立井揭煤氣固耦合數(shù)值模擬及防突技術(shù)

【摘要】：立井揭穿具有煤與瓦斯突出危險性的煤層是當(dāng)今立井施工中的一項重大安全技術(shù)問題。隨著煤礦開采深度每年不斷的增加,立井揭穿具有煤與瓦斯突出危險性煤層的危險性也在不斷增大,嚴(yán)重制約著礦井的安全高效生產(chǎn)。本文采用理論分析、數(shù)值模擬分析和工程試驗相結(jié)合的方法,系統(tǒng)的研究了立井揭含瓦斯煤巖力學(xué)分布特征及防突技術(shù)。首先,基于含瓦斯煤有效應(yīng)力原理,通過合理的假設(shè)和簡化,構(gòu)建了含瓦斯煤氣固耦合方程。然后,將氣固耦合方程組嵌入COMSOL Multiphysics軟件,分析了不同井筒開挖直徑、不同瓦斯壓力和不同安全巖柱厚度條件下立井揭煤過程中工作面周圍煤巖體的應(yīng)力分布規(guī)律和立井掘進(jìn)過程中待揭煤層的滲流特性。最后根據(jù)立井掘進(jìn)工作面周圍煤巖體應(yīng)力分布特點(diǎn),設(shè)計采用扇形密集抽采鉆孔抽采待揭煤層瓦斯,取得了很好的防突效果。 數(shù)值模擬結(jié)果表明：不同井筒開挖直徑、不同瓦斯壓力和不同安全巖柱厚度條件下立井工作面周圍煤巖體的應(yīng)力分布規(guī)律相似,都存在著應(yīng)力集中區(qū),卸壓區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)。在井筒四周存在應(yīng)力集中區(qū),應(yīng)力集中區(qū)的存在是因為立井開挖過程中,此處煤巖體的原始三向應(yīng)力平衡狀態(tài)變成二向荷載,應(yīng)力發(fā)生重新分布。在工作面前(下)方是“漏斗”形采動卸壓區(qū),中心為最大卸壓區(qū)。井同開挖直徑越大、預(yù)留安全巖柱厚度越小,應(yīng)力集中區(qū)的范圍和峰值越大,卸壓區(qū)的范圍也越大。含瓦斯煤的孔隙瓦斯壓力越大,煤體的有效應(yīng)力越低,煤體的強(qiáng)度降低幅度越大。隨著瓦斯壓力的不斷增大,工作面周圍煤巖體塑性變形破壞區(qū)域不斷增大,越容易發(fā)生煤與瓦斯突出。 采用主動測壓的方法,僅需兩天時間左右即測得11-2煤層瓦斯壓力1.22MPa,判斷為煤與瓦斯突出煤層。根據(jù)潘三礦深部進(jìn)風(fēng)井揭11-2煤工作面應(yīng)力分布特點(diǎn),通過采用扇形密集抽采鉆孔連續(xù)抽采煤層瓦斯28天,累計抽采瓦斯量15951m3,煤層瓦斯預(yù)抽率高達(dá)57.7%,11-2煤組評價區(qū)域內(nèi)殘余瓦斯壓力最大值0.32MPa,殘余瓦斯含量最大值2.85m3/t。有效的降低了煤層的瓦斯壓力和瓦斯含量,在立井井筒四周構(gòu)成了一定范圍的阻止煤與瓦斯突出發(fā)生的安全區(qū)域,防突效果顯著。 【關(guān)鍵詞】：煤與瓦斯突出 立井揭煤 應(yīng)力分布 氣固耦合模型 安全巖柱 井筒直徑 瓦斯壓力 瓦斯抽采
【學(xué)位授予單位】：安徽理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TD713
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-12
• 1 緒論12-22
• 1.1 問題的提出及其研究意義12-13
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-19
• 1.2.1 煤與瓦斯突出的發(fā)生條件13
• 1.2.2 立井揭煤防突技術(shù)現(xiàn)狀研究13-18
• 1.2.3 采動應(yīng)力場與瓦斯流動場耦合研究現(xiàn)狀18-19
• 1.3 研究內(nèi)容與技術(shù)路線19-22
• 1.3.1 研究內(nèi)容19-20
• 1.3.2 技術(shù)路線20-22
• 2 含瓦斯煤氣固耦合模型建立22-34
• 2.1 模型構(gòu)建的基本假設(shè)22
• 2.2 含瓦斯煤體有效應(yīng)力原理22-25
• 2.2.1 本體有效應(yīng)力23-24
• 2.2.2 結(jié)構(gòu)有效應(yīng)力24
• 2.2.3 等效有效應(yīng)力24-25
• 2.3 含瓦斯煤變形場控制方程建立25-28
• 2.3.1 平衡方程25-26
• 2.3.2 幾何方程26
• 2.3.3 本構(gòu)方程26-28
• 2.4 孔隙率和滲透率的動態(tài)模型建立28-30
• 2.4.1 孔隙率動態(tài)模型28-29
• 2.4.2 滲透率動態(tài)模型29-30
• 2.5 含瓦斯煤體的滲流場控制方程30-32
• 2.5.1 滲流運(yùn)動方程30-31
• 2.5.2 滲流狀態(tài)方程31
• 2.5.3 煤體瓦斯含量方程31
• 2.5.4 滲流連續(xù)方程31-32
• 2.6 定解條件32-33
• 2.6.1 初始條件32
• 2.6.2 邊界條件32-33
• 2.7 小結(jié)33-34
• 3 立井工作面前方煤巖氣固耦合作用下數(shù)值模擬分析34-50
• 3.1 COMSOL Multiphysics數(shù)值模擬軟件簡介34
• 3.2 物理模型的建立34-35
• 3.3 模擬結(jié)果分析35-48
• 3.3.1 不同巖柱厚度下立井工作面前方煤巖體應(yīng)力分布35-39
• 3.3.2 不同井筒直徑時立井工作面前方煤巖體應(yīng)力分布39-41
• 3.3.3 煤層瓦斯壓力變化對立井工作面前方煤巖體應(yīng)力分布的影響41-46
• 3.3.4 井掘進(jìn)過程中待揭煤層滲流特性分析46-48
• 3.4 小結(jié)48-50
• 4 潘三礦深部進(jìn)風(fēng)井揭煤突出危險性分析及防突技術(shù)研究50-74
• 4.1 試驗區(qū)概況50-51
• 4.2 煤層突出危險性預(yù)測51-63
• 4.2.1 測壓鉆孔設(shè)計52-57
• 4.2.2 煤層瓦斯壓力測定57-61
• 4.2.3 煤層瓦斯含量測算61-63
• 4.3 防突技術(shù)63-71
• 4.3.1 瓦斯抽采鉆孔設(shè)計63-71
• 4.3.2 瓦斯抽采效果考察71
• 4.4 防突效果分析71-73
• 4.4.1 殘余瓦斯壓力測定72
• 4.4.2 殘余瓦斯含量測算72-73
• 4.5 小結(jié)73-74
• 5 結(jié)論與展望74-76
• 5.1 結(jié)論74-75
• 5.2 展望75-76
• 參考文獻(xiàn)76-82
• 致謝82-84
• 作者簡介及讀研期間主要科研成果84

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