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。

虎龙沟煤矿在改扩建前其南部区域及井底车场附近的8#煤层已被原地方煤矿开采，开采方式为采9m（最大为15m）留6m的房式（小条带）开采，形成了大面积采空区；位于该采空区上方的5#煤层因而将形成“蹬空开采”的特殊条件。

虎龙沟煤矿5#煤层厚度约10～12m，煤炭储量3000万吨左右。

5#煤层回采过程中，产生大面积的采空区，由于采动影响在采动断裂带形成破断裂隙和离层裂隙，采动裂隙网络与采空区相连形成采动断裂带，由于瓦斯的升浮、扩散和渗透作用，在采动断裂带形成瓦斯富集区，工作面瓦斯易超限，导致工作面断电撤人，中断生产，其中采空区涌出瓦斯是主要来源。

另外，由于8#煤层采空区已回采10年左右，小条带采空区中含有大量的瓦斯等混合气体，并且压力比较大，当上下煤层中间岩层厚度较小时，中间岩层受采动的影响必会产生裂隙，在上部5#煤蹬空开采过程中，下部空区内的有害气体有可能渗透到5#煤巷道及综放工作面，对5#煤层采空区内的瓦斯浓度产生影响。

因此，研究采空区内瓦斯运动规律，对煤矿安全具有重要的意义。

本文以虎龙沟项目为依托，对8#煤层采空区中瓦斯浓度进行预测分析，并通过现场实测和理论分析得出8#煤层与5#煤层中间带的裂隙发育情况，根据裂隙发育情况模拟邻近层5#煤层中瓦斯流动对8#煤层采空区中瓦斯浓度的影响，为安全进行“蹬空区”内5#煤层综放长壁开采提供理论依据。

1.2 课题研究目的及意义本课题旨在研究蹬空开采时5#煤层采空区中瓦斯运动规律。

并分析8#煤层瓦斯流动对5#煤层采空区瓦斯浓度的影响。

对上部开采时采空区瓦斯运动规律进行预测分析，确保5#煤层安全开采。

1）8#煤层采空区现已采用密闭方式完全封闭，只能通过理论和模拟来研究，通过本课题可以了解5#煤采空区瓦斯运动情况及受邻近8%煤层瓦斯运动影响情况，具有很高的参考价值。

2）我国煤层结构复杂，煤层群分布广泛，对煤层群开采时有时需要采用上行开采的方式。

然而上行开采也有它的局限性。

在上行开采过程中,由于上下煤层中间岩层受到采动影响,发生移动破坏,产生裂隙,弯曲下沉等,导致上部开采区与下部采空区产生了连通，下部采空区中的瓦斯会透过上下煤层中间岩层产生的裂隙渗流到上部开采区中，容易导致上部开采区瓦斯量超标，甚至引起瓦斯事故，影响正常生产，并引发严重的安全隐患。

由此可见，对采空区瓦斯运动规律进行深入研究有着十分重要的意义，由于直接现场试验有一定的难度，对瓦斯渗流除了实验室试验外，采用数值分析方法进行分析研究是一种切实可行也是目前常用的方法之一。

由上述分析，我们提出了用FLUENT数值模拟方法进行采空区瓦斯运动规律模拟研究。

该研究将能有效的模拟瓦斯运动规律及受邻近煤层采空区瓦斯的影响，为实际生产提供可靠的科学依据。

因此，本课题的研究，具有广泛的工程理论和实践价值。

1.3 瓦斯运移规律研究现状瓦斯运移规律是研究瓦斯涌出规律的基础，该项研究涉及岩石力学、渗流力学、采矿及安全工程学等学科，但其关键在于力学中相关的渗流理论。

1947年前苏联学者P.M.克里切夫斯基利用渗透理论描述煤层内瓦斯运移过程[4]，总结出了考虑瓦斯吸附性质下的瓦斯渗流规律，为瓦斯渗流理论发展奠定了基础。

目前，研究煤矿瓦斯防治、抽放瓦斯机理的数学模型主要集中在瓦斯扩散理论、瓦斯渗流理论、瓦斯渗流—扩散理论及多物理场中瓦斯耦合理论方面的研究。

1.3.1 瓦斯扩散理论的研究现状采空区瓦斯移动弥散开始于相似模拟实验。

章梦涛在流场的角度给出Galerkin 有限元解法及瓦斯运移定解条件[24]，早于波兰人J.Roszkowski、W.Dziurzynski对采空区瓦斯浓度分布的程序计算[25]，模型中所用方程基于单相传质方程，由于数值解稳定性差，存在手工绘制结果图与修正问题；丁广骧于1996年引入使数值解稳定的有限元方法[26]。

1995年，章梦涛介绍了一些特殊情况下流体弥散过程解析解，并给出具体实例说明其用处[27]。

齐庆杰、黄伯轩采场瓦斯超限的基本原因进行了分析，给出了几种采场瓦斯防治方法[28]。

1.3.2 瓦斯渗流理论的研究现状瓦斯渗流理论认为在采空区内瓦斯的流动可以视为在多孔介质内瓦斯的流动。

而当今渗流理论又细分为非线性和线性两种渗流理论。

1）瓦斯非线性渗流理论采空区中风流流动并非单一层流，在相当大的区域内一般为紊流，即实际采空区风流流动偏离达西定律的情况，许多学者据此提出了非线性渗流理论。

1993年，丁广骧，邸志乾[21]等根据非线性渗流理论，通过二维采空区非线性渗流方程的建立，总结出方程边界条件描述方法，介绍采空区非线性渗流方程有限元解法。