上行开采瓦斯运移规律模拟

分类号：密级：公开

U D C：单位代码： 10424

学位论文

上行开采瓦斯运移规律

数值模拟研究

王太茂

申请学位级别：硕士学位领域名称：工程力学

指导教师姓名：王同旭职称：教授

山东科技大学

二零一三年六月

论文题目：

上行开采瓦斯运移规律

数值模拟研究

作者姓名：王太茂入学时间： 2010年9月领域名称：工程力学研究方向：矿山岩石力学指导教师：王同旭职称：教授

论文提交日期：2013年6月

论文答辩日期：2013年6月

授予学位日期：

目录

1 绪论 (5)

1.1 课题的提出 (5)

1.1.1 国内外瓦斯灾害现状 (5)

1.1.2 矿井开采瓦斯治理存在的问题 (6)

1.1.3 课题立论依据 (6)

1.2 课题研究目的及意义 (7)

1.3 瓦斯运移规律研究现状 (8)

1.3.1 瓦斯扩散理论的研究现状 (8)

1.3.2 瓦斯渗流理论的研究现状 (8)

1.3.3 瓦斯渗流——扩散理论的研究 (9)

1.3.4 多物理场瓦斯耦合理论的研究 (10)

1.4 主要研究内容及方法 (12)

2 采空区底板破碎形态数值模拟及其裂隙演化规律 (13)

2.1煤岩体应力演化分析 (13)

2.2 加卸压开采损伤煤岩渗透率试验 (14)

2.3 离散单元法和UDEC数值模拟软件 (16)

2.3.1 离散元法的基本原理 (16)

2.3.2 离散元的基本假定和基本方程 (16)

2.3.3 UDEC软件介绍 (18)

2.4 采空区底板裂隙演化规律 (18)

2.4.1 UDEC力学数值模型及岩体参数 (18)

2.4.2 模拟结果与分析 (21)

2.5 本章小结 (25)

3 采空区瓦斯运移理论研究 (25)

3.1 采空区瓦斯来源分析 (25)

3.1.1采空区中瓦斯的主要来源 (25)

3.1.2 采空区中邻近层瓦斯涌入机制 (26)

3.2 采空区垮落岩体特性 (27)

3.2.1 采空区损伤演化特征 (27)

3.2.3 采空区垮落岩体碎胀特征 (28)

3.2.2 采空区瓦斯渗流特性 (29)

3.3 多孔介质的基本性质 (30)

3.3.1 多孔介质的孔隙性 (30)

3.3.2 多孔介质的压缩性 (31)

3.4 多孔介质中气体的流动特性 (32)

3.4.1 多孔介质中气体流动状态 (32)

3.4.2 多孔介质中气体流动力学特征 (32)

3.4.3 多孔介质中气体流动质量守恒规律 (32)

3.4.4 达西定律在气体流动中的应用 (33)

4 采空区瓦斯运移规律数值模拟研究 (34)

4.1 GAMBIT数值建模 (34)

4.2 Fluent数值建模 (36)

4.2.1 Fluent软件介绍 (36)

4.2.2基本假设 (37)

4.2.3数学模型 (37)

4.2.4模型边界条件 (38)

4.3 计算结果与分析 (39)

4.3.1本煤层采空区瓦斯运移规律研究 (39)

4.3.2考虑邻近煤层影响的采空区瓦斯运移规律 (45)

4.4 本章小结 (50)

5 结论与展望 (51)

参考文献 (51)

1 绪论

1.1 课题的提出

1.1.1 国内外瓦斯灾害现状

我国煤矿事故主要呈现以下几方面特点：一、事故总数量高（图1），事故导致每年死亡人数为6000人左右；二、特大事故频发，一次死亡10人以上的特大事故每年发生十起，死亡1000多人，三、瓦斯事故所占比例高（图1），人员伤亡大，在特大事故中89%是瓦斯事故，每年因瓦斯事故造成的死亡人数约2000人，占事故总死

上升趋势。，我国现有国有重点井工煤矿751处，年产量大于30万吨的地方国有煤矿1850个。根据2010年矿井瓦斯鉴定，全国共有1134个突出和高瓦斯矿井，占全国

m增至2010总矿井数44%；国有重点煤矿的矿井瓦斯涌出总量由2000年的51.8亿3 m。

年的60.63

瓦斯灾害不仅威胁到井下工作人员生命安全，摧毁矿井设施，造成巨大的直接经济损失和恶劣的社会影响，还迫使矿井停产停工，并投入大量人力物力抢险救灾，造成难以估量的间接经济损失。据统计，1981年～1995年，我国重点煤矿在加强瓦斯

灾害防治的前提下，仍因瓦斯灾害死亡1582人，其中，瓦斯突出造成死亡人数为569人，瓦斯爆炸导致死亡278人，造成直接经济损失近15亿元[2]。新世纪以来，我国煤矿瓦斯灾害事故仍呈不断上升趋势，给煤矿安全生产造成极大威胁。

1.1.2 矿井开采瓦斯治理存在的问题

从1984年我国首次将综放开采设备进行工业性试验到现在，综采技术发展已经过20余年的历程，在不断完善综采技术的实践过程中，我国克服了各种技术难题，积累了综采设计、工艺生产、岩层控制、设备研制、资源回收及生产管理等方面一整套理论实践经验，具备在多种条件下实现高产高效目标的条件。与传统的采煤方法相比，综放开采有其不可比拟的优越性，其特点是：①掘金率低，减少了巷道掘进率及巷道维护量，掘进率可降低40%～60%；②回采工效高，工人的工作效率大大提高；

③适应性强，可适应多种地质环境；④成本费用低，与分层开采相比，节省吨煤成本费用。近年来，综放采煤法在我国煤矿厚煤层开采中得到广泛应用，成为我国煤矿高产高效的主要途径。

但是综放采煤法也存在很多问题。包括综放开采产量集中导致瓦斯散发面大；采空区高度大导致上覆岩层垮落带、规则移动带高度增大。设备采动影响大及生产范围大导致对顶底板岩层破坏大。对于拥有邻近煤、岩层的开采煤层而言，设备采动大影响和生产范围大，使综放工作面瓦斯涌出出现了一些新的特点。在采煤机割煤移架过程中底板应力状态和煤体结构发生改变，产生大量的裂隙，使邻近煤层采空区高浓度瓦斯渗透到采空区，同时采空区的遗煤也会涌出部分瓦斯，造成大量的瓦斯积存在采空区。采空区瓦斯涌出是工作面和矿井瓦斯涌出的主要来源,其大量涌出导致工作面瓦斯频繁超限和矿井被迫停产，甚至造成重大事故，造成巨大经济损失和人员伤亡。

1.1.3 课题立论依据

本课题源于山东科技大学与大同煤矿集团挖金湾虎龙沟煤业有限公司的合作项目。虎龙沟煤矿原属怀仁县地方煤矿，属同煤集团新改建矿井，改造核定生产能力120万吨，开采面积8.9217km2，开采煤层为石炭系上统太原组5#、8#煤层，埋藏深度200～300m。