基本信息
- 项目名称：
- 覆岩采动裂隙演化与卸压瓦斯渗流规律相似材料模拟实验研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 实验团队利用固气两相相似材料模拟实验台，分析了采动覆岩运动规律、破断裂隙分布特征以及采动裂隙场的动态演化规律；同时分析了不同推进距离、裂隙分布对采动覆岩渗流特性的影响，以及覆岩渗流速率变化规律。实验表明，随着工作面的推进，裂隙发育经历了形成、扩展和闭合三阶段，呈现出切眼裂隙发育区、中部压实区以及工作面裂隙发育区三区域演化规律，渗流速度随工作面的推进形成一个升高、降低、再升高的动态变化过程。
- 详细介绍：
- 采动覆岩裂隙演化及其中瓦斯渗流规律与卸压瓦斯抽采系统的布置密切相关。实验团队自主研发了由供气系统、压力平衡系统、流速测定系统、开采系统等组成的固气两相相似材料模拟实验台，保证了实验系统的气密性。利用该模拟实验台，分析了随着工作面的推进，采动覆岩运动规律、破断裂隙分布特征以及采动裂隙场的动态演化规律；同时分析了不同推进距离、裂隙分布等对采动覆岩渗流特性的影响，以及采动裂隙场内覆岩渗流速率变化规律。实验表明，上覆岩层随着工作面的推进，裂隙发育经历了形成、扩展和闭合三阶段，呈现出切眼裂隙发育区、中部压实区以及工作面裂隙发育区三区域演化规律。同时，上覆岩层渗流速度随着工作面的推进形成一个升高、降低、再升高的动态变化过程。研究结果为合理布置瓦斯抽采系统提供了一定的理论依据。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 为得到采动覆岩裂隙演化及其中卸压瓦斯渗流规律，论文在分析国内外在此方面的研究现状的基础上，通过自主研发的煤与瓦斯固气耦合相似材料模拟实验台，对煤层开采过程中采动裂隙的动态演化及卸压瓦斯渗流特性进行系统研究。
科学性、先进性及独特之处
- （1）自主研发了固气两相相似材料模拟实验台，实现了密闭条件下开采的模拟。 （2）得到了随着工作面推进，采动覆岩运动规律、破断裂隙分布特征以及采动裂隙场的动态演化规律；不同推进距离、裂隙分布等对采动覆岩渗流特性的影响，以及采动裂隙场内覆岩渗透速率变化规律。
应用价值和现实意义
- 采动覆岩裂隙演化及其中瓦斯渗流规律与卸压瓦斯抽采系统的布置密切相关，作品的研究结果为合理布置瓦斯抽采系统提供了一定的理论依据，对于有效防治瓦斯事故、保证矿井安全、实现煤与瓦斯安全共采具有重要的现实意义。
学术论文摘要
- 采动覆岩裂隙演化及其中瓦斯渗流规律与卸压瓦斯抽采系统的布置密切相关。实验团队自主研发了由供气系统、压力平衡系统、流速测定系统、开采系统等组成的固气两相相似材料模拟实验台，保证了实验系统的气密性。利用该模拟实验台，分析了随着工作面的推进，采动覆岩运动规律、破断裂隙分布特征以及采动裂隙场的动态演化规律；同时分析了不同推进距离、裂隙分布等对采动覆岩渗流特性的影响，以及采动裂隙场内覆岩渗透速率变化规律。实验表明，上覆岩层随着工作面的推进，裂隙发育经历了形成、扩展和闭合三阶段，呈现出切眼裂隙发育区、中部压实区以及工作面裂隙发育区三区域演化规律。同时，上覆岩层渗流速度随着工作面的推进形成一个升高、降低、再升高的动态变化过程。研究结果为合理布置瓦斯抽采系统提供了一定的理论依据。
获奖情况
- “固气耦合物理模拟实验台”（受理号：201120074258.8）专利正在受理中
鉴定结果
- 申报者7人小组是安全工程08级学生，参加了依托固气耦合物理模拟实验台开展的覆岩采动裂隙演化与卸压瓦斯渗流规律的实验，其工作真实有效，实验研究论文是他们对实验深入分析总结的结果。
参考文献
