论文中文题名: | 倾斜厚煤层综采面卸压瓦斯高渗区应力场与渗流场联动演化采高效应研究 |
姓名: | |
学号: | 20220226150 |
保密级别: | 公开 |
论文语种: | chi |
学科代码: | 085700 |
学科名称: | 工学 - 资源与环境 |
学生类型: | 硕士 |
学位级别: | 工学硕士 |
学位年度: | 2023 |
培养单位: | 西安科技大学 |
院系: | |
专业: | |
研究方向: | 矿井瓦斯灾害防治 |
第一导师姓名: | |
第一导师单位: | |
论文提交日期: | 2023-06-27 |
论文答辩日期: | 2023-06-03 |
论文外文题名: | Study on mining height effect of linkage evolution of stress field and seepage field in pressure relief gas high permeability area in fully mechanized mining face of inclined thick coal seam |
论文中文关键词: | |
论文外文关键词: | Inclined thick coal seam ; High permeability zone of pressure relief gas ; Domain classification criteria ; Linkage evolution ; Mining height effect |
论文中文摘要: |
<p>随着我国大部分矿山进入高强开采阶段,煤炭产量不断上升的同时瓦斯涌出量增大,造成工作面瓦斯异常等风险增加,直接影响煤炭行业安全生产和绿色发展。本文以新疆昌吉硫磺沟煤矿主采工作面地质条件为原型,利用物理相似模拟实验及COMSOL数值模拟实验,结合分形理论、渗流力学开展了不同采高条件下的采动卸压瓦斯高渗区中应力场与渗流场联动演化规律研究。</p>
<p>利用采动覆岩裂隙演化物理相似模拟实验台,开展倾斜煤层的采动卸压瓦斯高渗区几何边界辨识物理相似模拟实验,获得了采动覆岩裂隙网络形态分布,分析了裂隙场分域分形特征,掌握了覆岩下沉量、离层量、裂隙率和贯通度等特征参数的变化规律,基于裂隙网络特征参数辨识采动卸压瓦斯高渗区几何边界并建立区域判定准则,最终获得卸压瓦斯高渗区几何范围及动态演化过程。</p>
<p>通过COMSOL数值模拟软件建立不同工作面采高条件下的数值模型,开展数值模拟实验。系统分析了采动过程中工作面上部岩层裂隙产生、扩展、发育、贯通再压实闭合的过程,阐述了采动应力与卸压瓦斯运移的相关性,获得不同采高影响下的覆岩应力场动态演化规律以及卸压瓦斯渗流场的空间和时变演化规律,明晰采动卸压瓦斯高渗区应力场与渗流场的联动演化规律。</p>
<p>基于理论分析、物理相似模拟实验和数值模拟实验的结果,将覆岩裂隙渗透系数作为应力场-渗流场耦合的关键,综合考虑了煤层采高和岩体碎胀的因素,建立了采高影响下的覆岩应力与瓦斯压力的函数关系,量化表征采动覆岩应力场和卸压瓦斯渗流场之间的关系,揭示高渗区应力场-渗流场耦合的采高效应机理。</p>
<p>针对试验矿井的主采工作面提出了倾斜厚煤层综放开采模式下的高位定向长钻孔抽采的技术措施,通过钻场设计对比和瓦斯抽采试验得出:钻孔的平均抽采瓦斯浓度随着垂距增加逐渐增大。当垂距由2m上升到23m时,高渗区内钻孔的平均抽采瓦斯浓度为39.71%,冒落带内的钻孔瓦斯抽采浓度为19.21%,钻孔的瓦斯抽采浓度增大了2.1倍,瓦斯抽采效果良好,并在工作面正常生产期间有效降低了上隅角和回风巷的瓦斯浓度。</p>
<p>通过上述研究,本文利用覆岩裂隙网络特征参数确定采动卸压瓦斯高渗区几何范围,运用数值模拟实验获得了不同采高条件下的采动卸压瓦斯高渗区应力场-渗流场联动演化规律,进一步完善覆岩裂隙瓦斯抽采过程中的多场耦合理论,指导和优化钻场的设计参数,对矿井瓦斯抽采技术及灾害防控等现场实际问题提供了重要的理论支撑。</p>
﹀
|
论文外文摘要: |
<p>As most mines in China enter the stage of high-strength mining, the continuous increase of coal production leads to the increase of gas emission, resulting in an increase in the risk of gas anomalies in the working face, which directly affects the safe production and green development of the coal industry. Based on the geological conditions of the main mining face in Liuhuanggou coal mine in