合效应的判别提供了依据。并用有限元计算软件模拟分析了复合关键层的破断，拟合了相应的方程。李凤仪，王继仁，刘钦德【5 2 】依据典型薄基岩浅埋煤层覆岩结构及其力学特征，建立薄基岩浅埋煤层基岩梯度复合板模型，并利用傅罩叶变换确定了单一关键层位置及组成岩层分层。孙振武，缪协兴，茅献彪【5 3 】利用现代力学原理，推导出了两层硬岩中间有一层软弱夹层时，能形成复合岩层的条件，据此建立了能形成复合岩层的判别公式，并用单一关键层的判别方法判别复合关键层。茅献彪，缪协兴，钱鸣高【5 4 ，5 5 ，5 6 1 基于采动覆岩中的关键层理论，深入分析了相邻坚硬岩层所产生的复合效应，并用有限单元法计算了复合关键层的断裂跨度。缪协兴【5 7 1 ，茅献彪，孙振武，浦海【5 8 ，5 9 1 在深入揭示复合岩层形成机理的基础上，给出了形成复合岩层的力学条件与数学表达式，进而建立了采场覆岩中复合关键层的判别方法，并编写了复合关键层的判别程序。北京交通大学刘开云，乔春生，周辉，滕文彦【6 0 ，6 1 】把煤矿覆岩的组合运动视为以坚硬岩层为依托的复合关键层的运动，运用弹性薄板理论和复合材料力学的层合板理论讨论了复合关键层的应力，并且采用结构塑性极限分析方法解析得出了关键层失稳时的极限荷载，并近似判断出覆岩中关键层的位置。中国矿业大学许家林，陈稼轩，蒋坤【6 2 】采用专门设计的物理模拟试验装置及数值模拟试验方法，就松散承压含水层的载荷传递机制及对覆岩关键层复合破断的影响进行深入研究。研究结果表明：在松散承压含水层的载荷传递作用下，作用在基岩顶界面的载荷较大，当基岩厚度较薄时，采场覆岩关键层易产生复合破断。重庆大学贾剑青，王宏图，唐建新，李晓红，李开学，胡国忠1 6 3 】以白皎煤矿采煤工作面硬软交替岩层的复合顶板为研究对象，采用相似模拟试验研究、关键层理论分析和数值模拟计算相结合途径确定复合顶板主关键层及其破断距。西安科技大学侯忠杰【3 9 ，4 0 ，删论证了判定采场主关键层的充分条件应为顶板来压强度条件。推导出组合关键层弹性模量、承受载荷和极限跨距的计算公式，完善了组合关键层理论。分析了单一主关键层、组合关键层断裂失稳类型判断曲线，提出了的断裂岩块失稳类型判断曲线。由关键层及复合关键层的研究现状发现，在对关键层复合效应分析中多采用层合板理论，其中刘开云，乔春生，周辉，滕文彦用复合材料理论对复合效应进行了分析。在此本文通过复合材料结构力学理论对复合关键层进行了理论分析，为复合关键层的计算提供了另一途径。61 绪论1 2 3 煤层瓦斯渗流耦合理论研究现状孔隙流体运动理论主要包括渗流理论、扩散理论、扩散渗流理论及流固耦合理论等。煤层气在煤层中的运动形态是扩散，还是渗流，实际上与煤层中孔径分布、孔隙大小、比表面积、孔隙率及存在状态有关，而这些参数还决定着煤层的力学性能和吸附能力。因此，研究多孔介质流体力学首先必须搞清楚煤的孔隙结构特征及其物理性能。研究表明：实际煤层中孔径的大小都是呈某种特征分布的，自然界煤层实际均属于孔隙裂隙双重介质，瓦斯在煤层中的实际运动形态是渗透和扩散并存。单纯的渗透裂隙结构煤层和单纯的扩散孔隙结构煤层在实际中都不存在，只是对某种煤层可能渗透或扩散占主导作用。自1 8 5 6 年法国工程师d a r c y ( 达西) 提出线性渗流定律以来，人们对d a r c y 定律进行了各种修正，如非线性渗流的幂定律。克林贝尔效应、二项式渗流定律等，由此推动着渗流力学向更符合实际的方向发展。1 9 2 3 年t e z m 曲i k ( 汰沙基) 提出了有效应力计算公式【6 5 。