深部煤层群采动影响下瓦斯运移规律的数值模拟研究.doc

1 75 中文题目 深部煤层群采动影响下瓦斯运移规律的数值模拟研究 外文题目 NUMERICAL SIMULATION RESEARCH ON THE METHANE DELIVERY LAW UNDER MINING INFLUENCE IN DEEP COAL GROUP 毕业设计 论文 共 75 页 其中 外文文献及译文 31 页 图纸共 0 张 完成日期 2011 年 6 月 答辩日期 2011 年 6 月 I 75 摘要摘要 深部煤层群的开采具有低透气性 危险性高 高应力 高瓦斯及高吸附性等特点 煤层群开采与单一煤层开采不同 煤层群开采过程中 煤层群底板巷道要经历上下煤层 分别开采引起的影响 底板巷道围岩变形要比单一煤层底板变形严重 因此研究采动影 响下瓦斯运移规律对安全采煤极为重要 分析岩层运移规律 采动覆岩移动与保护层的开采 煤层开采后形成的 三带 确 定煤体微结构因素与瓦斯流动关系 分析煤层瓦斯赋存状态 以及煤层开采过程中煤层 围岩 邻近层中的瓦斯涌出关系 应用流固耦合以及渗流力学 基于 COMSOL Multiphysics 数值模拟方法 研究煤层开采后上覆煤层岩体卸压效应 模拟煤层开采压力 变化与瓦斯运移规律 研究结果可为消除煤与瓦斯突出危险 煤与瓦斯资源安全共采提 供理论依据 关键词 深部煤层群 瓦斯运移规律 流固耦合 煤与瓦斯共采 ABSTRACT Deep coal seams have the features with the low permeability dangerous high stress methane and high adsorption Coal seams are different form signal coal with the mining coal seams floor tunnel in coal seams were mined coal to go through the upper and lower dynamic pressure effects caused It s serious form the signal coal So It s important to research the law of gas flowing Analysis the law of the coal movement of mining overburden the key protect coal mining Formed after the coal mining three zones Factors that determine the microstructure of coal and methane flow relationship Occurrence of coal seam methane and coal seams during the mining process rock near the level of methane emission in the relationship Application of fluid structure interaction and fluid mechanics Based on COMSOL Multiphysics numerical simulation to study the upper coal seam mining rock mass after the relief effect Simulation of coal seam methane pressure and migration law The results can eliminate coal and methane outburst coal mining and methane resources to provide a theoretical basis for total security Keywords Deep coal group The law of gas flowing Mining induced fractures development Safety and simultaneous extracting of coal and methane 1 75 目录 1 1 绪论绪论 1 1 1 1 课题研究的背景 目的及意义 1 1 1 1 课题的研究目的 1 1 1 2 研究深层采煤以及开采保护层的意义 1 1 1 3 研究瓦斯运移规律的意义 2 1 2 研究现状 2 1 2 1 深部煤层群开采研究现状 2 1 2 2 采动裂隙场的研究现状 3 1 2 3 煤与瓦斯流耦合的研究现状 4 1 3 课题研究内容及技术路线 6 1 3 1 研究内容 6 1 3 2 技术路线 7 2 2 煤层瓦斯的赋存与瓦斯渗流煤层瓦斯的赋存与瓦斯渗流 8 8 2 1 煤体微结构分析 8 2 2 煤层瓦斯的赋存状态 9 2 3 流体在多孔介质中的运动方程 达西定律 10 2 4 煤层瓦斯运移的基本规律 11 2 4 1 开采煤层中瓦斯的流动 11 2 4 2 邻近层与围岩中瓦斯流动 12 2 4 3 瓦斯在采空区涌出分析 13 3 3 