（安全技术及工程专业论文）采动影响下的煤岩瓦斯裂隙场耦合模型及其分析.pdf

s u b j e c t ：t h ec o u p l i n gm o d e li nc r a c ko fc o a lr o c ka n dg a s u n d e rt h e i n f l u e n c eo fa d o p t i o na n di t sc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i s s p e c i a l t y ：s a f e t yt e c h n o l o g ya n d e n g i n e e r i n g n a m e ：w a n gl i a n i n s t r u c t o r ：l is h u g a n g a 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 i nr e c e n ty e a r s ，m i n i n ga c c i d e n ti sc o n t i n u i n gw i t h o u te n di nc h i n a ，t h eg a si st oa r o u s e t h e s em a i na c c i d e n tc a u s eb u t ，t h em a i nt h e m eo ft h i sa r t i c a li sg o v e m e d i ns u m m e du pg a s a l l ds “n kt ot h i l l l 【t h a tc o v e r i n gr o c kg a t h e r i n gt h ed i s t r i b u t i o nf o r mm o v i n g ac r a c ka n dt h e c r a c km i d d l ec o a lr o c kg a sc o u p l i n gm o d e li st or e a l i z et h er a t i o n a l et h a tc o a la n dg a ss a f e t y g a t h e rt o g e t h e r ，b e i n ga l s ot oc o m e t r u ea n dr a t i o n a l et h a tg a ss a f e t yg a t h e r st o g e t h e rt h ed a y s t oc o m e a r e ru n i f i e su d e ca n dt h ef l a c 3 dv a l u es i m u l a t i o na n dt i n g n a nc o a lm i n e101 c o m p l e t em e c h a n i z e dt h ew o r k i n gs u r f a c et op r e s ss i t u a t i o na n a l y s i sc o a lb e dm m m g o nt h e c a dr o c kb o d yc r e v a s s ef i e l dt oh a v et h ed e v e l o p m e n ts p a c ea n d t i m er u l ea n dt h ed i s t r i b u t l o n s h a p ea sw e l la st h eg a sf u l lr e l e a s eo fp r e s s u r e sc o p ea n d t h ec h a r a c t e r i s t i c ，h a v ev e r i t l e da s p i r i tm o v i n gc o v e r i n gar o c kh i r i n gt h et a r g e tp e n e t r a t i n ga t i e rb r o k e nc u to f ft h ec r a c ka 1 1 d t i e ro ff a c eb ea w a yf r o mt i e ro fc r a c k sl i n ku pt h eq u e e n ，s p a c ed i s t r i b u t i o nt b r ml s a d e v e l o p m e n tc h a n g e t i e rm o v i n gac r a c kh a v i n gs t u d i e da n dw h o s ee s s e n t i a lf e a t u r e s 蚰恤e l a p p l yc o a lr o c kg a sc o u p l i n gt h e o r y , m e c h a n i c s o fm a t e r i a l s ，d a m a g