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硕士学位论文 采动煤岩体损伤演化与瓦斯渗流 耦合作用分析 Analysis on Evolution of Damage and Gas-solid Couple Law in Coal-rock by Mining 作者李玺茹 导师高 峰 教授 中国矿业大学 二○一四年五月 万方数据 中图分类号 TD7 学校代码 10290 UDC 密 级 公开 中国矿业大学 硕士学位论文 采动煤岩体损伤演化与瓦斯渗流 耦合作用分析 Analysis on Evolution of Damage and Gas-solid Couple Law in Coal-rock by Mining 作 者 李玺茹 导 师 高峰 教授 申请学位 工学硕士 培养单位 力学与建筑工程学院 学科专业 工程力学 研究方向 采动岩体力学与工程 答辩委员会主席 刘卫群 评 阅 人 彭维红 李顺才 二○一四年五月 万方数据 67 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文开采扰动下采场围岩损伤场分布及演化 规律研究 ，是本人在导师指导下，在中国矿业大学攻读学位期间进行的研究工 作所取得的成果。据我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 学位论文作者签名 年 月 日 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰 写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一， 学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位 论文的部分使用权，即①学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电 子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为教学和 科研目的，学校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书 馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国 国家图书馆保存研究生学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 作者签名 导师签名 年 月 日 年 月 日 万方数据 论文审阅认定书 论文审阅认定书 研究生 李玺茹 在规定的学习年限内， 按照研究生培养方案的 要求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本学 位论文,经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论 文撰写格式符合学校的相关规定， 同意将本论文作为学位申请论文送 专家评审。 导师签字 年 月 日 万方数据 致谢致谢 光阴荏苒，三年研究生求学生涯即将结束，在论文即将完成之际，首先衷心 地感谢导师高峰教授给予的无微不至的关怀、 热心的指导和帮助 从论文的选题、 技术路线制订、总体构思到最后成文，每一项工作、每一个环节都凝聚着导师的 智慧和心血。导师追求真理的执着信念、精益求精的工作作风、严谨求实的治学 态度和崇高质朴的品德风范，是我终身学习的榜样和楷模，将永远激励我在今后 的人生道路上不断进取。再次感谢我的导师高峰教授三年来对我的培养和教育， 并向我的导师致以最真诚的谢意 其次还要特别感谢程红梅副教授在论文写作过程所给予的耐心、细致地指 导，从程序的编制到论文的撰写和修改、到最后成文，每一个环节都花费了大量 精力。值此论文完成之际，谨向程红梅副教授致以衷心的感谢 感谢中国矿业大学彭维红副教授、杨玉贵助理研究员、高亚楠讲师、张志镇 讲师、夏同强博士、师访博士、邢燕博士、薛熠博士、滕腾博士、张向向博士、 徐勇硕士、林斌硕士、侯鹏硕士、张骥硕士、刘嘉博士在论文完成过程中所给予 的帮助。 特别感谢父母在我漫长的求学生涯中对我的理解和支持， 希望我的勤奋努力 能够报答他们多年来的养育之恩。 另外， 作者还要向文中及研究中引用到其学术论著及研究成果的学术前辈及 同行们表示感谢。 衷心感谢在百忙之中评审论文和参加答辩的各位专家、教授 李玺茹 2014 年 5 月 万方数据 I 摘摘 要要 由于钻孔或煤层开挖扰动影响， 周围煤岩体经历了从原始未扰动状态到产生 损伤、裂隙扩展直至煤体破碎几个阶段，煤体的结构属性、力学行为和渗流特征 都发生了本质性变化，煤体不可单纯的看做某一特定介质，其介质属性与煤岩体 损伤大小直接相关。 本文基于岩体损伤力学、渗流力学等相关理论，针对煤岩体损伤破坏特征， 引入了以应变为内变量的损伤变量，推导了相应的弹性损伤本构方程，并基于有 效应力原理，推导了气固耦合作用下损伤煤岩体变形控制方程。另根据煤岩体损 伤度的大小确定煤体中瓦斯运移的基本形态，即扩散运动、渗流运动、扩散渗流 耦合运动，建立了气固耦合作用下损伤煤岩体瓦斯渗流控制方程，定义了与损伤 变量相关的气固耦合变量。在此理论基础上，论文推导了可计算煤岩体损伤和瓦 斯流动的有限元基本方程，并利用 FORTRAN 语言完成了相应的损伤煤岩体气 固耦合作用分析有限元程序开发。 本文利用此程序对三个工程算例进行了数值计 算，主要内容及结论如下 （1）对钻孔瓦斯抽放过程进行了数值模拟。计算结果表明随着瓦斯抽采 时间的增加，煤层渗透率逐渐增大，瓦斯逐步向钻孔流出，瓦斯抽采有效半径逐 渐增加。 （2）利用开发的有限元程序，对单一煤层开采过程进行了分析。结果表明 随工作面从 20m 推进到 100m，工作面前方煤体损伤范围也由 4.3m 增加到 33.5 m，损伤区内渗透率最大可增加 2-3 个量级；随工作面的推进，瓦斯流动影响范 围逐渐增大，工作面前方的瓦斯压力及其梯度逐渐减小。 （3）利用开发的有限元程序，计算分析了乌兰煤矿双保护层条件下被保护 层损伤场及渗流场的分布及演化规律。计算结果表明保护层开采后，采空区下 部岩层出现膨胀裂隙，顶板岩层、被保护层出现张拉裂隙，产生较大损伤，煤岩 体渗透率显著增大，被保护层瓦斯卸压效果明显，瓦斯逐步由煤层流进岩层，有 利于岩层内对瓦斯进行抽采。 