，由于t e 卿i k 的一维固结理论，考虑了渗流对土体固结的影响。由此揭开了渗流力学和固体力学关系研究的新篇章，形成了一门新的学科流固耦合力学，目前对其研究仍然方兴未艾。b i o t ( 1 9 4 1 ) 6 j 将水容量所和孔隙流体压力p 的变化也增加为状态变量，本构方程是七对状态变量之间的物理关系，此本构方程是考虑渗流中流固耦合效应的第一个力学理论。该理论认为，在缓慢渗流准静态的情况下，孔隙水压力不能引起各向同性的多孔介质的剪切变形，但对各方向正应变的影响是相同的，同样，剪应力对水容量增量的变化无影响，而各法向应力对水容量增量的影响是相同的。但b i o t 建立的三维固结模型只考虑了介质变形对流体质量( 孔隙变化量刀引起的孔隙储水性变化) 守恒的影响，没有考虑其对渗透率( 孔隙变化量血引起的流量变化) 的影响，因此只能反映流固的线性耦合作用。b i o t 的耦合理论适合孔隙变化量，多孔介质和渗透率的关系方程，有效应力原理是这个理论的基本框架，孔隙变化量是影响孔隙水压和渗透率的关键指标，所以渗流应力耦合问题确切的说是介质应变耦合或渗流- 孑l 隙变化问题。考虑到多孔介质与孔隙流体之间的相互作用在弹性状态下的复杂性，所以渗流一应力耦合概念是相互作用机制物理描述的某种简化提法。1 9 6 8 年b r a c e ( 1 9 7 8 ) 【d 7 】首先研究了高围压和孔压下花岗岩的渗透率变化规律，开创了结合应力状态研究岩石渗透率的先例，研究对象以孔隙岩块为主，b a r e c 认为，花岗岩的渗透性随着有效围压增大而减小，而孔隙压力对渗透性的影响与围压不同。p a t s o u l s锄d 例p e s ( 1 9 8 2 ) 8 】根据对英国约克郡地方的白奎灰岩渗透性的研究也得出类似的结论。g a n g i ( 1 9 7 8 ) 9 】得出了完整岩石和多孔渗水岩石的渗透性随围压的变化关系：完整岩石标7西安科技大学博士学位论文准化的渗透率尼、而的比值随着围压比值小舶的增大而减小。w a l s h ( 1 9 8 1 ) p o j 研究了孔隙压力与围压对岩体渗透性的影响，得到渗流系数七的立方根与有效压力的对数存在比例关系。结果表明，岩体的渗透率分别随着有效压力的增大而减小。b r a r 和s t e s k y ( 1 9 8 0 ) 【7 1 1 、i ；m z ( 1 9 7 9 ) 【7 2 1 、j o n e s ( 1 9 7 9 ) 【7 3 1 、p a t s o u l s 、k e i 曲i n ( 1 9 8 2 ) 【7 4 1 、z o b a c k ( 1 9 7 5 ) 【7 5 1 、s e n s e n y ( 1 9 8 3 ) 【7 6 】等学者在这方面也做了大量的工作。p a t c h i n gth 1 7 7 j 首先总结和概括了煤层解吸和吸附机理。1 9 8 6 年，b u m b a c l 7 8 】首先将解吸机理应用到煤层气井的试井分析当中，在不考虑井储表皮效应时，利用l a n 舯i u r等温吸附机理结合微观解吸和宏观流动，给出了无限大煤层中煤层气井的试井分析模型，讨论了等温吸附影响，计算了不稳定试井的早期压力曲线。流体力学家e m a l l e n将达西定律用于描述均匀固体物( 煤样) 涌出瓦斯的试验中得出结果与实测不符，验证了瓦斯在煤体中的渗流存在非线性关系。1 9 8 9 年，e n e k i nt 1 7 9 】考虑气体在煤层骨架微孔隙中的扩散遵从f i c k 扩散原理，将均质地层模型发展为双重介质模型，吸附气采用h e l 姆等温吸附来描述。