煤层开采岩层移动及规律煤层开采岩层移动及规律 1414 3 1 采动覆岩运动规律 14 3 1 1 采动覆岩运动形式 14 3 1 2 覆岩采动裂隙动态分布规律 15 3 1 3 煤层开采岩层运移破坏的 三带 16 3 2 关键层运动对邻近层瓦斯涌出的影响分析 17 3 2 1 关键层定义及判别 17 3 2 2 关键层及其运动 18 3 2 3 关键层运动对邻近层瓦斯涌出的影响分析 19 3 3 小结 19 4 4 采动影响下瓦斯运移的数学模型采动影响下瓦斯运移的数学模型 2020 4 1 基本假设 20 4 2 采动影响下瓦斯运移规律的数学模型 20 5 5 基于基于 COMSOLCOMSOL 的瓦斯运移规律的数值模拟的瓦斯运移规律的数值模拟 2323 5 1 数值方法简介及软件介绍 23 5 1 1 数值方法简介 23 5 1 2 COMSOL 软件简介 23 5 1 3 固气耦合方程及边界条件 24 5 2 模型的建立 24 5 2 1 工程概况 24 5 2 2 模型的设计原则 25 3 75 5 2 3 模型的基本参数 25 5 2 4 几何模型的确定 25 5 2 5 网格的划分 26 5 3 数值模拟模拟结果及计算结果分析 27 5 3 1 采动影响下覆岩裂隙发育模拟结果分析 27 5 3 2 卸压瓦斯运移规律模拟结果分析 29 6 6 结论与展望结论与展望 3434 6 1 结论 34 6 2 展望 34 参考文献参考文献 3636 附录附录 A A 3838 附录附录 B B 5151 1 75 1 绪论 我国是世界上第一产煤大国 煤炭资源分布极其广泛 储存条件变化很大 特别是 高瓦斯 复杂地质条件的深部煤层的矿井安全问题尤为突出 严重影响了矿井的正常生 产 随着煤炭的高度开采 瓦斯爆炸 煤与瓦斯突出等类似事故也频繁发生 迄今为止 瓦斯灾害依然是我国煤矿伤亡 损失最大以及发生最频繁的重大恶性事故 严重威胁着 矿井的安全生产 并给煤矿企业带来沉重的经济负担 深部煤层群具有高瓦斯 低渗透性 开采且与单层煤开采不同的特点 不仅有上覆 岩层的垮落还有下底板的瓦斯涌出 因此研究深部煤层群瓦斯运移规律尤为重要 了解 瓦斯运移规律可以使开采深部煤层时更准确更安全 本文针对深部煤层群的特点 研究开采保护层的情况下瓦斯的渗流规律 运用数值 模拟方法模拟在开采保护层时采动影响下的上覆岩层的垮落变形及裂隙场的分布规律 包括开采保护层形成的 三带 以及裂隙与节理的分布规律 研究裂隙场的分布对被保 护层的瓦斯卸压作用以及瓦斯赋存运移在裂隙场作用下的分布规律 模拟深部煤层群煤 层开采情况下瓦斯渗流 煤层开采裂隙场之间的关系 1 1 课题研究的背景 目的及意义 1 1 1 课题的研究目的 深部煤层的开采具有高瓦斯 低渗透性等特点而且开采煤层群与开采单一煤层不同 开采煤层群不但会引起上覆岩层的垮落而且会引起下底板的瓦斯涌出 高瓦斯 复杂地 质条件的深部煤层的矿井安全问题尤为突出 严重影响了矿井的正常生产 然而 随着 煤炭的高度开采 瓦斯爆炸 煤与瓦斯突出等类似事故也频繁发生 瓦斯的开发利用具 有一举多得得功效 提高瓦斯事故防范水平 具有安全效应 有效减排温室气体 产生 良好的环保效应 作为一种高效 洁净能源 商业化能产生巨大的经济效益 因此研究 深部煤层群瓦斯运移规律既能维护安全生产又能准确定位瓦斯卸压值 为瓦斯抽采创造 良好条件 创造经济价值 1 1 2 研究深层采煤以及开采保护层的意义 深部煤层具有高瓦斯低透气性的特点 开采易造成采空坍塌 造成井下人与财产的 巨大损失 随着开采规模扩大 地下采空区日见增多 地面塌陷区面积增加 直接威胁 人民生活和生产的发展 保护层开采的目的是利用矿山压力引起的岩层运动规律 使被 保护层产生卸压膨胀变形释放弹性潜能 使煤体内瓦斯赋存状态被激活 煤层透气性增 大 使瓦斯抽采成功成为可能 因此 岩层移动卸压是保护层开采后卸压瓦斯抽采的关 键所在 1 1 3 研究瓦斯运移规律的意义 瓦斯在煤岩体中的运移规律理论从煤层瓦斯渗流规律 煤层瓦斯扩散理论 煤层瓦 斯渗流 扩散规律 多物理场 多相煤岩瓦斯耦合规律以及煤层卸压瓦斯越流规律到采 动裂隙带瓦斯运移规律的研究 在一定的简化假设下 其发展已经形成较为严密的理论 体系 并在煤矿安全生产中起到了一定的作用 但由于瓦斯在煤岩体中的运移规律是一 个非常复杂的过程 受多种因素影响 各种理论有其一定的适用条件 且大部分的研究 室集中于煤岩体在应力峰前区的瓦斯运移规律 并未涉及煤矿瓦斯治理和开采的本质 不论是高度应力软煤层 还是煤层岩层破坏后或煤岩体在应力峰后区的渗流与煤岩体变 形的耦合规律 其渗流骨架的固体力学描述还没有完备 因此 煤矿瓦斯治理和抽放理 论的发展方向应着眼于峰后煤岩体的渗流结构关系 采动岩体中的裂隙分布与演化规律 进而研究瓦斯在其中的运移规律 瓦斯的用途广泛 一是用作民用燃料 例如发电用燃料 工业用燃料 汽车用燃料 和气体工业用燃料及其它类燃料 二是瓦斯化工 瓦斯化工有两条途径 一条是瓦斯化 工 另一条是合成气化工 煤矿瓦斯的利用主要集中在瓦斯抽采较高的国有重点煤矿区 尤其是 45 户安全重点监控企业 现有煤矿瓦斯利用以民用和工业燃气为主 已达到 80 瓦斯发电则是主导发展方向 瓦斯化工也具有广阔的市场前景 因此 对待这种无色无味的气体 尤其是在深部煤层的开采下 