Changji, Xinjiang, combined with fractal theory and seepage mechanics, the physical similarity simulation experiments and the COMSOL numerical simulation experiments were used to carry out the research on the linkage evolution law of stress field and seepage field in the high permeability zone of mining pressure relief gas under different mining height conditions.</p>
<p>Using the physical similarity simulation experiment platform of mining overburden fracture evolution, the physical similarity simulation experiment of geometric boundary identification of mining pressure relief gas high permeability zone in inclined coal seam was carried out. The morphological distribution of mining overburden fracture network was obtained, the fractal characteristics of fracture field were analyzed, and the variation rules of characteristic parameters such as overburden subsidence, bed separation, fracture rate and penetration were mastered. Based on the characteristic parameters of fracture network, the geometric boundary of mining pressure relief gas high permeability zone was identified and the regional judgment criterion was established. Eventually, the geometric range and dynamic evolution process of the pressure relief gas high permeability zone were obtained.</p>
<p>Through COMSOL numerical simulation software, numerical models under different mining height conditions were established, and numerical simulation experiments were carried out. The process of crack generation, expansion, development, penetration and re-compaction in overburden during mining was systematically analyzed. The correlation between mining stress and pressure relief gas migration was expounded. The dynamic evolution law of overburden stress field under the influence of different mining height and the spatial and time-varying evolution law of pressure relief gas seepage field were obtained. The linkage evolution law of stress field and seepage field in high permeability area of mining pressure relief gas was clarified.</p>