这样就克服了l a l l 9 1 1 1 i u r 描述中非线性处理的困难，简单化了方程的求解，同样计算出了无限大煤层中总产量下的不稳定试井的早期理论曲线。1 9 8 9 年，k a m a lmm o 】采用均质径向流模型，首先讨论了考虑气水两相流的煤层气试井理论，并在假定气体解吸瞬间完成的前提条件下，将气水两相作用同时考虑在拟压力函数相中，对试井理论模型进行了求解。而近些年国外在煤层气方面取得了如下研究进展：2 0 0 1 年，a r c h e rra 【8 1 j 用g r e e n元方法解决了常规油气藏外边界影响问题。2 0 0 3 年，z h o ur 僻j 利用数值分析方法分析了圆形地层中任意井位的不稳定渗流的数值试井理论问题。2 0 0 6 年，h m a v a i l ( 1 e rw e r 弹8 3 j 将光谱信号和霍夫变换多种空间格局应用于天然气渗流检测。h i d e a k iy 弧u h a r a d 【盯在水热条件下对岩石一流体相互作用裂隙渗透性进行了试验，得出化学作用、压力、温度等多参数对岩石渗透性的影响。在我国2 0 世纪6 0 年代，才开始意识到研究瓦斯流动理论的意义，1 9 6 5 年，周世宁院士在我国首次提出了基于达西定律( d a r c y sl a 叻的线性瓦斯流动理论，对我国瓦斯流动理论的研究具有极为深远的影响。周世宁院士、林柏泉教授【8 5 ，8 6 ，8 7 ，8 8 ，8 9 ，9 0 】等系统地研究了含瓦斯煤体的变形规律、煤样透气率等力学性质。以鲜学福院士为首的学者，在煤层瓦斯渗流理论方面做了大量的研究工作。在渗流方程中用真实气体状态方程代替理想气体状态方程【9 1 9 2 1 ，认为参与渗流的瓦斯量只是可解吸的部分p | j j ；以达西定律为基础，提出了非均质煤层的瓦斯流动数学模型；依据日本学者提出的渗流幂定律( p o w e rl a w ) 比达西定律更符合煤层瓦斯流动的规律，建立了非线性瓦斯流动模型，并结合实际与各种渗流模型进行了分析比较，认为该模型比其他模型更符合实际m 1 ；深入地研究了地电场对瓦斯渗流的作用和影响，提出了地应力场、地电81 绪论场和地温场作用下瓦斯渗流基本规律，进而建立起了瓦斯渗流的数学模型【9 5 ，9 6 ，9 7 ，9 8 舯，1 0 0 】；系统创建了多煤层瓦斯渗流相互影响的气固耦合理论1 0 1 ，1 0 2 ，1 0 3 ，1 0 4 1 ，据此探讨了瓦斯抽放的合理布孔工程设计及抽放率问题。到2 0 世纪8 0 年代，我国瓦斯流动理论的研究日趋活跃。程国明于1 9 8 4 年创建了“钻孔流量法”煤层透气系数测定新技术。在综放开采顶煤裂隙及渗透性研究中，运用多重分形理论对顶煤裂隙不均匀性和各向异性进行了定量表征，引入等效弹模、裂隙不均匀系数和有效应力对上述岩体渗透系数及应力关系式进行修正，提出综放开采工作面前方顶煤渗透系数的数学表达式【1 0 5 1 。程国呀1 0 6 ，1 0 7 ，1 0 8 1 ( 2 0 0 4 ) 基于几何测量法对裂隙岩体渗透性进行了研究，分析了裂隙岩体渗透系数张量计算方法，并开发了渗透系数张量计算软件。郭勇义【1 ，1 1 0 】( 1 9 8 4 ) 提出了修正的瓦斯流动方程。聂百胜1 1 1 】( 1 9 9 9 ) 等分析了煤粒瓦斯解吸扩散过程，建立了第三边界条件下的煤粒瓦斯扩散的数学物理模型，给出了模型的解析解。谭学术【1 1 2 】( 1 9 8 6 ) 给出了修正的矿井煤层真实瓦斯渗流方程。张广洋