研究瓦斯的运移规 律能有效的避免不必要的损失和事故 而且了解运移规律可以充分利用瓦斯创造更大的 效益 1 2 研究现状 1 2 1 深部煤层群开采研究现状 在国外 1933 年法国最先进行开采保护层防止煤与瓦斯突出的试验 到目前为止 3 75 几乎所有开采有突出冲击地压煤层的国家 只要煤层赋存条件允许都优先开采保护层 波兰是在世界上较早采用下保护层开采方法采煤的国家之一 因为 煤炭是波兰国民经 济的主要支柱之一 前苏联也是应用保护层开采方法较早且较成功的国家之一 在国内 我国从 1958 年开始在北票和重庆地区进行试验 取得效果后 虽然已在全国有条件的突 出矿井推广应用 但当时在煤层群多重保护层开采作用机理以及保护效果评价等方面未 进行过深入系统研究 直到现在为止对于下保护层开采后上覆岩层裂隙分布及卸压作用 效应研究几乎是空白 针对我国高瓦斯矿区煤系地层多为煤层群的条件和煤层的低透气 性特征 结合我国煤矿长期治理瓦斯的成功经验 提出并已实现一种在高瓦斯煤层群条 件下煤与瓦斯共同作为资源 通过固 气两套系统进行煤与瓦斯安全高效共采 即通过 首采煤层 的开采 在煤系地层中产生 卸压增透增流 效应图 形成瓦斯 解吸 扩散 渗流 活化流动的条件通过合理高效的瓦斯抽采方法和抽采系统 同时实现瓦斯 资源的高效抽采 瓦斯资源的抽采可大幅度地减少 卸压煤层 的瓦斯含量 消除其煤 与瓦斯突出危险性 减少卸压煤层开采时的瓦斯涌出量 从而实现卸压煤层的安全高效 开采 1 2 2 采动裂隙场的研究现状 刘天泉院士等对我国煤矿开采覆岩破坏与裂隙分布作了大量的实测和理论研究 1 4 对采场上覆岩层移动破断与采动裂隙分布规律提出了 横三区 竖三带 的总体认识 即沿工作面推进方向覆岩将分别经历煤壁支撑影响区 离层区 重新压实区 由下往上 岩层移动分为冒落带 裂隙带 整体弯曲下沉带 得出计算裂隙的公式 国内许多学者 对覆岩离层进行了多方面的研究 5 10 由于对岩层内部移动的动态过程难以清楚的了解 因而难以掌握岩层开采裂隙动态 发育规律 这显然不能更好地适应煤矿绿色开采实践的需求 未解决岩层控制中更为广 泛的问题 钱鸣高院士等于 1996 年提出岩层控制关键层理论 11 13 它为深入研究岩层内 部移动的动态过程和岩层采动裂隙动态分布规律提供了强有力的理论工具 关键层理论 的基本学术思想为 由于成岩时间及矿物成分不同 煤系地层形成的厚度不等 强度不 同的多层岩层 其中一层至数层厚硬岩层在煤层移动中起主要控制作用 将对岩体活动 全部或局部起控制作用的岩层称为关键层 关键层判别的主要依据是其变形和破断特征 即在关键层破断时 其上部全部岩层或局部岩层的下沉变形是相互协调一致的 前者称 为岩层活动的主关键层 后者称为亚关键层 也就是说 关键层的断裂将导致全部或相 当部分的上覆岩层产生整体运动 覆岩中的亚关键层可能不止一层 而主关键层只有一 层 为了弄清开采时由下往上传递的岩层移动动态过程 并对岩层移动过程中形成的采 场矿压显现 煤岩体中瓦斯流动和地表沉陷等状态的变化进行有效监测与控制 关键在 于弄清关键层的变形破断及其运动规律以及在运动过程中与软岩层间的相互耦合作用关 系 钱鸣高院士 缪协兴教授提出了煤层开采后上覆岩层中会形成两类裂隙 一类是离 层裂隙 是随岩层下沉在层与层间出现的沿层面裂隙 它使煤层产生膨胀变形而使瓦斯 卸压 另一类裂隙为竖向裂隙 是随岩层下沉破断形成的穿层裂隙 它沟通了上 下岩 层间瓦斯通道 2000 年李树刚教授等通过相似模拟实验分析了采动后覆岩关键层活动特征对裂隙带 分布形态的影响 首次提出上覆岩层中破断裂隙和离层裂隙贯通后的分布特征 14 2003 年 程远平 俞启香 袁亮等运用数值模拟和现场试验相结合的研究方法 研究上覆远 程卸压岩体移动和裂隙分布以及远程卸压瓦斯的渗流流动特性 提出了符合远程卸压瓦 斯流动特性的远程瓦斯抽采方法 15 2004 年 石必明 俞启香 周世宁等通过对缓倾斜 煤层保护层开采深部煤岩破裂变形的研究 得出覆岩垮落及裂隙演化规律 16 刘泽功研 究了受采动影响采场覆岩裂隙的时空演化机理 结果表明 采场覆岩在采动过程中 岩 层之间产生不一致性的连续变形 这种岩层间的不协调变形将形成岩层移动中的各种裂 隙分布 17 从离层 层裂和断裂发展到冒落 受采影响覆岩的变形是由下至上逐层递进 发展的 所以也会产生短期的离层 覆岩中的离层而和纵向破断裂而存在着张开和闭合 从产生 发展到最终闭合是一个动态演化过程 模拟实验研究发现 对于处在采空区的 小同空间位置的上覆岩层 其裂隙演化过程所经历时间周期完全不同 在采空区上下风 巷 工作面上方和开切眼区域 顶板岩层中裂隙充分发育后将可保持相当长的时间周期 2005 年 石必明 俞启香教授基于相似材料模型试验 首次应用非接触式数字近景摄影 技术研究远距离保护层开采过程中覆岩微变形移动特性 得出在远距离保护层开采时 被保护层位于弯曲下沉带内 它在一定范围内发生膨胀变形 引起煤层透气性增大 1 2 3 煤与瓦斯流耦合的研究现状 自 1947 年前苏联学者 P M 克里切夫斯基将渗透理论用于描述层内瓦斯运移过程 得 出了考虑瓦斯吸附性质的瓦斯渗透规律 为煤岩瓦斯渗流理论的发展奠定了基础 到现 在 煤岩瓦斯耦合作用理论几经发展了近 60 年 目前 在国内外反应瓦斯运移机理的数 5 75 