em e c h a n l c s s p i r i ta p p l y i n gt h ec o a lr o c kg a sc o u p l i n gm o v er o c km a s sm e c h a n i c sa n db i o g r a p h yq u a l i t y m i m i c sp r i n c i p l ew a i t i n gt oh a v ed e d u c e dg a sm a t h e m a t i cm o d e lm o v i n g ac r a c kb e i n go nt h e m o v ei ns p i r i t t h ef i r s ts t e p g e t sa n dag a sf r o mt h i st r a n s p o r tt h eb a s i cl a wm o v i n gm t n e c r a c ki n ，r e a c hac r a c kb e i n gt h a tt h e c o l l e c t i o nb e i n go nt h em o v ea n ds t o r i n gu ph a s p r o v i d e dp a s s a g ea n ds p a c er e m o v et h ep r e s s u r eg a s ，i st h a tt h eg a sl u c km o v e s a n dg a t n e r l i e u b vt h ec h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i n gt h ec r a c kf i e l dm o d e l ，f r o mh a v i n gm a d ea ne x p l a n a t l o n t h es p i d tm o v e sac r a c ki st h a tt h eg a sm o r ea c t i v ea r e ap o u r so u tt h e o r e t i c a l l y , c r a c k 1 sg a s m o v e sa g g r e g a t i o na r e a ，f o ra r r a n g e dt h ed r i l lh o l ei na m o n gt h e mt op u l l o u tp i c k s ，t | l e t u i l i l e lr o wp u t sa n ds oo nt h eg o v e r n m e n tg a st e c h n o l o g i e st op r o v i d et h es c i e n t i f i cb a s i s k e y w o r d s ：g a s a d o p t i o n c o a lr o c k c r a c k c o u p l i n gm o d e l t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y 要料技夫学 学位论文独创l 生说明 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谢意。 学位论文作者签名： 多织 日期：2 卿、。啦l 口 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 p 学位论文作者签名：谚眼指导教师签名i 旁谚删f i 2 咖年4 月2 o 臼 1 绪论 1 1 课题研究的背景及意义 1 1 1 课题研究的背景 1 绪论 我国煤矿的瓦斯灾害是比较严重的，在原国有5 7 6 处重点煤矿矿井中，高瓦斯矿井、 煤与瓦斯突出矿井有2 7 7 处，占总数的4 8 ，且9 5 以上的矿井具有煤尘爆炸危险，更 加剧了瓦斯灾害的威胁。 据统计，1 9 9 1 年，一次死亡3 人以上的重大瓦斯事故死亡1 3 6 4 人，1 9 9 4 1 9 9 6 年 全国煤矿重大以上事故中瓦斯灾害平均占6 8 2 i l j ；2 0 0 0 年瓦斯事故造成2 6 6 2 人死亡， 1 0 年中增加近一倍。2 0 0 1 年，全国煤矿事故造成5 6 7 0 人死亡，其中瓦斯事故造成2 4 3 6 人死亡，占总死亡人数的4 3 。2 0 0 2 年，在一次死亡3 人以上和l o 人以上的重、特 大事故中，瓦斯事故造成的死亡人数所占比重最大。每年在1 0 人以上重、特大死亡事 故中，瓦斯事故死亡人数占总死亡人数的比重基本在8 0 以上。 2 0 0 5 年2 月1 4 日辽宁阜新孙家湾煤矿发生特大瓦斯爆炸事故。2 1 4 人遇难。国内 外对此都表示极大的关注，煤炭行业的社会形象也因此受到很大影响。 2 0 0 5 年l o 月1 日到2 0 0 5 年1 1 月2 1 日。全国共发生瓦斯爆炸事故9 起，死亡人数 1 9 9 人，平均每起瓦斯爆炸事故死亡2 0 多人。 