- [1]章梦涛.煤岩流体力学.北京:科学出版社，1995 [2]蒋曙光，张人伟.综放采场流场数学模型及数值计算.煤炭学报，1998，23(3):258~261 [3]梁栋，黄元平.采动空间瓦斯运动的双重介质模型.阜新矿业学院学报，1995，14(2):4~7 [4]李宗翔.综放工作面采空区瓦斯涌出规律的数值模拟研究.煤炭学报，2002，(2):173~178 [5]胡千庭，梁运培. 采空区瓦斯流动规律的CFD模拟.煤炭学报，2007，32(7): 719~723 [6]兰泽全，张国枢.多源多汇采空区瓦斯浓度场数值模拟.煤炭学报，2007，32(4):396~401 [7]金龙哲，姚伟.采空区瓦斯渗流规律的CFD模拟.煤炭学报，2010，35(9):1476~1480 [8]钱鸣高，许家林.覆岩采动裂隙分布的“O”形圈特征研究.煤炭学报，1998，23（5）：466~469 [9]钱鸣高，缪协兴，等.岩层控制的关键层理论.徐州：中国矿业大学出版社，2000 [11]刘泽功，袁亮，等.开采煤层顶板“环形裂隙圈内走向长钻孔”抽放瓦斯研究.中国工程科学，2004，6(5):32~38 [12]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.矿山压力与顶板管理，1999，(3-4):44~46. [13]李树刚，林海飞. 采动裂隙椭抛带分布特征的相似模拟实验分析.煤，2008，17(2):19~21
同类课题研究水平概述
- 目前瓦斯依然是影响我国煤矿安全生产的主要灾害之一，防治瓦斯的根本性措施是瓦斯抽采。由于煤岩体内裂隙发育程度和煤层透气性对瓦斯抽采起关键作用，而我国煤田大多属于低透气性煤层，预抽瓦斯效果往往不好。因此，现阶段我国大部分矿区仍以卸压瓦斯抽采为主，其关键是根据采动裂隙演化及其中瓦斯运移规律合理布置抽采钻孔或巷道。 许多学者对采动裂隙带中的卸压瓦斯的运移规律开展了大量研究。章梦涛等人推导了渗流力学基本原理，得出瓦斯在采空区的动力弥散方程，提出了固流耦合作用的数学模型及其数值解法。蒋曙光、张人伟应用多孔介质流体动力学理论建立了综放采场三维流场数学模型，采用上游加权多单元均衡方法对三河尖煤矿综放采场流场的压力和风速分布进行了数值计算。梁栋、黄元平分析了采动空间空隙介质和瓦斯运动的特性提出采动空间瓦斯运动的双重介质模型，更好地反映采动空间瓦斯的渗流运动特性。李宗翔等将采空区冒落区看作是非均质变渗透系数的耦合流场，采用迎风有限元数值模拟结合图形显示技术求解综放工作面采空区二维流场瓦斯涌出扩散方程。胡千庭、兰泽全、金龙哲等人对采空区瓦斯的流动规律及浓度分布规律进行了数值模拟。钱鸣高院士、许家林基于关键层理论，应用模型实验、图像分析、离散元模拟等方法，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，将其用于指导淮北桃园矿、芦岭矿卸压瓦斯抽放钻孔布置，取得了显著效果。袁亮院士、刘泽功、卢平等人将采动裂隙分为采空区顶板环形裂隙区、裂隙带内竖向裂隙发育区以及远程卸压煤层裂隙发育区。李树刚提出煤层综放开采后，采场上覆岩层中的破断裂隙和离层裂隙贯通后在空间上的分布是一个动态变化的采动裂隙椭抛带，分析了关键层位置与椭抛带形态的相互关系，应用环境流体力学和气体输运原理，阐述了卸压瓦斯在椭抛带中的升浮-扩散运移理论，并提出几种抽取煤层卸压瓦斯的方法。 以上研究成果对矿井瓦斯抽采利用及安全生产起到了积极的作用，但由于此问题本身的复杂性，目前就采动煤层上覆岩层中裂隙的发育情况与瓦斯渗流之间的规律研究仍是一个难题，大部分研究者是基于理论分析及数值模拟的方法进行，而在工程实践中还没有真正的相似材料的煤岩固气耦合模拟研究。