学模型主要集中在煤层瓦斯渗流规律 煤层瓦斯扩散理论 煤层瓦斯渗流 扩散规律以 及多物理场 无相煤岩瓦斯耦合规律 1965 年 周世宁院士从渗流力学角度出发 把多孔介质的煤层视为一种大尺度上均匀 分布的虚拟连续介质 在我国首次提出了基于达西定律的线性瓦斯流动理论 奠定了我 国瓦斯研究的理论基础 并于 1984 年 在总结前期大量的实测工作成果的基础上 创建 了 钻孔流量法 煤层透气系数测定的新技术 该测定方法及其计算方法被广泛应用于 我国煤矿开采中 目前已成为测定煤层透气系数的标准方法 郭勇义 1984 年 结合相 似理论 就以一维情况研究了瓦斯渗流方程的完全解 并将瓦斯的等温吸附量用朗缪尔 Langmuir 方程来描述 提出修正的瓦斯流动方程 1986 年 谭学术利用瓦斯真实气 体状态方程 提出了修正的矿井煤层真实瓦斯渗流方程 18 1988 年 魏晓林求出了单孔无限圆径向流场瓦斯压力分布式 提出用无限流场单一钻 孔总流量计算煤层平均透气系数的新方法 并在煤矿现场取得了成功的应用 1989 年鲜 学福院士 余楚新在假设煤体瓦斯吸附与解吸过程完全可逆的条件下 建立了煤层瓦斯 流动理论以及渗流控制方程 孙培德 1993 1994 年 基于前人的研究成果 修正和完 善了均质煤层的瓦斯流动数学模型 同时发展了非均质煤层的瓦斯流动的数学模型 还 应用计算进行了数值模拟的对比分析 此后 孙培德 2001 年 应用统计热力学与量子 化学的理论 结合试验量化计算结果 得出真实瓦斯气体状态的经验方程 更能客观地 反映煤层内游离瓦斯的状态 19 近年来 大多数从事于煤岩瓦斯耦合规律研究的学者都注意到此理论应该考虑应力场 地电磁场 温度场等对瓦斯渗流场的影响 在国外 W H Somerton 1975 年 研究了裂 纹煤体在三轴应力作用下氮气及甲烷气体的渗透性 得出煤样渗透性与作用应力 应力 史有关且其透气率随地应力的增加按指数关系减小 J Gawuga 1979 年 V V Khodot 1980 年 S Harpalani 1985 年 等专家学者 在实验条件下 研究了在地 球物理场中含气煤体的力学性质以及煤岩体与瓦斯渗流之间的固气力学效应 另外 S Harpalani 1984 年 还深入研究了受载条件下含瓦斯煤样的渗透特征 Enver 等 1997 年 通过研究澳大利亚含瓦斯煤层的渗透性与有效应力之间的相互影响得出 煤层渗透 率变化与地应力变化为指数关系 20 22 1994 年 赵阳升基于前人的研究工作 提出了煤层瓦斯流动的固结数学模型 系统 和完善了均质煤体固气耦合数学模型及其数学解法 此后 基于岩体基质岩块与裂缝变 形 气体渗流及相互作用的物理机制 研究了块裂介质岩体变形与气体耦合的数学模型 及其解法 章梦涛 梁冰从 1995 年以后 基于塑性力学的内变量理论 以含瓦斯煤力学 为基础 研究了煤与瓦斯的耦合作用对煤与瓦斯突出的影响及突出发生的失稳机理 提 出煤与瓦斯突出的流固耦合失稳理论 进一步发展了瓦斯突出的固气耦合数学模型 丁 继辉 赵国景等人基于多相介质力学 从热力学第二定律出发 以应力的二阶功最小作 为突出发生的准则 建立了煤与瓦斯突出的流固耦合两相介质耦合失稳的数学模型及有 限元方程 并进行了数值模拟 李树刚教授 1998 年 在采场卸压瓦斯的运移规律明显受矿山压力影响的认识基础 之上 将煤岩体看做可变形介质 研究了综放开采矿山压力下 考虑煤岩体变形对瓦斯 运移的影响规律 为有效防治综放开采工作面开采工作面瓦斯事故和合理抽取并利用瓦 斯资源提供了理论依据 之后借助现代化的电液伺服岩石力学试验系统 以数控瞬态渗 透法进行了全应力应变过程的软煤样渗透特性试验 得出煤样渗透性与主应力差 轴应 变 体积应变关系曲线 拟合出相应方程 首次提出煤样渗透系数 体积应变方程应作 为耦合分析中主要的控制方程 鲜学福院士 王宏图等人通过研究地应力 低温和地电 效应对煤层瓦斯渗流特性的影响 并通过建立煤层瓦斯运动方程 连续性方程 气体状 态方程和含量方程 推导获得了考虑地应力场 地温场和地电场中的煤层瓦斯渗透率以 及煤层瓦斯渗流方程 李树刚教授 鲜学福院士在分析煤层瓦斯流动的质量守恒方程 并基于煤岩流变力学实验 提出讨论煤岩流变力学性质的广义弹粘塑性组合模型 建立 了可用来研究煤与瓦斯延迟突出机理的含瓦斯煤的固 气耦合数学模型 23 近年来 梁冰 刘建军等根据瓦斯的吸附规律和煤与瓦斯固气耦合作用的机理 建立了考虑温度场 应 力场和渗流场的固气耦合数学模型 并对不同条件下煤岩应力和瓦斯压力的分布规律进 行了数值模拟计算 24 25 1 3 课题研究内容及技术路线 1 3 1 研究内容 本文针对深部煤层群的特点 研究开采保护层的情况下瓦斯的渗流规律 运用数值 模拟方法模拟在开采保护层时采动影响下的上覆岩层的垮落变形及裂隙场的分布规律 开采保护层形成的 三带 以及裂隙与节理的分布规律 研究裂隙场的分布对被保护层 的瓦斯卸压作用以及瓦斯赋存运移在裂隙场作用下的分布规律 模拟深部煤层群保护层 开采情况下瓦斯压力场 位移场之间的流固耦合关系 7 75 1 3 2 技术路线 comsol 软件研究数学建模与数值模拟 煤层瓦斯的赋存与 瓦斯渗流 煤层开采岩层移动及 规律 撰写毕业论文 相关文献收集 查阅 分析与归纳 采动影响瓦斯运移规律的数学模型建立 2 煤层瓦斯的赋存与瓦斯渗流 