2 0 0 6 年全国发生一次死亡1 0 人以上特大事故9 6 起，死亡1 5 7 7 人，其中煤矿企业 发生事故3 9 起，死亡7 4 4 人，而煤矿企业发生的事故大多是瓦斯爆炸事故。 2 0 0 7 年1 2 月份，全国共发生由瓦斯原因造成的煤矿重特大事故1 9 起，死亡1 3 5 人。2 0 0 7 年3 月1 日到3 月1 8 日，煤矿企业共发生重特大事故5 起，死亡9 7 人。 由于我国煤矿的瓦斯灾害如此严重，在采煤之前先抽采出瓦斯，有利于从根本上防 止煤矿瓦斯事故，改善煤矿的安全生产条件。瓦斯既是一种温室气体，又是一种优质能 源。我国是世界上煤层瓦斯资源储量巨大的国家之一。瓦斯资源，约占世界的1 3 1 2 1 ， 极具开采利用价值。开发利用瓦斯对缓解我国能源供应紧张状况，意义重大例。 1 1 2 课题研究的意义 煤层开采后将引起上覆岩层的移动与破断，从而在覆岩中形成采动裂隙。大量现场 经验和实验室研究表明，煤层开采后，上覆岩层所形成的裂隙空问分布特征是层面离层 裂隙和穿层破断裂隙相互贯通后，会形成一个类似帽状的采动裂隙带，将其在空间上的 形状称为椭圆抛物带，简称椭抛带( e p z ) 【】。本文作者把随着工作面的推进，在上覆 西安科技大学硕士学位论文 岩层中形成的一个动态的三维裂隙存在的空间叫裂隙场。认为这是瓦斯抽采的重点区 域，而在现场抽采采动裂隙场瓦斯的过程中发现，瓦斯流动状况及分布规律可以影响煤 岩体骨架的变形及破坏，煤岩体骨架的变形也对瓦斯状态产生影响，二者是相互作用、 相互影响的，即在采动裂隙场中煤岩体变形与瓦斯运移之间存在着复杂的固气耦合作 用。 因此煤岩体裂隙动态时空演化及分布规律、采动过程中煤层瓦斯解吸及渗流规律、 采动裂隙场煤岩瓦斯流耦合作用规律是预测采动影响条件下的瓦斯流动和高效抽采瓦 斯的理论基础。通过固气耦合理论来研究采动裂隙场煤岩瓦斯耦合模型，为合理的布置 瓦斯开采系统，探索适合在裂隙场抽取利用瓦斯技术、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，具有重要实际应用意义。 1 2 国内外瓦斯抽采现状和发展趋势 1 2 1 国内外瓦斯抽采理论研究现状 到目前为止，在国内外指导煤矿瓦斯防治和抽采瓦斯机理的数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、多相煤 岩瓦斯耦合规律、煤层卸压瓦斯越流理论和采动裂隙带瓦斯运移规律等方面的研究。 煤层瓦斯渗流规律的研究 ( 1 ) 基于达西定律的线性瓦斯渗流规律 1 9 6 5 年，周世宁院士从在我国首次提出了基于达西定律( d a r c y sl a w ) 的线性瓦斯流 动理论 s l ，奠定了我国瓦斯研究的理论基础。并于1 9 8 4 年，创建了“钻孔流量法”煤层透 气系数测定的新技术，郭勇义( 1 9 8 4 年) 提出修正的瓦斯流动方程。1 9 8 6 年，谭学术 提出了修正的矿井煤层真实瓦斯渗流方程 6 1 。 近年来，以孙广忠教授为首的学科组提出“煤一瓦斯介质力学”的观点，并对煤一瓦 斯介质的变形、渗透率、强度等力学特性进行了系统研究i ”。以郑哲敏院士为首的学科 组指出煤与瓦斯的突出机理缘于煤的破碎起动与瓦斯渗流的耦合嗍。王宏图等人研究了 地电场对煤中瓦斯渗流特性的影响【9 。 ( 2 ) 非线性瓦斯渗流规律 著名的流体力学家e m a l l e n 在将达西定律用于描述均匀固体物( 煤样) 中涌出 瓦斯的试验中得出结果与实测不符【l ”，证明了瓦斯在煤岩体中的渗流存在非线性关系。 柏发松通过数值模拟，准确反映了煤层瓦斯渗流的基本规律【1 2 】孙超等人建立了注水 驱替瓦斯的基本理论和处理方法【1 3 】。张东明等人对采空区瓦斯流动规律进行了研究 1 1 4 1 。王晓亮等用计算机方法优化了各种流动理论中的工程参数n 5 】 基于菲克定律的煤层瓦斯扩散理论研究 2 1 绪论 众所周知，瓦斯在煤体中以游离与吸附两种状态赋存，菲克定律( f i c k sl a w ) 认为， 瓦斯由吸附状态向游离状态转化的过程符合线性扩散定律。这样就把扩散流体的速度与 其浓度梯度线性地联系起来。在国外，l n g e r m a n o v i c h 在1 9 8 3 年从扩散理论角度研 究了煤层中吸附瓦斯的解吸过程【1 6 j 。 在国内，1 9 8 1 年，王佑安与朴春杰提出了确定煤层瓦斯含量的煤解吸瓦斯速度法i ”】， 并于1 9 8 2 年指出用煤的解吸指标作为煤层瓦斯突出危险性的判据【l s l 。1 9 8 6 年，杨其銮 与王佑安等基于煤体中的吸附瓦斯向游离瓦斯转化过程的研究1 1 9 2 e l ，提出了煤屑瓦斯扩 散理论。并于1 9 8 8 年，提出瓦斯球向流动的数学模型聂百胜，何学秋等人根据气体 在多孔介质中的扩散模式。2 j ，结合煤结构的实际特点，研究了瓦斯气体在煤孔隙中的 扩散机理和扩散模式。吴世跃、郭勇义( 1 9 9 7 1 9 9 8 年) 研究了煤粒瓦斯扩散规律及扩 散系数测定方法划。 煤层瓦斯渗流扩散理论的研究 流动是渗流和扩散两种运动的混合，即煤层瓦斯渗流扩散理论。