<p>Based on the results of theoretical analysis, physical similarity simulation experiment and numerical simulation experiment, the permeability coefficient of overburden fracture was taken as the key to the coupling of stress field and seepage field. Considering the factors of coal seam mining height and rock bulking, the function relationship between overburden stress and gas pressure under the influence of mining height was established, and the relationship between overburden stress field and pressure relief gas seepage field was quantitatively characterized. Then, The mining height effect mechanism of stress field-seepage field coupling in high permeability area was revealed.</p>
<p>Aiming at the main mining face of the test mine, the technical measures of high-level directional long borehole extraction under the fully mechanized caving mining mode in inclined thick coal seam were put forward. Through the comparison of drilling field design and gas extraction test, it was concluded that the average gas extraction concentration of borehole increased with the rise of vertical distance. When the vertical distance rose from 2m to 23m, the average gas concentration of the borehole in the high permeability zone was 39.71 %, the gas concentration of the borehole in the caving zone was 19.21 %, and the gas concentration of the borehole was increased by 2.1 times. The gas extraction effect showed better, and the gas concentration of the upper corner and the return air lane effectively reduced during the normal production of the working face.</p>
<p>Through the above research, the characteristic parameters of the overburden fracture network are used to determine the geometric range of high permeability zone of mining-induced pressure relief gas, and the numerical simulation experiment is adopted to obtain the stress field-seepage field linkage evolution law of high permeability zone of mining-induced pressure relief gas under different mining height conditions. The multi-field coupling theory in the process of gas extraction in overburden fractures is further improved, and the design parameters of the drilling field are optimized, which provides important theoretical support for the field practical problems such as the mine gas extraction technology and the disaster prevention and control.</p>
