深部煤层群采动影响下瓦斯运移规律的数值模拟研究

中文题目：深部煤层群采动影响下瓦斯运移规律的数值模拟研究外文题目：NUMERICALSIMULATIONRESEARCHONTHEMETHANEDELIVERYLAWUNDERMININGINFLUENCEINDEEPCOALGROUP毕业设计（论文）共75页（其中：外文文献及译文31页）图纸共0张完成日期2011年6月答辩日期2011年6月I摘要深部煤层群的开采具有低透气性、危险性高、高应力、高瓦斯及高吸附性等特点。煤层群开采与单一煤层开采不同，煤层群开采过程中，煤层群底板巷道要经历上下煤层分别开采引起的影响，底板巷道围岩变形要比单一煤层底板变形严重。因此研究采动影响下瓦斯运移规律对安全采煤极为重要。分析岩层运移规律，采动覆岩移动与保护层的开采。煤层开采后形成的“三带”。确定煤体微结构因素与瓦斯流动关系。分析煤层瓦斯赋存状态，以及煤层开采过程中煤层、围岩、邻近层中的瓦斯涌出关系。应用流固耦合以及渗流力学，基于COMSOLMultiphysics数值模拟方法，研究煤层开采后上覆煤层岩体卸压效应。模拟煤层开采压力变化与瓦斯运移规律。研究结果可为消除煤与瓦斯突出危险、煤与瓦斯资源安全共采提供理论依据。关键词：深部煤层群；瓦斯运移规律；流固耦合；煤与瓦斯共采IIABSTRACTDeepcoalseamshavethefeatureswiththelowpermeability,dangerous,highstress,methaneandhighadsorption.Coalseamsaredifferentformsignalcoal,withtheminingcoalseams,floortunnelincoalseamswereminedcoaltogothroughtheupperandlowerdynamicpressureeffectscaused.It’sseriousformthesignalcoal.So,It’simportanttoresearchthelawofgasflowing.Analysisthelawofthecoal,movementofminingoverburden,thekeyprotectcoalmining.Formedafterthecoalmining“threezones”.Factorsthatdeterminethemicrostructureofcoalandmethaneflowrelationship.Occurrenceofcoalseammethane,andcoalseamsduringtheminingprocess,rock,nearthelevelofmethaneemissionintherelationship.Applicationoffluid-structureinteractionandfluidmechanics.BasedonCOMSOLMultiphysicsnumericalsimulationtostudytheuppercoalseamminingrockmassafterthereliefeffect.Simulationofcoalseammethanepressureandmigrationlaw.Theresultscaneliminatecoalandmethaneoutburst,coalminingandmethaneresourcestoprovideatheoreticalbasisfortotalsecurity.Keywords:Deepcoalgroup;Thelawofgasflowing;Mining-inducedfracturesdevelopment;Safetyandsimultaneousextractingofcoalandmethane目录1绪论.........................................................11.1课题研究的背景、目的及意义..................................11.1.1课题的研究目的..........................................11.1.2研究深层采煤以及开采保护层的意义........................11.1.3研究瓦斯运移规律的意义..................................21.2研究现状...................................................21.2.1深部煤层群开采研究现状..................................21.2.2采动裂隙场的研究现状....................................31.2.3煤与瓦斯流耦合的研究现状................................41.3课题研究内容及技术路线......................................61.3.1研究内容................................................61.3.2技术路线................................................72煤层瓦斯的赋存与瓦斯渗流.....................................82.1煤体微结构分析.............................................82.2煤层瓦斯的赋存状态.........................................92.3流体在多孔介质中的运动方程——达西定律.....................102.4煤层瓦斯运移的基本规律.....................................112.4.1开采煤层中瓦斯的流动...................................112.4.2邻近层与围岩中瓦斯流动.................................122.4.3瓦斯在采空区涌出分析...................................133煤层开采岩层移动及规律......................................143.1采动覆岩运动规律..........................................143.1.1采动覆岩运动形式.......................................143.1.2覆岩采动裂隙动态分布规律...............................153.1.3煤层开采岩层运移破坏的“三带”.........................163.2关键层运动对邻近层瓦斯涌出的影响分析.......................173.2.1关键层定义及判别.......................................173.2.2关键层及其运动.........................................183.2.3关键层运动对邻近层瓦斯涌出的影响分析...................193.3小结......................................................194采动影响下瓦斯运移的数学模型................................204.1基本假设..................................................204.2采动影响下瓦斯运移规律的数学模型...........................205基于COMSOL的瓦斯运移规律的数值模拟..........................235.1数值方法简介及软件介绍.....................................235.1.1数值方法简介...........................................235.1.2COMSOL软件简介........................................235.1.3固气耦合方程及边界条件.................................245.2模型的建立................................................245.2.1工程概况...............................................245.2.2模型的设计原则.........................................255.2.3模型的基本参数.........................................255.2.4几何模型的确定.........................................255.2.5网格的划分.............................................265.3数值模拟模拟结果及计算结果分析.............................275.3.1采动影响下覆岩裂隙发育模拟结果分析.....................275.3.2卸压瓦斯运移规律模拟结果分析...........................296结论与展望..................................................346.1结论......................................................346.2展望......................................................34参考文献......................................................36附录A........................................................38附录B........................................................50（论文）11绪论我国是世界上第一产煤大国，煤炭资源分布极其广泛，储存条件变化很大，特别是高瓦斯、复杂地质条件的深部煤层的矿井安全问题尤为突出，严重影响了矿井的正常生产。随着煤炭的高度开采，瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等类似事故也频繁发生。迄今为止，瓦斯灾害依然是我国煤矿伤亡、损失最大以及发生最频繁的重大恶性事故，严重威胁着矿井的安全生产，并给煤矿企业带来沉重的经济负担。深部煤层群具有高瓦斯、低渗透性，开采且与单层煤开采不同的特点，不仅有上覆岩层的垮落还有下底板的瓦斯涌出。因此研究深部煤层群瓦斯运移规律尤为重要。了解瓦斯运移规律可以使开采深部煤层时更准确更安全。本文针对深部煤层群的特点，研究开采保护层的情况下瓦斯的渗流规律。运用数值模拟方法模拟在开采保护层时采动影响下的上覆岩层的垮落变形及裂隙场的分布规律，包括开采保护层形成的“三带”以及裂隙与节理的分布规律，研究裂隙场的分布对被保护层的瓦斯卸压作用以及瓦斯赋存运移在裂隙场作用下的分布规律。模拟深部煤层群煤层开采情况下瓦斯渗流、煤层开采裂隙场之间的关系。1.1课题研究的背景、目的及意义1.1.1课题的研究目的深部煤层的开采具有高瓦斯、低渗透性等特点而且开采煤层群与开采单一煤层不同，开采煤层群不但会引起上覆岩层的垮落而且会引起下底板