在1 9 8 7 年， a s a g h f i ( 法国) 和l u w i l l i a m ( 澳大利亚) 发表的“煤层瓦斯流动的计算机模拟及其在 预测瓦斯涌出和抽放瓦斯中的应用”瞄l 一文指出，煤层中瓦斯的流动状况决定于其内瓦 斯的渗透率和介质的扩散性，并从渗流、扩散力学角度出发，据d a r e y 、f i c k 定律，耦 合成瓦斯渗流扩散的流动方程，结合边值条件，提出了瓦斯渗流扩散的动力模型，然 后以变透气系数为基础，成功地进行了数值模拟。 国内的孙培德( 1 9 8 6 年) 指出煤层内瓦斯流动实质是非均质的各向异性孔隙裂隙 双重介质中的可压缩流体渗流扩散的非稳定的混合流动1 2 6 。段三明、聂百胜借助传热 学、传质学，以扩散、渗流理论为基础，对瓦斯的解吸过程进行了理论推导，建立瓦斯 扩散渗流方程并进行了计算机模拟 2 7 1 。吴世跃、郭勇义依据第三类边界传质的原理， 建立扩散渗流的微分方程组，并讨论了反映瓦斯扩散渗流特征参数的测试原理1 “2 9 。周 世宁院士和林柏泉教授( 1 9 9 9 年) 合著的煤层瓦斯赋存与流动理论基于以前研究成 果 3 0 1 ，系统的阐述了煤层瓦斯渗流扩散理论，中国科学技术大学的孔祥言在其著作高 等渗流力学一书中也对煤层瓦斯渗流扩散理论进行了总结和发展1 3 l j 。唐巨鹏等人用 实验的方法研究了固气耦合作用下瓦斯解吸一渗流特性【3 2 】。赵阳升等人研究了块裂介质 岩体变形与气体渗流的耦合数学模型及其数值解法 3 3 1 。徐涛等研究了煤岩破裂过程中固 气耦合情况【3 4 l 。 多物理场煤岩瓦斯耦合规律的研究 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地应 力场、地电磁场、温度场等对瓦斯渗流场的影响。在国外，w h s o m e r t o n ( 1 9 7 5 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嗍，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。s h a r p a l a a i ( 1 9 8 4 年) 还深 西安科技大学硕士学位论文 入研究了受载条件下含瓦斯煤样的渗透特征f 1 6 1 ，e n e v e r 等( 1 9 9 7 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。 在国内，从2 0 世纪8 0 年代以来，周世宁院士、鲜学福院士、林柏泉教授、赵阳升， 靳钟铭、胡耀青等人在这方面做了大量的工作，这些研究工作为我国深入研究考虑地应 力场、地电磁场、温度场等多场耦合作用的瓦斯流动理论提供了基本依据【3 。“】。 1 9 9 4 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。此后， 研究了块裂介质岩体变形与气体耦合的数学模型及其数值解法 4 2 “。章梦涛、梁冰从 1 9 9 5 年以后，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固流耦合失稳理论，进一步发展了瓦斯突出的固气耦合数学模 型h 4 4 7 1 。丁继辉、赵国景等人建立了煤与瓦斯突出的固流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 4 8 4 9 。 李树刚教授( 1 9 9 8 年) 经过大量工作研究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 5 0 q 。鲜学福院士、王宏图等人通过研究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【5 2 5 4 。曹树刚教授、鲜 学福院士提出原煤吸附瓦斯贡献系数，建立了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。近年来，梁冰、刘建军 等通过研究建立了考虑温度场、应力场和渗流场的固气耦合数学模型，并对不同温度下 煤岩应力和瓦斯压力的分布规律进行了数值模拟计算垆卜5 6 1 。 多相煤岩瓦斯耦合规律的研究 近年来，由于多相渗流耦合问题本身的复杂性，国内外对它的研究比较少。赵阳升、 胡耀青等人研究了气液二相流体在裂缝渗流的模拟实验，揭示了二相流体在裂缝渗流 中，水( 气) 相对饱和度对水( 气) 相对渗透性影响的规律m 。2 0 0 1 年，孙可明、梁冰、 王锦山基于气溶于水的条件下嗍，建立了煤层气开采过程中的煤岩骨架变形场和渗流场 以及物性参数间耦合作用的多相流体流固耦合渗流模型。之后又建立了考虑解吸、扩散 过程的煤岩体变形场与气、水两相流渗流场的多相流固耦合模型并进行了数值模拟，通 过与试井资料的实际数据对比，表明流固耦合模型比较接近实际。刘建军利用流体力学、 岩石力学和传热学理论例，给出了考虑温度场、渗流场和变形场作用下的煤层气水两 相流体渗流理论，并通过数值模拟的方法，研究了温度效应对煤层气开发的影响。