﹀
|
参考文献: |
[1]谢和平, 任世华, 谢亚辰, 等. 碳中和目标下煤炭行业发展机遇[J]. 煤炭学报, 2021, 46(07): 2197-2211. [2]许家林. 煤矿绿色开采20年研究及进展[J]. 煤炭科学技术, 2020, 48(09): 1-15. [3]国家统计局. 中华人民共和国2022年国民经济和社会发展统计公报[N]. 人民日报, 2023-03-01(009). [4]谢和平, 吴立新, 郑德志. 2025年中国能源消费及煤炭需求预测[J]. 煤炭学报, 2019, 44(07): 1949-1960. [5]袁亮. 深部采动响应与灾害防控研究进展[J]. 煤炭学报, 2021, 46(03): 716-725. [6]汪长明. 大倾角厚煤层综采工作面覆岩移动与矿压显现规律研究[J]. 矿业安全与环保, 2017, 44(04): 14-18. [7]谢和平. 深部岩体力学与开采理论研究进展[J]. 煤炭学报, 2019, 44(05): 1283-1305. [9]谢和平, 周宏伟, 薛东杰, 等. 我国煤与瓦斯共采:理论、技术与工程[J]. 煤炭学报, 2014, 39(8): 1391-1397. [10]林海飞, 李树刚, 赵鹏翔, 等. 我国煤矿覆岩采动裂隙带卸压瓦斯抽采技术研究进展[J]. 煤炭科学技术, 2018, 46(1): 28-35. [11]叶建平, 陆小霞. 我国煤层气产业发展现状和技术进展[J]. 煤炭科学技术, 2016, 44(01): 24-28+46. [12]王恩元, 张国锐, 张超林, 等. 我国煤与瓦斯突出防治理论技术研究进展与展望[J].煤炭学报, 2022, 47(01): 297-322. [13]梁运培, 郑梦浩, 李全贵, 等. 我国煤与瓦斯突出预测与预警研究综述[J]. 煤炭学报, 2022: 1-24. [14]袁亮. 我国深部煤与瓦斯共采战略思考[J]. 煤炭学报, 2016, 41(1): 1-6. [15]李树刚, 林海飞, 成连华. 煤与瓦斯安全共采基础理论研究进展[J]. 陕西煤炭, 2005, (增): 25-29. [16]袁亮. 卸压开采抽采瓦斯理论及煤与瓦斯共采技术体系[J]. 煤炭学报, 2009, 34(1): 1-8. [17]赵毅鑫, 令春伟, 刘斌, 等. 浅埋超大采高工作面覆岩裂隙演化及能量耗散规律研究[J]. 采矿与安全工程学报, 2021, 38(01): 9-18+30. [18]张超林, 蒲静轩, 宋世豪, 等.煤与瓦斯突出两相流研究现状及展望[J]. 煤炭科学技术, 2023: 1-11. [19]袁欣鹏, 梁冰, 孙维吉, 等. 煤层群覆岩裂隙带煤与瓦斯共采协同机制研究[J]. 中国矿业大学学报, 2020, 49(02): 289-295. [20]范钢伟, 张东升, 陈铭威, 等. 采动覆岩裂隙体系统耗散结构特征与突变失稳阈值效应[J]. 采矿与安全工程学报, 2019, 36(06): 1093-1101. [21]宋振骐, 蒋金泉. 煤矿岩层控制的研究重点与方向[J]. 岩石力学与工程学报, 1996, (02): 33-39. [28]刘天泉. 矿山岩体采动影响与控制工程学及其应用[J]. 煤炭学报, 1995, 20(1): 1-5. [29]钱鸣高, 缪协兴, 许家林. 岩层控制中的关键层理论研究[J]. 煤炭学报, 1996, 21(3): 225-230. [30]钱鸣高, 缪协兴, 何富连. 采场“砌体梁”结构的关键块分析[J]. 煤炭学报, 1994, 19(6): 557-563. [31]许家林,钱鸣高. 关键层运动对覆岩及地表移动影响的研究[J]. 煤炭学报, 2000, 25(2): 122-126. [32]许家林, 秦伟, 轩大洋, 等. 采动覆岩卸荷膨胀累积效应[J]. 煤炭学报, 2020, 45(1): 35-43. [33]卢国志, 汤建泉, 宋振骐. 传递岩梁周期裂断步距与周期来压步距差异分析[J]. 岩土工程学报, 2010, 32(04): 538-541. [34]谢和平, 于广明. 采动岩体分形裂隙网络研究[J]. 岩石力学与工程学报, 1999, 18(2): 147-151. [35]张玉军, 李凤明. 高强度综放开采采动覆岩破坏高度及裂隙发育演化监测分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2011(S1): 2994-3001. [36]李树刚, 石平五, 钱鸣高. 覆岩采动裂隙椭抛带动态分布特征研究[J]. 矿山压力与顶板管理, 1999(Z1): 44-46. [37]李树刚, 徐培耘, 赵鹏翔, 等. 综采工作面覆岩压实区演化采高效应分析及应用[J]. 煤炭学报, 2018, 43(S1): 112-120. [40]林海飞, 李树刚, 成连华, 等. 