毕业论文答辩

辩论人：赵吉园指导老师：刘伟韬山东科技大学2023年度学士论文辩论CONTENTS124绪论底板突水机理及影响因素深部承压水上开采平安性评价安居煤矿深部承压水上开采多物理场模拟研究与平安性评价5结论与展望3多物理场耦合数值模拟研究1绪论1.1研究背景及研究意义随着我国浅部煤炭资源的日益枯竭和不断增长的煤炭需求，开采埋藏更深的煤炭资源已经成为了必然的趋势。深部煤炭资源开采诱导的高承压水突出问题是我国煤矿平安生产的重大隐患和技术难题。研究背景1.1研究背景及研究意义深部承压水上开采与浅部的区别在于“三高〞〔高应力、高地温和高水压〕环境，深部岩体“高地应力、高承压水压及高地温〞在采矿扰动作用下的特殊地质力学环境，是导致深部开采中突水事故出现多发性和突发性的根本原因所在，岩体破坏前后的力学演化过程中的应力-渗流-地温耦合机制成为亟待解决的关键技术难题。研究意义1.2主要研究内容技术路线技术路线2底板突水机理及影响因素底板突水机理及影响因素高地应力：当煤层被采出后，采空区直接顶在重力作用下，产生向下的移动和弯曲、断裂直至垮落，而老项那么以岩梁的形式运动，产生离层，进而断裂。由于覆岩运动，引起工作面围岩应力重新分布，煤壁前方应力集中，对底板岩体产生加载破坏。高承压水：承压水随开采深度的增加而增大，使原生节理、裂隙发育增加，萌生裂隙也随之增多。随着裂隙的萌生、相互贯穿，隔水层的渗透性增强，承压水在孔隙中的流动性也增强，进而使含水层的富水性增强，底板的侵蚀破坏范围增大。高地温：高地温的影响表现在，一方面当岩体内温度场发生变化时影响岩体的物理力学性质，导致岩石的弹性模量和强度出现一定程度变化，同时温度的变化会产生热应力，从而引起岩体原有应力场的变化。另一方面岩体在应力场的作用下，会出现岩体裂隙的萌生、扩展演化，当裂隙内部不存在水流时，裂隙的变化将会对热传导造成一定的阻滞，宏观上影响到整体的热传导系数，从而导致温度场的变化。因此，岩体之间的温度场与应力场相互影响不断耦合，最终到达一种动态平衡状态。3多物理场耦合数值模拟研究3.1数值模拟模型的建立运用多物理场全耦合数值模拟软件COMSOLMultiphysics建立模型。

几何模型选用二维模型，根据3上煤层实际顶底板情况，将煤层倾角设为水平；工作面岩煤层走向开采，推进方向设为X轴，长为253m；重力方向设为Y轴，从上到下划分为8层：上覆岩层3层，自上而下依次为砂岩45m、泥岩30m、砂岩15m；煤层3m；煤层下部4层岩层，自上而下依次为泥岩4.2m、砂岩50.3m、泥岩35m、含水灰岩5.7m。几何模型3.1数值模拟模型的建立建立和定义好几何模型和各岩层物理参数后，就要对模型进行网络化分。为了减少计算量但又保证一定的精确度，网格的单元尺寸选用标准级别。网络划分序号岩层性质密度（kg/m3）体积模量（GPa）剪切模量（GPa）渗透率（m2）孔隙率1砂岩26609.8968.0511e-140.052泥岩24808.7304.2642e-140.123砂岩26609.8968.0511e-140.054煤14005.4551.2956e-140.205泥岩24808.7304.2642e-140.126砂岩26609.8968.0511e-140.057泥岩24808.7304.2642e-140.128含水灰岩262010.4175.9521e-130.253.1数值模拟模型的建立总体研究步骤高地应力作用下煤层底板数值模拟研究应力-渗流耦合下煤层底板数值模拟研究应力-渗流-温度耦合下煤层底板数值模拟研究3.2高地应力作用下煤层底板数值模拟研究研究步骤123第一步推进25m，以后每步推进10m，推进14步，共推进155m工作面推进方案研究方案采用稳态研究，并对不同进尺进行参数化扫描，以便于得出不同开挖进尺情况下底板受力破坏情况。