骆祖 江、陈艺南等2 0 0 1 年系统地论述了水，气二相渗流耦合模型的全隐式联立求解的方法 与原理【蛐】，并将该法应用于沁水盆地3 。煤层气井气、水产量的预测中，收到了良好的效 果。林良俊、马风山建立了气、水二相流和煤岩变形的微分方程1 6 l l ，用有限元分别将它 4 l 绪论 们进行离散化对煤岩变形模型和气水二相流耦合模型及数值解法进行了讨论。孙可明 研究了注气流固耦合理论 6 2 1 。 煤层卸压瓦斯越流理论的研究 煤层开采后，围岩与开采层的采空区之间形成一个瓦斯压力梯度场，使得邻近层的 卸压瓦斯向开采层的采空区越流。 在国内，粱冰、章梦涛提出将瓦斯流动看作可变形固体骨架中可压缩流体的流动1 6 9 1 ， 得到了采动影响下煤岩层瓦斯流动的耦合数学模型。孙培德( 1 9 9 8 年) 基于煤岩介质变 形与煤层气越流之间存在着相互作用 6 4 1 ，提出了双煤层气越流的固气耦合的数学模型， 并通过实测和数值模拟验证了该理论是符合实际生产的。梁运培运用达西定律、理想气 体状态方程以及连续性方程等 6 5 1 ，建立和求解了邻近层卸压瓦斯越流的动力学模型，分 析了邻近层卸压瓦斯的越流规律，并在阳泉一矿采用岩石水平长钻孔进行了邻近层瓦斯 的抽放工作嘲。杨清岭等人认为多煤层系统瓦斯越流理论瓦斯和煤体的耦合1 6 1 。孙培 德等应用三维数值场计算机模拟技术，为地下煤层气越流场中邻近层煤层气涌出的预测 和控制提供了可行的新方法 6 s l 。 对于多煤层系统瓦斯越流的固气耦合理论的研究以及应用，但由问题的复杂性，国 内外学者均未从瓦斯越流的角度抽象出其普遍规律并建立相应固气耦合理论。 采动裂隙带瓦斯运移规律的研究 在煤层开采过程中，因采动卸压作用，处于卸压范围内的围岩，将通过采动裂隙网 络与开采层的采空区相连通，于是就形成了采动裂隙带，这是煤矿瓦斯抽放的重点区域。 近年来，一大批有志于煤矿安全生产的专家教授致力于其中的瓦斯运移规律，进而布置 合理的煤层气开采系统，为煤与瓦斯安全共采的理论研究和实践方法提供了借鉴基础。 ( 1 ) 瓦斯动力弥散规律的研究 章梦涛教授等人所著的煤岩流体力学对瓦斯在采空区的动力弥散方程进行了推 导，介绍了流体动力弥散方程在一些特殊情况下的解析解【】。蒋曙光、张人伟将瓦斯 空气混合气体在采空区中的流动视为在多孔介质中的渗流，对气体流动模型进行了数值 解算嘲。李宗翔、孙广义等人将采空区冒落区看作是非均质变渗透系数的耦合流场，用 k o z e r y 理论描述了采空区渗透性系数与岩石冒落碎胀系数的关系，用有限元数值模拟方 法求解了采空区风流移动1 7 0 l ，结合图形技术和具体算例，求解了综放工作面采空区三维 流场瓦斯涌出扩散方程。 ( 2 ) 瓦斯升浮扩散规律的研究 钱鸣高院士、许家林提出煤层采动后上覆岩层采动裂隙呈两阶段发展规律并形成 o ”形圈分布特征【7 卜7 4 l ，之后，在此特征的基础上刘泽功、叶建设探讨了采空区顶板瓦 斯抽放巷道的布置原则，并应用流场理论分析了实施顶板抽放瓦斯技术前后采空区等处 瓦斯流场的分布特征【。7 5 e l 。李树刚教授阐述了卸压瓦斯在椭抛带中的升浮扩散运移理 5 西安科技失擘硕士学位论丈 论【2 4 1 。 尽管目前煤岩瓦斯渗流理论发展较为迅速，但还没有涉及到破裂煤岩体内瓦斯渗流 与运移规律以及煤矿瓦斯治理和开采的本质。对于受采动、裂隙等影响的煤岩体，其渗 流骨架的固体力学描述还没有完备，而煤矿瓦斯治理或开采机理分析应以裂隙场煤岩体 的本构关系、裂隙演化规律以及采动煤岩体中的裂隙分布与演化规律为基础的煤岩瓦斯 耦合为研究重点，这正是本文的主要研究内容。 1 2 2 国内外瓦斯抽采技术现状 我国最早记载瓦斯抽放是在宋应星的 天工开物中，记载了用竹竿引排瓦斯的例 子。抚顺龙风矿在1 9 3 8 年进行了具有工业规模的机械试验来抽放瓦斯。随后我国的煤 矿瓦斯抽采工作有了迅速的发展。但到目前为止，我国大多数矿井的瓦斯抽采量较少， 抽采效果不理想。国外，英国早在1 7 3 0 年就有人用竹竿将井下瓦斯抽出，后来原苏联、 德国等国家也有瓦斯抽采的例子。从2 0 世纪4 0 年代末至5 0 年代初开始世界各国才开 始正规瓦斯抽采工作，后来，抽采方法不断改进，抽采技术不断发展，抽采规模不断扩 大。 瓦斯抽采工作经过长时间的发展，形成了不同的抽采方法，根据瓦斯抽采工艺主要 可分为：1 钻孔抽采2 巷道抽采3 钻孔抽采和巷道抽采混合抽采工艺。根据抽采中瓦斯 来源可分为：1 本煤层瓦斯抽采2 临近层瓦斯抽采3 采空区瓦斯抽采4 围岩瓦斯抽采 等。 1 3 目前瓦斯抽采理论存在的问题及发展方向 综上所述，尽管当前瓦斯在煤岩体中的运移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场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。但由于瓦斯在裂隙场煤岩 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，且大部分的研究是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。