覆岩采动裂隙带动态演化模型的实验分析[J]. 采矿与安全工程学报, 2011, 28(2): 298-303. [45]石必明, 俞启香, 周世宁. 保护层开采远距离煤岩破裂变形数值模拟[J]. 中国矿业大学学报, 2004(03): 25-29. [46]石必明, 刘泽功. 保护层开采上覆煤层变形特性数值模拟[J]. 煤炭学报, 2008(01): 17-22. [47]石必明,俞启香,王凯. 远程保护层开采上覆煤层透气性动态演化规律试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2006(09): 1917-1921. [48]涂敏, 缪协兴, 黄乃斌. 远程下保护层开采被保护煤层变形规律研究[J]. 采矿与安全工程学报, 2006(03): 253-257. [49]刘超, 李树刚, 许满贵, 等. 采空区覆岩采动裂隙演化过程及其分形特征研究[J]. 湖南科技大学学报(自然科学版), 2013, 28(03): 1-5. [50]李宏艳, 王维华, 齐庆新, 等. 基于分形理论的采动裂隙时空演化规律研究[J]. 煤炭学报, 2014, 39(06): 1023-1030. [51]刘泉声, 刘学伟. 多场耦合作用下岩体裂隙扩展演化关键问题研究[J]. 岩土力学, 2014, 35(02): 305-320. [52]谢和平, 于广明, 杨伦, 等. 采动岩体分形裂隙网络研究[J]. 岩石力学与工程学报, 1999(02): 29-33. [53]谢和平, 张泽天, 高峰, 等. 不同开采方式下煤岩应力场-裂隙场-渗流场行为研究[J]. 煤炭学报, 2016, 41(10): 2405-2417. [54]薛东杰, 周宏伟, 任伟光,等. 浅埋深薄基岩煤层组开采采动裂隙演化及台阶式切落形成机制[J]. 煤炭学报, 2015, 40(08): 1746-1752. [55]张玉军, 高超. 急倾斜特厚煤层水平分层综放开采覆岩破坏特征[J]. 煤炭科学技术, 2016, 44(01): 126-132. [57]史博文, 白建平, 郝春生, 等. 采动覆岩裂隙动态演化规律的三维模拟[J]. 煤矿安全, 2019, 50(07): 259-262. [58]魏宗勇, 李树刚, 林海飞, 等. 大采高综采覆岩裂隙演化特征三维实验研究[J]. 西安科技大学学报, 2020, 40(04): 589-598. [59]龚选平, 武建军, 李树刚, 等. 低瓦斯煤层高强开采覆岩卸压瓦斯抽采合理布置研究[J]. 采矿与安全工程学报, 2020, 37(02): 419-428. [60]赵毅鑫, 令春伟, 刘斌, 等. 浅埋超大采高工作面覆岩裂隙演化及能量耗散规律研究[J]. 采矿与安全工程学报, 2021, 38(01): 9-18. [61]赵鹏翔, 卓日升, 李树刚, 等. 综采工作面推进速度对瓦斯运移优势通道演化的影响[J]. 煤炭科学技术. 2018, 46(07): 99-108. [63]赵鹏翔, 卓日升, 李树刚, 等. 综采工作面瓦斯运移优势通道演化规律采高效应研究[J]. 采矿与安全工程学报, 2019, 36(4): 848-856. [64]刘洪永, 程远平, 周红星, 等. 综采长壁工作面推进速度对优势瓦斯通道的诱导与控制作用[J]. 煤炭学报, 2015, 40(04): 809-815. [65]黄庆享, 夏小刚. 采动岩层与地表移动的“四带”划分研究[J]. 采矿与安全工程学报, 2016, 33(03): 393-397. [70]郭惟嘉, 刘立民, 沈光蹄, 等, 采动覆岩离层性确定方法及离层规律的研究[J] 煤炭学报, 1995(01): 39-44. [71]姚邦华, 周海峰, 陈龙. 重复采动下覆岩裂隙发育规律模拟研究[J]. 采矿与安全工程学报, 2010, 27(03): 443-446. [72]张永刚, 刘延欣, 武宇亮. 厚松散层薄基岩下重复采动覆岩破坏高度综合研究[J]. 煤炼技术, 2017, 36(08): 72-75. [73]姬俊燕, 邬剑明, 周春山, 等. 煤层群覆岩采动裂隙演化规律及瓦斯抽采技术[J]. 煤炭科学技术, 2013, 41(S2): 189-191. [74]余明高, 滕飞, 褚廷湘, 等. 浅埋煤层重复采动覆岩裂隙及溥风通道演化模拟研究[J]. 河南理工大学学报(自然科学版), 2018, 37(01): 1-7. [81]马立强, 张东升, 缪协兴, 等. FLAC3D 模拟采动岩体渗流规律[J]. 湖南科技大学学报(自然科学版), 2006, 21(3): 1-5. [82]朱斌, 高峰, 杨建文, 等. 深部薄层煤岩体裂隙-孔隙双渗流模拟研究[J]. 中国矿业大学学报, 2014 (6): 987-994. [83]张杰, 侯忠杰, 石平五. 地下工程渗流场与应力场耦合的相似材料模拟[J]. 辽宁工程技术大学学报, 2005, 24(5): 639-642. [84]杨天鸿, 赵兴东, 冷雪峰, 等. 