研究方案模型顶端受到上覆887m的岩层的重力和自重，上覆岩层的重力用边界载荷代替，约22MPa，模型自重在软件中开启重力效应和定义体载荷即可定义。模型下段固定，左右两侧边界采用辊支撑。边界条件设定3.2高地应力作用下煤层底板数值模拟研究由图可知，开挖前，随着深度的增加，竖直方向应力逐渐增大，最大应力发生在模型最底部。这是由于模型上部受到上覆岩层的载荷及自重载荷，在重力的作用下，深度越大，应力越大。这与实际的岩层应力分布情况相一致。初始应力分布3.2高地应力作用下煤层底板数值模拟研究由图可知，开挖后，随着工作面的不断推进，采场围岩的应力会重新分布，在开切眼和工作面附近会出现应力集中现象，且应力集中的最大值也逐渐增大，与煤层实际开采情况相符。开挖后应力分布3.3应力-渗流耦合下煤层底板数值模拟研究研究步骤1423第一步推进25m，以后每步推进10m，推进14步，共推进155m工作面推进方案研究方案采用稳态研究，并对推进尺进行参数化扫描，以便于得出不同开挖进尺情况下底板所受承压水压力分布情况研究方案模型顶端受到上覆887m的岩层的重力和自重，上覆岩层的重力用边界载荷代替，约22MPa，模型自重在软件中开启重力效应和定义体载荷即可定义。模型下段固定，左右两侧边界采用辊支撑。应力边界条件设定在模型底部含水灰岩下边界加4MPa的水压，模型上部边界为卸压边界承压水边界条件设定经过计算，得出不同开挖进尺情况下底板承压水压力分布情况，由以下图明显可以看出，煤层底板所承受的水压随着工作面的推进逐步增加。底板承压水压力分布3.3应力-渗流耦合下煤层底板数值模拟研究右图是工作面由25m推进至155m的过程中直接底上部边界所承受的水压分布图，最大值分别为分别为2.154MPa、2.214MPa、2.274MPa、2.333MPa、2.390MPa、2.444MPa、2.495MPa、2.543MPa、2.587MPa、2.629MPa、2.667MPa、2.702MPa、2.735MPa、2.764MPa。

由此可以得出工作面推进过程中煤层直接底上部边界承受的最大水压为2.764MPa承压水压力分布3.3应力-渗流耦合下煤层底板数值模拟研究突水危险性评价3.3应力-渗流耦合下煤层底板数值模拟研究

结合数值模拟计算结果，运用底板有效隔水层能够承受的极限水压理论判断煤层是否有突水危险性。极限水压公式为：根据上式经对不同工作面进尺计算，得出底板所能承受的最小极限水压值为：由计算结果得出，煤层直接底上部边界承受的最大水压2.764MPa小于整个推进郭程中最小极限水压，所以据此可以推断整个推进过程不会发生突水。3.3应力-渗流-温度耦合下煤层底板数值模拟研究研究步骤14253第一步推进25m，以后每步推进10m，推进14步，共推进155m工作面推进方案根据安居煤矿实测温度资料，采场围岩设置为37℃，下部边界设置为51.7℃，上部边界设置为47.32℃。温度边界条件设置模型顶端受到上覆887m的岩层的重力和自重，上覆岩层的重力用边界载荷代替，约22MPa，模型自重在软件中开启重力效应和定义体载荷即可定义。模型下段固定，左右两侧边界采用辊支撑。应力边界条件设定在模型底部含水灰岩下边界加4MPa的水压，模型上部边界为卸压边界承压水边界条件设定在研究渗流场对温度分布的影响时，由于安居煤矿承压水埋深较大，渗流速度较小，对温度分布的影响也较小，为了便于研究渗流场对温度场的影响，放大渗流速度。