不论是高地应力软煤层，还是煤岩层破坏后或煤岩体在应力峰后裂 隙场的流体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吲。 因此，今后煤矿瓦斯治理和抽放理论的发展方向应着眼于裂隙场中煤岩体的渗流本构关 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。 对于采动裂隙场的瓦斯运移规律，目前只局限于瓦斯的升浮扩散、瓦斯动力弥散 等方面的研究，而并未考虑瓦斯压力对于煤岩体骨架的影响，以及煤岩体变形对于瓦斯 压力和瓦斯浓度分布规律影响方面的研究，大量现场实践证明，采动裂隙场中瓦斯的运 6 l 绪论 移规律是相当复杂的，既有瓦斯弥散、瓦斯升浮、瓦斯扩散，也包括瓦斯越流及与煤岩 体骨架相互作用的影响，考虑这些因素共同作用下的瓦斯运移规律是今后瓦斯抽放理论 的研究重点，也是实现煤与瓦斯安全共采的理论基础。 1 4 研究内容和技术路线 1 4 1 研究内容 煤矿瓦斯防治与抽放理论的研究是一个多学科的交叉领域，涉及到采动岩体力学、 损伤力学、多孔介质流体动力学、弹性力学、渗流力学、传质学等学科，作为一种探索， 本文在现有的研究水平和条件基础上，综合前人的研究成果，对采动后覆岩的裂隙分布 特征、瓦斯在其中的运移规律和采动影响下煤岩瓦斯裂隙场耦合模型进行探索性研究， 主要工作如下： 分析采动影响下煤岩体的破坏特征和其中渗流气体的特点，说明采动裂隙场具有 渗流力学中所描述的多孔介质性质。 建立采动裂隙煤岩体的本构方程、控制方程，推导出采动影响裂隙场条件下煤岩 与瓦斯固气耦合模型。 通过现场观测、运用观测数据，进行数值模拟，得出煤岩瓦斯裂隙场耦合模型在 实际工程中的应用价值。 1 4 2 技术路线 根据上述分析，本文选定的研究技术路线如图l l 所示。 7 西安科技大学硕士学位论文 图l 1 论文技术路线图 8 2 采动影响下的裂隙场基本情况及特征 2 采动影响下的裂隙场基本情况及特征 2 1 采动条件下裂隙场的基本情况 目前，国内外对裂隙场还没有一个明确的定义，裂隙场不同于电场、磁场等，本文 作者认为裂隙场是裂隙活动的范围，指随着工作面的推进，在上覆岩层中形成的一个动 态的三维裂隙存在的空间。而电场等指物质存在的一种基本形态，具有能量、动量和质 量，实物之间的相互作用依靠有关的场实现。 2 1 1 采动裂隙场的成因 煤层开采后将会引起上覆岩层的移动和破断，从而在覆岩中形成采动裂隙。钱鸣高 院士认为上覆岩是一系列岩层的有序组合，而层状组合中有一层或几层较为坚硬的厚岩 层对控制整个上覆岩体的变形与破坏起主要的作用，这种坚硬的岩层称为关键层( k 盯 s t r a t u m ) ，且多数上覆岩层中的关键层不止一层。当某一关键层破断时，其与上部全部 岩层的下沉变形相互协调一致的，称其为主关键层；而把与局部岩层下沉变形一致的， 则称为亚关键层。煤层开采后，上覆岩层在关键层未破断失稳前，将以w h e e l e r 弹性地 基结构形式产生挠曲下沉变形，此时，关键层下部将产生不协调的连续变形离层。主关 键层与亚关键层之间，亚关键层与亚关键层之闻变形的不协调将形成岩层移动中的离层 和各种裂隙分布。随工作面的推进，具有依次向上发展分层运动的破断与离层特征的上 覆岩层，会形成覆岩采动裂隙场。 2 1 2 采动裂隙场空隙组成特征 由于受采动的影响，在采动裂场中存在大量的裂隙，裂隙系统是由煤岩体的层理、 节理和裂隙组成。根据形成原因的不同，可分为两种不同的裂隙：第一种是煤岩体在原 始地质作用下所形成的原生裂隙。第二种是由于煤岩层受采掘活动的影响而形成的再 生裂隙。 ( 1 ) 原生裂隙的特点 原生裂隙的分布一般只是与煤岩层在原始地质作用下形成时的煤岩性质、原始应力 状况等因素有关，其空隙通道的平均尺寸和渗透性能相对于采动形成的再生裂隙来说要 小得多。 ( 2 ) 再生裂隙的特点 再生裂隙的分布具有很大的随机性，一般情况下再生裂隙与工作面的采高、冒落岩 块的大小和排列状况、本层和邻近煤岩层岩性以及二次应力分布状况等因素有关，并且 9 西安科技大学硕士学位论文 其裂隙通道的平均尺寸和渗透能力都很大。它是采动裂隙场中瓦斯气体( 或瓦斯一空气 混合气体) 流动的主要通道。 2 1 3 采动裂隙场的分布特点 随着工作面的推进，煤岩体裂隙自下而上逐步发展，对应于不同的工作面推进距离 形成不同的裂隙网络分布。当工作面推进一定距离时，在采动应力作用下首先在强度较 低的层面开裂，左右两侧的裂隙以层间开裂为中段，分别向采空区内侧和外侧扩展，形 成“s ”形断裂对，随着工作面的进一步推进，原有的采动煤岩体裂隙网络发生了变化， 即扩展、闭合和张开，又叠加新的采动裂隙，从而使采动煤岩体裂隙分布更趋复杂，当 采掘工作结束且岩移基本稳定后，采空区中部离层基本闭合。 2 2 采动条件下裂隙场煤岩破坏特征 煤层开采以后，当采动裂隙场形成时，其中的煤岩层将产生较大的弯曲、变形和破 坏，不仅产生顺层理面的离层裂隙，而且还由于拉应力的作用，产生大量的垂直或斜交 于层理面的裂缝或断裂。