地下开挖引起围岩破坏及其渗透性演化过程仿真[J]. 岩石力学与工程学报, 2003, 22(增1): 2386-2389. [85]缪协兴, 刘卫群, 陈占清. 采动岩体渗流与煤矿灾害防治[J]. 西安石油大学学报: 自然科学版, 2007, 22(2): 74-77. [86]王文学, 隋旺华, 董青红. 应力恢复对采动裂隙岩体渗透性演化的影响[J]. 煤炭学报, 2014, 39(6): 1031-1038. [87]王皓, 乔伟, 柴蕊. 采动影响下煤层覆岩渗透性变化规律及垂向分带特征[J]. 煤田地质与勘探, 2015, 43(3): 51-55. [88]张东明, 齐消寒, 宋润权, 等. 采动裂隙煤岩体应力与瓦斯流动的耦合机理[J]. 煤炭学报, 2015, 40(04): 774-780. [98]李树刚, 林海飞, 成连华. 综放开采支承压力与卸压瓦斯运移关系研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2004, 23(19): 3288-3291. [99]蒋曙光, 张人伟. 综放采场流场数学模型及数值计算[J]. 煤炭学报, 1998, 23(3): 258-261. [100]丁广骧, 柏发松. 采空区混合气运动基本方程及有限元解法[J]. 中国矿业大学学报,1996,25(3):21-26. [101]梁栋, 黄元平. 采动空间瓦斯运动的双重介质模型[J]. 阜新矿业学院学报, 1995, 14(2): 4-7. [102]高建良, 刘佳佳, 张学博. 采空区渗透率对瓦斯运移影响的模拟研究[J]. 中国安全科学学报, 2010, 20(9): 9-14. [103]王凯, 蒋曙光, 张卫清, 等. 尾巷改变采空区瓦斯流场的数值模拟研究[J]. 采矿与安全工程学报, 2012, 29(1): 24-30. [104]金龙哲, 姚伟, 张君. 采空区瓦斯渗流规律的CFD模拟[J]. 煤炭学报, 2010, 35(9): 1476-1480. [105]董金玉, 杨继红, 杨国香, 等. 基于正交设计的模型试验相似材料的配比试验研究[J]. 煤炭学报, 2012, 37(01): 44-49. [107]王志国, 周宏伟, 谢和平. 深部开采上覆岩层采动裂隙网络演化的分形特征研究[J]. 岩土力学, 2009, 30(08): 2403-2408. [108]田焕志, 江明泉, 余照阳, 等. 格目底向斜地质构造特征及其对瓦斯赋存的影响研究[J]. 煤矿安全, 2022, 53(08): 149-154. [109]于广明, 谢和平, 周宏伟, 等. 结构化岩体采动裂隙分布规律与分形性实验研究[J]. 实验力学, 1998(02): 14-23. [110]杨滨滨, 袁世冲, 郑德志, 等. 近距离煤层重复采动覆岩裂隙时空演化特征研究[J]. 采矿与安全工程学报, 2022, 39(02): 255-263. [112]李生舟.采动覆岩裂隙场演化及瓦斯运移规律研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2012. [113]李东印, 许灿荣, 熊祖强. 采煤工作面瓦斯流动模型及COMSOL数值解算[J]. 煤炭学报, 2012, 37(06): 967-971. [114]孟召平, 张娟, 师修昌, 等. 煤矿采空区岩体渗透性计算模型及其数值模拟分析[J]. 煤炭学报, 2016, 41(8): 1997-2005. [115]张礼, 齐庆新, 张勇, 等. 采动覆岩裂隙场三维形态特征及其渗透特性研究[J]. 采矿与安全工程学报, 2021, 38(04): 695-705. [116]徐超, 王凯, 郭琳, 等. 采动覆岩裂隙与渗流分形演化规律及工程应用[J]. 岩石力学与工程学报, 2022, 41(12): 2389-2403. [117]司俊鸿, 程根银, 朱建芳, 等. 采空区非均质多孔介质渗透特性三维建模及应用[J]. 煤炭科学技术, 2019, 47(5): 220-224. [119]许家林, 秦伟, 轩大洋, 等. 采动覆岩卸荷膨胀累积效应[J]. 煤炭学报, 2020, 45(01): 35-43. [120]蒋力帅, 武泉森, 李小裕, 等. 采动应力与采空区压实承载耦合分析方法研究[J]. 煤炭学报, 2017, 42(08): 1951-1959. [121]徐则民, 杨立中. 渗流场与应力场相互关系研究中应注意的两个问题[J]. 矿物岩石, 1998(01): 103-108. [124]路广奇. 平煤股份十一矿“以孔代巷”定向钻进区域瓦斯治理技术研究及应用[J]. 煤炭技术, 2023, 42(01): 147-150. 郭明杰, 郭文兵, 赵高博, 等. 长壁开采覆岩内水平定向长钻孔位置特征与卸压瓦斯抽采机理[J]. 煤炭学报: 1-16. |
中图分类号: | TD712 |
开放日期: | 2023-06-27 |