2 1 煤体微结构分析 煤是一种多孔介质 煤体吸附瓦斯是煤的一种自然属性 煤体表面吸附瓦斯的多少 与煤体表面积的大小密切相关 而煤体表面积的大小则和煤体孔隙特征有关 因此 煤 体孔隙特征对吸附瓦斯有着重要作用 为了衡量煤的多孔程度 用孔隙率 n 来表示 煤的孔隙率就是孔隙的总体积与煤的 总体积的比 其计算公式为 2 1 100 1 100 1 dMd M n 式中 煤的孔隙率 n 煤的质量 Mg 煤的真密度 d 3 cmg 煤的假密度 3 cmg 孔隙率是决定煤的吸附 渗透和强度性能的重要因素 通过孔隙率和瓦斯压力的测 定 可以计算煤中的游离瓦斯量 此外 孔隙率的大小与煤中瓦斯流动情况也有密切关 系 为了便于研究瓦斯在煤层中的赋存与流动规律 通常把煤中的孔隙分为 微孔 小孔 中孔 大孔 可见孔及裂隙 作为以下分类 表 2 1 名称孔直径 mm 孔隙中瓦斯流动特征 微孔 5 10 构成煤中吸附容积 认为不可压缩 小孔 45 10 10 构成毛细管凝结和瓦斯扩散空间 中孔 34 10 10 构成瓦斯缓慢层流渗透的区域 大孔 13 10 10 构成强烈层流渗透区域 可见孔及裂隙 1 10 构成层流及紊流混合渗透区域并决定了煤的宏 9 75 观 硬和中硬煤 破坏面 煤中孔隙作为连接吸附容积 吸附瓦斯的贮存所 与自由表面的运输通道 构成了复杂 的吸附 扩散 渗透系统 煤中微孔构成了吸附容积 煤中其余孔隙则构成了煤中复杂 的渗透系统 在渗透系统中 几乎全部瓦斯都处于游离状态 并符合气体状态方程 2 2 煤层瓦斯的赋存状态 煤层瓦斯的赋存状态一般有吸附状态和游离状态两种 固体表面的吸附作用可以分 为物理吸附和化学吸附两种类型 煤对瓦斯的吸附作用是物理吸附 是瓦斯分子与碳分 子相互吸引的结果 如图 3 1 在被吸附瓦斯中 通常又将进入煤体内部的瓦斯称为吸收 瓦斯 把附着在煤体表面的瓦斯称为吸着瓦斯 吸收瓦斯和吸着瓦斯统称为吸附瓦斯 在煤层赋存的瓦斯量中 通常吸附瓦斯占 80 一 90 游离瓦斯量占 10 一 20 在吸 附瓦斯量中又以煤体表面吸着瓦斯量占多数 1 游离瓦斯 2 吸着瓦斯 3 吸收瓦斯 4 煤体 5 煤中孔隙 图 2 1 煤体中瓦斯的赋存状态 Fig 2 1 Methane exist in the coal 在煤体中 吸附瓦斯和游离瓦斯在外界条件不变的条件下处于动态平衡状态 吸附 瓦斯分子和游离瓦斯分子处于不断的交换之中 当外界的瓦斯压力和温度发生变化或给 予冲击和振荡 影响分子的能量时 则会破坏其平衡 从而产生新的平衡状态 由于瓦斯吸附分子和游离分子是在不断地交换之中 在瓦斯缓慢的流动过程中 不 存在游离瓦斯易放散 吸附瓦斯不易放散的问题 但是 在突出过程的短暂时间内 游 离瓦斯会首先放散 然后吸附瓦斯迅速加以补充 2 3 流体在多孔介质中的运动方程 达西定律 1856 年法国 H Darcy 通过水流过砂层的实验得出的著名的达西定律为 2 2 dx dp dx dpK u 式中 流速 m s 多孔介质的渗透率 K 2 m 流体的动力粘度 Pa s 在 dx 长度内的压差 Pa dp 在流体流动方向一致的极小长度 m dx 从上式中可以看出 多孔介质的渗透率仅反映了多孔介质的孔隙特征而与流体的性 质无关 达西定律是从不可压缩流体在均质多孔介质的一维流动中导出的 对于均质多孔介 质的三维流动 达西定律为 2 3 gradplq 式中 比流量矢量 q 压力梯度 它在空间三个坐标方向的分量分别为 lxplx yply zplz 透气系数是不变的标量 故矢量和共线 表明流体流动方向和等势面处 qgradp 处垂直 并且沿着压力降低的方向 在三个坐标轴上的分量表达式为 q xplq xx yplq yy 2 4 zplq zz 为了将 Darcy 定律推广到各种不同的情形下 定义 若某一性质与其在介质中的位 置无关 则称介质对于该性质是均匀的 反之则称介质是非均匀的 若某一性质与其沿 11 75 介质中的方向无关 则称介质对于该性质的是各项同性的 反之则称介质是各项异性的 在渗流力学中 主要关心的是渗透率和孔隙度 在天然储集层中 经常会遇到各项异性情形 在不同时期由于沉积物和沉积方式不同 往往造成一个方向的渗透率大于其他方向的渗透率 例如水平方向的渗透率大 铅垂方 向的的渗透率小 孔隙度是标量 只有均匀与非均匀之分 不涉及方向性的问题 Darcy 定律在形式上推广到三维流动 其方程应为 2 5 gp K V 式中 是重力加速度矢量 方向向下 对于各项同性介质 渗透率与方向无关 它gK 可以与位置有关或无关 2 4 煤层瓦斯运移的基本规律 2 4 1 开采煤层中瓦斯的流动 瓦斯在煤层中的流动需要有 2 个条件 其一是要有一定的流动通道 即煤层要有一 定的透气性 其二是煤体中的瓦斯必须具备一定的压力 目前的研究认为 在原始煤层 的一定范围内 煤层中的透气性基本上可以认为是一个定值 因此 可以认为 原始煤 层中瓦斯的流动状态主要取决于煤体中瓦斯压力的大小 实践表明 在甲烷带内 煤体 中瓦斯压力一般沿煤层倾斜方向随深度增大而增大 而沿煤层走向变化较小 由于各个 地点瓦斯压力不同 在未开采煤层的小范围内 如果用一个线将瓦斯压力相等的点连接 起来 即画出瓦斯压力等压线 则煤层中往往分布着比较稳定的瓦斯压力等压线 如图 2 2 所示 