并对不同放大倍数进行参数化扫描研究方案3.3应力-渗流-温度耦合下煤层底板数值模拟研究由图可知，随着工作面的推进，温度场会重新分布，但是，仅在推进方向上温度会有所变化，而这种变化仅仅是采场附近的温度会变化，而在竖直方向上，整个岩层温度变化不大，即工作面推进过程中对温度梯度几乎没有影响。地温分布3.3应力-渗流-温度耦合下煤层底板数值模拟研究根据研究方案，为了便于研究渗流场对温度场的影响，将渗流速度放大，具体方案是将上节计算出的渗流速度按10到100倍放大，计算出温度分布情况，如下图。由图很明显的看出，随着渗流速度的增大，采场围岩的原有温度场在速度向上的渗流场的影响下，温度场重新分布，热交换平衡区向渗流速度方向偏移，所以等温线向上偏移。渗流场对温度场分布的影响分析3.3应力-渗流-温度耦合下煤层底板数值模拟研究右图给出了同一深度处〔据直接底上部边界50m处〕的煤层底板在渗流速度影响下温度变化情况，由图可以很明显的看出当渗流速度放大10倍时与放大100倍时，温度差最大可以到达3℃。渗流场对温度场分布的影响分析3.3应力-渗流-温度耦合下煤层底板数值模拟研究取工作面推进25m时采空区矩形的竖直中线作为截线，如右以下图4所示，取该截线上的所有模型点，绘制不同渗流速度下的温度分布曲线，如左以下图所示。由两图明显的看出，渗流速度越大，温度的变化曲线曲率就越大，温度曲线偏离理论地温曲线就越大，而理论地温曲线是一条直线，斜率就是地温梯度，所以渗流速度越大，对地温梯度的影响就越大。渗流场对温度场分布的影响分析4深部承压水上开采安全性评价4.1煤层开采平安性评价方法评价方法方法一：底板阻水厚度法方法二：突水系数法方法选择本文根据安居煤矿工程实际，选用底板阻水厚度法评价。4.2底板阻水厚度法本文对2307工作面进行承压水上开采平安性评价1、底板导水破坏深度h1计算工作面斜长253m，煤层倾角5°，采深980m，采用经验公式法计算。①只考虑工作面斜长②考虑采深、倾角和工作面斜长所以，底板导水破坏深度取取32.1131m2、底板阻水带厚度计算隔水层的范围为三灰上到3上煤层底板，厚度为71.85～110.19m，平均89.50m。作用于底板隔水的水压取4MPa/m。3上煤层底板至山西组底平均54.5m，以中、细砂岩为主，阻水系数取0.3MPa/m；山西组底至三灰顶厚30.11～40.50m，平均35.00m，主要为泥岩、粉砂岩，具良好的隔水性能，泥岩、粉砂岩阻水系数均取0.2MPa/m。4.2底板阻水厚度法3、承压水导升高度带计算方法井田内未发现奥灰有原始导升高度，故按无导高处理4、结论有以上计算得出平安煤岩柱厚度为：隔水层的范围为三灰上到3上煤层底板，厚度为71.85～110.19m，大于平安煤岩柱厚度，可见，正常情况下，底板隔水层厚度可以抵抗承压含水层水压。5结论与展望5.1结论2307工作面没有突水危险，可以进行平安开采创新点开采平安性评价运用阻水厚度法评价，得出的平安煤岩柱厚度小于底板隔水层总厚度，不会发生突水。流-固-热三场耦合模型研究一直是热点和难点，应用于煤矿底板突水领域的模型很少，本文通过COMSOLMultiphysics创新性地建立了应用于煤矿底板突水领域的应力场-渗流场-温度场三场耦合数值模拟模型，并通过对模型的计算，得出了符合煤层实际开采时的结论。123本文得出的结论缺少实验数据支撑，数值模拟毕竟不是真实的物理世界，所以，要尽可能的现场做实验。对多物理场