采動煤巖體離散裂隙網絡瓦斯流動特征及應用研究.pdf

1、下保護層開采時，上覆煤巖體垮落破斷形成三帶劃分，其中斷裂帶上承被保護層下接保護層工作面，內部裂隙發(fā)育溝通，是卸壓瓦斯匯聚流動的主要通道，也是如高抽巷、走向長鉆孔等卸壓瓦斯抽采工程的主要作用地帶。斷裂帶內巖體堆積結構、裂隙形態(tài)和滲透率的分布特征，往往決定了抽采層位選擇的合理與否，進而影響卸壓瓦斯抽采的效果。本文運用巖石力學、礦山巖體力學、流體力學、滲流力學等理論，采用理論分析、實驗研究、數值計算、現場驗證相結合的方法，以采動煤巖體離散裂隙

2、網絡模型為骨架，以裂隙內瓦斯?jié)B流特征為核心，構建了斷裂帶內卸壓瓦斯流動模型，并以陽泉礦區(qū)的走向高抽巷卸壓瓦斯抽采工程為背景，驗證了模型對高抽巷合理層位選擇的指導意義。獲得的主要結論如下：
　　(1)斷裂帶內不同層位覆巖均經歷了超前支承-采動卸壓-應力恢復三個階段。卸壓范圍和卸壓程度隨著層間距的增加而減小，卸壓比與層間距呈對數關系，在應力恢復階段可視為側限條件下煤壁上方巖層擴展支承區(qū)巖體重力重新作用于采空區(qū)而產生的三向應力的線性恢復

3、過程。假設破斷巖塊為各向同性的彈性體前提下，采動裂隙開度的改變主要歸因于破斷巖塊產生的彈性變形和側向水平應力對裂隙面的擠壓變形：此處公式省略！，推導了應力恢復過程中的應力-滲透性耦合關系。
　　(2)覆巖三帶在破壞特征、形態(tài)及介質流動模型上區(qū)別明顯。相似模擬實驗結果表明，斷裂帶內采動裂隙主要為水平離層裂隙和垂向破斷裂隙，二者占裂隙總量的70.8％。裂隙開度隨層位高度的增加而迅速衰減，近水平方向上的小角度裂隙閉合更為明顯，斷裂帶內多

4、以開度小于1mm的裂隙為主。在裂隙發(fā)育特征的基礎上，構建了斷裂帶離散裂隙網絡模型，定義了控制模型形態(tài)的主要三類參數，分別為外邊界控制參數、斷裂巖塊尺度參數、裂隙開度參數。
　　(3)對于單一裂隙來說，在低流量層流狀態(tài)，裂隙流量與壓差滿足線性關系，隨著流量的繼續(xù)增加，慣性力造成的湍流效應逐漸顯現。流態(tài)指數的變化表明，由層流向紊流的發(fā)展是連續(xù)的過程，實驗條件下模擬裂隙試件進入完全紊流時存在臨界流量為261mL/min，對應計算得到一般

5、條件下，斷裂帶內卸壓瓦斯流態(tài)轉變的臨界流量約為39.2m3/min。
　　(4)采用瞬態(tài)法測定巖樣原始滲透率范圍為4.8～39.3X10_4mD采用穩(wěn)態(tài)法測得峰后裂隙巖樣滲透率范圍在6.7～69.6mD，相比于原始滲透率增加了4個數量級。裂隙巖樣在重新加載中則表現出類彈性行為，以裂隙開度的變化為橋梁，建立了描述應力恢復作用下應變-滲透率模型，并對實驗數據進行擬合，理論值與實驗值擬合程度平均擬合度在0.95以上，驗證了模型的適用性。

6、
　　(5)闡述了上鄰近層存在時斷裂帶內瓦斯流動匯集特征，利用有限元方法模擬得到影響高抽巷卸壓瓦斯抽采效果的主要因素為層位的選擇和抽采時間。通過構建分布矩陣，將斷裂帶裂隙滲透率轉化為管路當量直徑，建立了離散裂隙網絡等效模型。
　　(6)在定壓邊界條件下，利用離散裂隙網絡等效模型分析了高抽巷層位選擇對斷裂帶瓦斯流動場匯集特征的影響作用。高抽巷層位由斷裂帶上方40m下調至斷裂帶下沿時，瓦斯抽采量下降了25.0m3/min，抽采濃