图 2 2 煤层中等瓦斯压力线 Fig2 2 Lines with the same pressure of the methane in the coal 实际上 在矿井中测定到等瓦斯等压线往往不是很规则的 这是煤层中原始瓦斯压 力分布不均以及煤层透气性不同的原故 在矿井中 这种由高压流向低压的瓦斯流动状 态大多表现为矿井瓦斯涌出 在特殊情况下 则可以形成喷出和突出 现场实测也表明 煤层的透气性一般都很低 瓦斯在其中的流速也很小 在这种情 况下 煤层中瓦斯流动状态宏观上基本属于层流运动 也就是瓦斯的流速和压差成正比 与煤的渗透率成正比 符合线性渗透定律 2 4 2 邻近层与围岩中瓦斯流动 当开采煤层附近的地层中具有邻近煤层或大量不可采煤层时 一般情况下 在煤层开 采后 由于围岩的移动和地应力的重新分布 在地层中造成了大量的裂隙 可使顶底板 附近煤层中的瓦斯大量涌入开采空间 如图 2 3 所示 1 卸压圈 2 冒落圈 3 开采煤层 4 卸压煤层 5 瓦斯流向 图 2 3 邻近煤层的瓦斯涌动 Fig2 3 Methane emission to the nearby coal 目前研究认为 在回采工作面第一次落顶后 即引起煤层顶板岩层的冒落破裂和变 形 在采空区附近会造成一个卸压圈 一般情况下处于冒落区的邻近煤层有些会直接向 采空区放散瓦斯 而有一些则是通过裂隙向采空区放散瓦斯 有一些煤层虽然卸压 但 不能立即放出瓦斯 而是过一段时间 当岩石裂隙发展到该煤层后 煤体中的瓦斯才通 过裂隙向采空区放散 通常情况下 上部卸压变形区域排放瓦斯的范围是随时间和空间的不断发展而发展 并在达到一定程度后即停止的 距开采层不同距离的上邻近层瓦斯进入采区的时间和涌 出量决定于开采层顶部岩层的冒落情况 层间岩石的性质 邻近层的厚度 瓦斯含量和 13 75 工作面的长度等因素 它的涌出是比较迅速的 往往发生在第一次冒落以后 开采上方 有几个上邻近层时 在工作面推进过程中会出现瓦斯涌出量突然增加的现象 下邻近层的瓦斯涌出情况与上邻近层有所不同 在工作面推进后 由于采空区出现 了大面积的空间 在强大的地应力作用下 开采层下方的地层即向采空空间鼓起 其移 动的距离可达 10mm 以上 这样 在层间形成了大量的裂隙 形成了下部地层中的瓦斯向 采空区放散的条件 下部岩层向上鼓起的程度随距采空区的距离不同而不同 下邻近层 的顶板向上移动的量大于其底板岩层向上移动的量 这样就是邻近层膨胀 下邻近层的瓦斯涌出一般是比较缓慢的 但当层间岩层强度低而且距离不大时 在 下邻近层高压瓦斯压力的推动下 可以形成猛烈鼓起 造成地板破裂 瓦斯喷出 2 4 3 瓦斯在采空区涌出分析 煤矿内的采空区是一个巨大的巷道网络和采动裂隙空洞区域 其延展的范围纵深几 百米 面积达数平方公里 瓦斯在这一巨大空间中的运移主要受控于矿井的压力分布 当采空区的冒落空间扩展到邻近的采空空间时 如该区域储存大量瓦斯 在压力作 用下也可以流入正在开采的空间 使采取瓦斯涌出量骤然增加 正中来自开采空间区域 外的瓦斯 不仅可以来自左右相邻区域 也可以来自上下区域 这一点在多煤层也就是 煤层群开采中尤为显著 当在地层中存在充满瓦斯的巨大断层裂隙系统时 由于采矿工作造成的岩层移动往 往会使这些瓦斯通过裂隙而进入开采空间 这样就增加了分析研究瓦斯问题的难度 故 而在研究煤层瓦斯流动的规律之外 还要把瓦斯看成是一个大的系统 这样才能获得比 较全面准确的认识 3 煤层开采岩层移动及规律 3 1 采动覆岩运动规律 3 1 1 采动覆岩运动形式 理论与实践研究结果表明 26 采场上覆岩层悬露后发展到破坏有弯拉破坏和剪切破 坏两种运动形式 弯拉破坏发展过程是 随采场推进 上覆岩层悬露在重力作用下弯 曲岩层悬露达一定跨度 弯曲沉降发展到一定限度后 在深入煤壁的端部开裂中部 开裂形成 假塑性岩梁 当其沉降值超过 假塑性岩梁 允许沉降值时 悬露岩层自 行冒落 岩层运动由弯曲沉降发展至破坏的力学条件是岩层中的最大弯曲拉应力达到其 抗拉强度 悬露岩层中部拉开后 是否发展至冒落 则由其下部允许运动的空间高度决 定 只有其下部允许运动的空间高度超过运动岩层的允许沉降值 岩层运动才会由弯曲 沉降发展至冒落 否则 将保持 假塑性岩梁 状态 因此 煤层上方第 n 个岩层弯曲 破坏发展至冒落条件为 on SS 3 1 1 1 1 n t Atn KmhS 式中 悬露岩层下部允许运动空间高度 m n S 悬露岩层发展为 假塑性岩梁 的允许沉降值 o S 已冒落岩层的总高度 m 1 1 n t 已冒落岩层的碎胀系数 A K 煤层开采高度 m h 岩层剪 切 断破坏的发展过程是 岩层悬露后只产生大的弯曲 悬露岩层端部开 裂 在岩层中部未开裂 或者开裂很小 的情况下 整体切断塌垮 上覆岩层内部移动特征 27 如图所示 沿倾斜方向剖面 测点基本沿着与层面垂直的 方向向下移动如图 3 1 a 所示 沿走向剖面 测点先向采空区方向移动 然后又转向 15 75 工作面推进方向移动 最后基本恢复到原来的位置 如图 3 1 b 图 a 图 b 图 3 1 上覆岩层移动发展规律 Fig 3 1 The law of overlying rock deformation and dispacement 3 1 2 覆岩采动裂隙动态分布规律 地下矿体的采出必定会引起采场围岩的应力重新分布 