裂隙场煤岩与未开采的煤岩相比，有着自生的特征，表现在： 煤岩体张开度变大。这是由于裂隙面上应力的大小影响煤岩体的张开度。当裂隙面上 的等效有效应力为压应力时，随着有效应力的增加，煤岩体裂隙的张开度减小，当裂隙面上 等效有效应力为拉应力时，随着有效应力的增加，煤岩体裂隙的张开度将增大。裂隙场 煤岩体的渗流透气性变大，渗流特性变大。煤与瓦斯耦合特点也十分明显。裂隙场中 裂隙杂乱无章，在平面中呈网状结构，不能用一个简单的方程来描述。 2 3 采动裂隙场的多孔介质性质 目前，对多孔介质下一个确切的定义是比较困难的，渗流力学认为多孔介质应具有 以下几个特点 7 8 1 ：多相性，多孔介质中存在多相，至少有一相不是固相，其中固相部 分称为固体骨架，固体部分以外称为裂隙空间；在多孔介质所占据的范围内，固体骨 架遍及整个多孔介质，固体骨架具有很大的比面积，裂隙空间的空隙比较狭窄；构成 裂隙空问的大部分孔隙互相连通，即从介质的一侧到另一侧至少有若干连续的通道。本 文作者认为，对于煤矿井下综放采场上覆岩层所形成的采动裂隙场，可以看作为多孔介 质，因为： 将采动裂隙场视为一个研究整体，它是由气体( 瓦斯或瓦斯、空气混合气体) 、 煤岩固体岩块以及裂隙组成，具有多相性； 裂隙场中破坏的煤岩块之间的裂隙相对于整个裂隙场范围比较狭窄； 裂隙场各煤岩层或煤岩块之间的裂隙显然也是连通的。 因此，可认采动裂隙场具有渗流力学中所描述的多孔介质的性质，为裂隙场煤岩瓦 l o 2 采动影响下的裂隙场基本情况及特征 斯耦合模型的研究提供了强大的理论基础。 2 4 采动裂隙场中气体的特征 2 4 1 采动裂隙场中气体的来源 采动裂隙场的瓦斯来源与含瓦斯煤岩层 赋存状况及开采技术条件有关，主要来自开采 层和邻近层( 含围岩) ，其瓦斯涌出源分布如图 2 - l 所示，具体来说可由下面四个方面组成： ( 1 ) 开采层煤壁瓦斯涌出 开采层煤壁瓦斯涌出由两部分组成，一是 回采工作面由于煤壁的不断暴露而涌出的瓦 斯q ；二是在矿山压力作用下，综放支架上 前方的顶煤的应力平衡状态遭到破坏，出现透 气性大大增加的卸压带。由于煤体内部到煤壁 间存在着瓦斯压力梯度，瓦斯沿卸压带的裂隙 图2 - l 裂隙场瓦斯涌出源示意图 从顶煤壁涌入，表现为沿流场边界的持续稳定涌出吼。 ( 2 ) 采放落煤的瓦斯涌出 采放落煤的瓦斯涌出是由以下两部分构成：一是采落煤炭的瓦斯涌出q 3 ；二是放冒 顶煤时，当煤层由整体冒落为松散体时，内部的瓦斯在短时间内的释放，表现为流边界 放煤处的瓦斯瞬间涌出g i 。 ( 3 ) 采空区遗煤的瓦斯涌出 采空区遗煤的瓦斯涌出主要是残留在采空区的放落煤炭继续释放的瓦斯吼，其主要 由煤层的采出率所控制并随时间的推移逐渐减少。 ( 4 ) 邻近煤岩层的瓦斯涌出 若综采面有上下邻近煤层或工作面的围岩也含有瓦斯时，则应考虑邻近煤层以及 围岩瓦斯涌出吼。 由图2 - l 可见吼、如和吼首先直接涌入综采面风流中，接着随工作面漏风进入采空 区，然后与q ：、吼和q 6 一起进入裂隙场，再进入工作面风流，表现为采空区瓦斯涌出。 综采面各瓦斯涌出源的瓦斯涌出量大小除主要取决于煤层瓦斯含量外，还与开采强 度密切相关。在煤层瓦斯含量为定值的情况下，吼、g ：、g ，和q 。的大小与工作面采、 放煤量成正比；q 。除与产量有关外，还与回采面回收率密切相关，回收率越小，则吼越 大。瓦斯源吼除取决于开采强度外，还与邻近层厚度、邻近层至开采层距离、层间岩石 性质、邻近层瓦斯原始压力以及煤层透气性系数等因素密切相关。 西安科技大擘硕士学位论丈 2 4 2 采动裂隙场中气体的基本特征 ( 1 ) 裂隙场中的气体遵守质量守恒定律 由质量守恒定律知，在址时间内，多孔介质的流动场中，任一控制体单元中流体质 量的变化是流入该体积的质量和流出该体积的质量差加上该控制体单元本身吸收或产 生的质量，即 d i v ( m ) 4 - 盟掣：m ( 2 1 ) o t 式中：p 锍体密度，k g m 3 g 比流量矢量，m 3 ( m 2 d ) 疗孑1 隙率， & - 饱和度， 肘该体积内单位时间流体质量的变化量，k g ( m 2 d ) 。 如果多孔介质内孔隙空间中流体是饱和的，那么2l ，如果该控制体单元没有吸 收和产生气体，那么，m = 0 ，则有： d i v ( m ) + 掣：0 ( 2 2 ) 讲 因为所假设的控制体单元尺寸很小，所以，其中气体密度p 随时间的变化在一般情 况下都远大于它随空间的变化，即有； q g r a d p 一警 ( 2 3 ) 则式( 2 2 ) 可以近视表示为： 砌+ 一警= o 设气体是不可压缩的，则害= o ， ( 2 4 ) 即d v q = 0 ，就是说流入和流出控制体单元内的 气体的质量不随时间而变化。 裂隙场中煤岩体是多孔介质，气体的流动属于气体在多孔介质中运动，气体可以压 缩，而裂隙场中的煤岩体对气体还具有吸附作用，所以符合( 2 4 ) 式的情况。 裂隙场中的气体流动和变化主要是在裂隙系统中进行的。因为应力对孔隙结构的骨 架影响不大，变形量很小，但对裂隙的闭合或开张具有很大的作用。这为覆岩来压时瓦 1 2 2 采动影响下的裂隙场基本情况及特征 斯涌出量增多提供了充足的理论基础。 ( 2 ) 裂隙场中的气体可视为理想气体 采动裂隙场中的气体是由瓦斯、空气组成的混合气体。在混合气体中，各种成分的 气体分子相互混杂，作无规则、永不停息的热运动。分析气体的问题时。气体分子之间 的相互作用力和体积因素的影响很小，因此，一般假设气体分子不具备体积，分子之间 无作用力，即假设是由各种气体混合起来的理想混合气体。 对于理想混合气体，其状态方程为 p v ：一mf o r ( 2 5 ) 埘 式中：p 匏对压力，p a ； 矿昆合气体体积，m 3 ； m j 昆合气体，k g , 膨昆合气体摩尔质量，k g m o h 民气体常数，岛= 8 3 i j ( m o l k ) ； 丁绝对温度，k 。 裂隙场中瓦斯浓度c 。：混合气体中瓦斯所占体积( 圪，m 3 ) 与混合气体总体积( v ， m 3 ) 的百分比，即 4 铲等1 0 0 ( 2 6 ) 裂隙场中瓦斯的密度成：单位体积混合气体中瓦斯的质量( m 。，k g ) ，即 p 一 (27)c m l c p m c v r t 式中： t 瓦斯摩尔质量，k g m o l ； 气体的压缩系数夕：当气体所承受的法向压力或法向张力发生变化时其体积变化 的量度。在等温条件下，气体的压缩系数定义为 ：一上掣；上竺，r ：常数 ( 2 8 ) v 印pd p 气体的弹性模量e ：是压缩系数的倒数，代表单位体积相对变化所需要的压力增 量，即 e = 万1 = p 考，卜常数 ( 2 9 ) 总之，采动裂隙场中的气体是瓦斯- 空气的混合气体，可将其视为理想气体，具有 理想混合气体的性质。为建立采动裂隙场煤岩瓦斯耦合模型提供了良好的假设条件。 西安科技大学硕士学位论文 2 5 本章小结 本章主要论述了采动裂隙场的基本情况及其特点，主要包括： ( 1 ) 煤层开采后，随工作面的推进，具有依次向上发展分层运动的破断与离层特 征的上覆岩层，会形成覆岩采动裂隙场。 ( 2 ) 随着工作面的推进，煤岩体裂隙自下而上逐步发展，当工作面推进一定距离时， 在采动应力作用下首先在强度较低的层面开裂，随着工作面的进一步推进，在原有的采 动煤岩体裂隙网络发生了变化，使采动煤岩体裂隙分布更复杂，当采掘工作结束且岩移 基本稳定后，采空区中部离层基本闭合。 ( 3 ) 裂隙场中煤岩特征为：煤岩体张开度变大。裂隙场煤岩体的渗流透气性 交大，渗流特性变大。煤与瓦斯耦合特点也十分明显。裂隙场中裂隙杂乱无章。 ( 4 ) 裂隙场中瓦斯主要涌出源有：开采层煤壁瓦斯涌出；采放落煤的瓦斯涌 出；采空区遗煤的瓦斯涌出；邻近煤岩层的瓦斯涌出。而且瓦斯遵守质量守恒定律 和理想气体状态方程。 ( 5 ) 裂隙场特征：裂隙场是由气体( 瓦斯或瓦斯、空气混合气体) 、煤岩固体岩 块以及裂隙组成一个系统；裂隙场中破坏的煤岩块之问的裂隙相对于整个裂隙场范围 比较狭窄；各煤岩层或煤岩块之间的裂隙也是连通的。因此，采动裂隙场具有渗流力 学中所描述的多孔介质的性质，为裂隙场煤岩瓦斯耦合模型的研究提供了强大的理论基 础。 1 4 3 采动裂隙场条件下煤岩瓦斯耦合模型研究 3 采动裂隙场条件下煤岩瓦斯耦合模型研究 3 。1 采动裂隙场煤岩体的损伤变量 采动裂隙场中的煤岩体是裂隙岩体，煤岩体含有众多裂隙，针对煤岩体存在的这种 缺陷，通过引入适当的损伤变量，建立相应的损伤变量演化方程，并用几何或其他方法 结合到本构方程中去，以反映损伤所产生的宏观力学效果。如果把裂隙看作是赋存于煤 岩体中的一种损伤，并将裂隙随煤岩体应力状态与应力水平变化的过程，看作损伤不可 逆演化过程，根据损伤力学原理，可以描述裂隙对煤岩体产生的力学效果。目前，定义 损伤变量有两种形式，一是按损伤面积定义损伤变量，用该定义法的优点在于简单直观， 不足在于不能计入节理裂隙间的相互影响和裂纹尖端部位应力的奇异性，特别是当节理 裂隙密度较大时，损伤变量可能大于l 的现象。二是按按照变形模量的变化定义损伤变 量，该定义的优点是除了能弥补第一种定义的不足之外，还便于考虑节理裂隙随煤岩体 应力状态和应力水平变化的动态过程。本论文采用按照变形模量的变化定义损伤变量的 方法来定义裂隙煤岩体的损伤变量。 设煤岩体损伤的力学效果可以用损伤煤岩体的变形模量降低来表示，如1 e m a i t r e 7 9 1 和c h a b o c h e s o l 从损伤材料的应力应变特点引入损伤变量，将有效应力张量理解为是 使非损伤体单元获得与损伤体单元在盯作用下一样的应变张量( 图3 1 ) ，非损伤材料和 损伤材料的线弹性本构方程可以分别表示为： 口= d ：以，盯= 口 8 e ( 3 1 ) 按照上述定义，有效应力张量为： 口= d ：t = d ：2 - 1 ：盯 ( 3 2 ) 按k a c h a n o v 和r a b o t n o v 初始损伤的推广形式，引入一个四阶张量膨 材：d ：f 1( 3 3 ) 按照有效应力表示为 占= ( i - q ) 一1 ：仃 ( 3 4 ) 式中：q 对称四阶损伤变量，通过非损伤状态和当前损伤状态的弹性表示为 q ：，一2 ：d 一1( 3 5 ) 西安科技大学硕士学位论文 t t t t t t 。 8 i ，j i