引起围岩的变形 破坏及运 动 从而导致围岩裂隙状态的变化 岩层移动与开采沉陷是采矿科学的基础之一 也是 保护层开采防突作用考察的基础 根据砌体梁理论 28 31 对煤层开采后覆岩移动规律提出了 横三区 竖三带 如图 3 2 即沿工作面推进方向上覆岩层将分别经历煤壁支撑影响区 高层区 重新压实区 由 上而下岩层移动分为冒落带 裂隙带 整体弯曲下沉带 实践表明 上覆岩层的岩性对 岩层移动 变形和断裂有很大的影响 A 一煤壁支撑影响区 a b B 一离层区 b c C 一重新压实区 a 一支撑影响角 I 一冒落带 II 一裂缝带 III 一弯曲下沉带 图 3 2 覆岩移动的 横三区 竖三带 矿压模型 Fig 3 2 Ground pressure Model of overburden displacement 3 1 3 煤层开采岩层运移破坏的 三带 工作面上覆岩层由上向下按其破坏程度可分为三个带 冒落带 裂隙带和弯曲下沉 带 1 冒落带 冒落带是指用全部垮落法管理顶板时 回采工作面放顶后引起煤层顶板岩 层产生冒落破坏的范围 冒落带内岩层破坏特点是 a 随着煤层的开采 顶板岩层在自重的作用下 发生弯曲 断裂 破碎成块而冒落 冒落岩块大小不一 无规则地堆积在采空区内 根据冒落岩块的破坏和堆积情况 冒落 带可分为不规则冒落带和规则冒落带两部分 在不规则冒落带内 岩层完全失去原有的 层位 岩块破碎 堆积紊乱在规则冒落带内 岩层基本上保持原有层次 位于不规则冒 落带之上 b 冒落岩层具有可压缩性 冒落岩块的空隙随着上覆岩层的下沉 压力的增大 在一 定程度上可得到压实 一般是稳定时间越长 压实性越好 但永远不会恢复到原岩体的 体积 17 75 c 冒落岩石具有一定的碎胀性 冒落岩块空间较大 连通性好 有利于瓦斯和水通过 冒落岩石的体积大于冒落前的原岩体积 岩石具有的碎胀性是使冒落能自行停止的根本 原因 2 裂隙带 在采空区上方覆岩层中产生裂缝 离层及断裂 但仍保持层状结构的那部分岩层及 所属的空间范围称为裂隙带 裂隙带通常位于冒落带和弯曲下沉带之间 裂隙带内岩层 产生较大的弯曲 变形及破坏 其破坏特征是岩层不仅发生垂直层理面的裂缝或断裂 而且产生顺层理面的离层 层内产生大量的裂隙 裂缝 具有良好的透气 导水性 按 裂隙产生的数量及性质 裂隙带又可分为贯穿裂隙带与非贯穿裂隙带 贯穿裂隙带内岩 层内部的裂隙 裂隙密度大且相互贯穿 是瓦斯的良好流通通道 非贯穿裂隙带内岩层内部的裂隙密度小且连通性差 对瓦斯 水的流动阻力较大 裂隙带的高度一般为采高的 10 30 倍 当然这不包括冒落带的高度 3 弯曲下沉带 弯曲下沉带位于裂隙带之上直至地表 此带内岩层的移动特点 a 岩层在自重力的作用下产生层面法向弯曲 在水平方向处于双向受压缩状态 因而 其压实程度较好 b 弯曲带内岩层的沉陷过程是连续而有规律的 并保持其整体性层状结构 不存在或 极少存在离层裂缝 在竖直面内 各部分的移动值相差很小 c 弯曲带的高度主要受开采深度的影响 当采深很大时 弯曲带的高度可大大超过冒 落带和裂隙带的高度之和 此时 开采形成的裂隙带不会达到地表 地表的移动和变形 相对比较平缓 3 2 关键层运动对邻近层瓦斯涌出的影响分析 3 2 1 关键层定义及判别 岩层控制的关键层理论 为深入研究岩层内部移动的动态过程和岩层采动裂隙动态 分布规律提供了强有力的理论工具 关键层理论的基本学术思想是 基于成岩时间及矿 物成分不同 煤系地层形成了厚度不等 强度不同的多层岩层 其中一层至数层厚硬岩 石在岩层移动中起主要的控制作用 将对岩体活动全部或局部起控制作用的岩层成为关 键层 关键层的判别主要依据是其变形和破坏特征 即在关键层破断时 其上部全部岩 层或局部岩层的下沉变形是相互协调一致的 前者称为岩层活动的主关键层 后者称为 亚关键层 也就是说 关键层的断裂将导致全部或相当部分的上覆岩层的整体运动 覆 岩中的亚关键层可能不止一层 而主关键层只有一层 为了弄清开采时由下往上传递的 岩层移动动态过程 并对岩层移动过程中形成的采场矿压显现 煤岩体中水与瓦斯的流 动和地表沉陷等状态的变化进行有效检测和控制 关键在于弄清关键层的变形破断及其 运动规律以及在运动过程中与软岩层间的相互耦合作用关系 煤层开采后将引起上覆岩层的移动和破断 从而在覆岩中形成采动裂隙 覆岩采动裂 隙场分布与水体下采煤 卸压瓦斯抽采工程问题密切相关 为了优化卸压瓦斯抽采的钻 孔布置 减少钻井工程量 提高卸压瓦斯抽采率 运用关键层理论可以得出以下基本规 律 沿工作面推进方向 关键层下离层动态分布呈现两阶段发展规律 关键层初次破断 前 最大离层位于采空区中部 关键层初次破断后 关键层在采空区中部趋于压实 而 采空区两侧仍各保持一个离层区 其最大宽度及高度仅为关键层初次破断前的 1 3 左右 沿顶板高度方向 随着工作的推进 高层呈跳跃式由下往上发展 首先 第 I 亚关键层 下出现离层 当其破断后 离层呈 O 形圈分布 如图 此时 上部第 II 关键层下出 现离层 当其破断后 离层呈 O 形圈 如此发展至主关键层 a 倾斜剖面图 b 平面图 图 3 3 O 圈示意图 Fig 3 3 O shaped circle 3 2 2 关键层及其运动 在采场覆岩层中存在多个岩层时 对岩体活动全部或局部起决定作用的岩层称为关 键层 前者称为主关键层 后者称为亚关键层 关键层判别的主要依据是其变形和破断 19 75 的特征 即在关键层运动时 所控制的全部或局部岩层的下沉变形时相互协调一致的 关键层的断裂将导致其所控制的岩层随之产生整体运动 关键层控制着上覆裂隙的动态 发展 相关研究结果表明 采动裂隙由下往上的动态扩展过程是非匀速的 而是受下位 关键层的控制 随关键层的破断而突变 3 2 3 关键层运动对邻近层瓦斯涌出的影响分析 瓦斯在煤层中赋存主要为游离和吸附两种状态 并以吸附态为主 煤层瓦斯只有在 游离状态下并且有大量裂隙通道存在时方能大量涌出 在特定的煤层赋存条件下 煤层 瓦斯的吸附 解吸主要受到瓦斯压力影响 煤层采动过程中 覆岩在下部关键层运动的控制下随之弯曲下沉进而破断 随着关 键层的弯曲下沉 覆岩层内将产生压力卸压区和增高区 处在卸压去内的含瓦斯煤体卸 压膨胀 瓦斯压力减小 吸附瓦斯得到解吸 游离瓦斯增多 关键层的突然破断 将引 起其所控制的岩层随之整体破断 产生上下贯通的穿层裂隙 3 3 小结 深部煤层开采 工作面顶 地板垮落呈现不同特征 1 上层煤顶板垮落破坏从工作面中上部开始 随工作面沿走向推进 采空区上部顶板 破坏向高层位及工作面下部延伸 导致在工作面倾向顶板垮落卸荷的非均匀特征导致在 工作面中上部垂直和水平应力接近或等于零 而下部顶板未充分垮落 应力未完全释放 所以该区域应力值急剧增大 2 开采深部煤层时 由于上层煤采空区充填特征的非均匀性 即沿倾向中下部充填充 分 上部不充分 导致顶板变形破坏首先开始于工作面中部 并向两巷方向发展 顶板 垂直位移特征与上层煤不同 变化趋势复杂 其最大位移处于工作面中下部 应力曲线 出现非均匀变化 在工作面中部应力值大于运输平巷处 其变化趋势与开采上层煤时不 一致 在两巷一定范围内出现应力值突变 3 各煤层底板应力和位移特征相似 但由于下层煤底板受到上层煤层开采扰动影响 底板岩体整体强度大大降低 导致支架下部失稳可能性增大 应采取合理措施防治 4 在深部煤层群开采中 应力集中于上层煤运输平巷处 并随下层煤的开采 集中区 应力值逐渐增大 但其位置并未随着开采转移至下层煤运输平巷处 二是始终处于上层 煤运输平巷外侧 与中 下层煤运输平巷处处于同一水平 当开采下区段煤层时该应力 集中区将成为造成下区段保护煤柱及回风平巷变形破坏的主要影响因素 及时采取控制 治理措施是深部深层煤开采的保证 4 采动影响下瓦斯运移的数学模型 4 1 基本假设 瓦斯在孔隙 裂隙结构的煤层中流动时 在孔隙中的流动符合扩散定律 在煤层裂 隙中的流动符合达西定律 所以它的数学模型应是以扩散定律和达西定律为基础导出的 联立方程 方程的建立在下列假定基础上 1 煤层是由许多粒度均匀且含孔隙结构的煤粒组成 煤粒内部的瓦斯流动符合扩 散定律 2 煤粒之间的空隙组成了煤层裂隙系统 裂隙网中的瓦斯流动符合达西定律 3 煤层结构均匀 原始瓦斯压力相等 4 煤层瓦斯含量与瓦斯压力的平方根成正比 基本符合抛物线方程 5 煤层顶底板不透气 且不含瓦斯 6 瓦斯在煤层中流动时 温度不变 4 2 采动影响下瓦斯运移规律的数学模型 瓦斯在孔隙结构煤粒中的运动属于球向扩散运动 其微分方程式为 2 2 2 r X rr X D t X 0 0 0 tBrXX 0 tBrXX t 4 1 0 0 0 tr r X 式中 煤粒原始瓦斯含量 0 X 334 1 00 mmPX 21 75 煤粒表面的瓦斯含量 1 X 334 1 1 mmX f 煤层原始瓦斯压力的平方 0 P 2 MPa 煤层中某一位置裂隙中瓦斯压力平方 f P 2 MPa 煤粒半径 Bm 时间 td 瓦斯在煤层裂隙结构中的流动遵循达西定律和质量守恒定律 当单向流动时 其方 程为 2 2 x P t X y drXr B X 0 2 3 3 0 0 0 tLxPP 0 0 1 txPP 4 2 0 0 tLx x p 式中 煤层透气系数 22 dMPam 煤粒平均瓦斯含量 X 33 mm 单向流动煤层的有限长度 Lm 煤层原始瓦斯压力平方 0 P 2 MPa 巷道空间煤壁上瓦斯压力平方 1 P 2 MPa Darcy 定律瓦斯流速状态方程 zg g g g P k q 式中 达西定律的渗流速度 g q 1 sm 假定变化条件下 煤层瓦斯渗透率系数 g k 2 m 瓦斯动力粘滞系数 g sPa 瓦斯密度 g 3 mkg 重力加速度 g 2 sm 煤层中的瓦斯吸附含量可以被描述成为朗缪尔等式 ga L LL gaf pP pPV CCm 1 式中 瓦斯含量 m 3 mkg 假定条件下 多孔煤体的孔隙率 瓦斯密度 g 3 mkg 试验条件下的瓦斯密度 ga 3 mkg 总体来说 是在一个大气压条件下的值 ga a P 煤体密度 s 3 mkg 孔隙压力 pPa 朗缪尔参数 L P 13 kgm 朗缪尔参数 L V 1 Pa 23 75 5 基于 COMSOL 的瓦斯运移规律的数值模拟 5 1 数值方法简介及软件介绍 5 1 1 数值方法简介 近十余年来 数值方法在求解复杂工程问题中得到广泛应用 已逐渐成为研究地下 工程问题的重要手段之一 可在一定程度上取代昂贵的模型试验 数值方法的突出优点 就是能够较好的考虑诸如介质的各项异性 非均质特性及随时间的变化 复杂边界条件 和介质不连续等复杂地质条件 高速电子计算机的