总的计算结果表明，本文建立的损伤分区气固耦合理论与实际工程更加相 符。 该论文有图 36 幅，表 7 个，参考文献 104 篇。 关键词关键词损伤；气固耦合；渗透率；有限元 万方数据 II Abstract As the drilling or excavation disturbance coal, coal- rock experience from around the unperturbed state to produce the original injury, fractured extended until the coal crushing stages, structural properties, mechanical behavior and flow characteristics of coal nature have taken place changes, coal can not be simply seen as a particular medium, medium coal and rock properties directly related to lesion size. Based on rock mechanics, fluid mechanics, and other related theories, damage and fracture characteristics for the coal and rock, introducing strain injury variables within variables derived corresponding elastic damage constitutive equations, and based on the effective stress principle, derived under the gas-solid coupling damage coal and rock deation equations. Also according to the size of coal and rock to determine the degree of damage in the basic of coal gas migration, namely the proliferation of sports, sports seepage, and seepage diffusion coupled motion, the establishment of a gas-solid coupling of gas seepage under the coal and rock damage control equation defines gas-solid coupling variables associated with the damage variable. Based on this theory, the paper is derived to calculate the gas flow in coal and rock damage the basic equations and finite element and using FORTRAN language to complete the corresponding gas-solid coupling analysis of coal and rock damage finite element program development. In this paper, the use of this program for three projects carried out numerical examples 1 For gas drainage drilling process was simulated. The results show that with the increase of gas pumping time of mining, coal seam permeability increases, gradual outflow of gas to drilling, gas drainage effective radius increased. 2 The use of finite element program developed for a single seam mining process was analyzed. The results show that with the face advance from 20m to 100m, work injury front side coal scope of 4.3m to 33.5m, the maximum damage in the region to increase the penetration of 2-3 orders of magnitude; with the face forward, gas the scope of the flow increases, the work front side of the gas pressure and its gradient decreases. 3 The use of finite element program developed, calculated and analyzed by a protective layer damage distribution and evolution of the field and seepage field double protective layer under the conditions of Ulan Coal Mine. The results show that the protective layer after mining, the lower strata appear Gob expansion cracks, roof 万方数据 III strata, appears to be a protective layer of tension cracks, resulting in greater damage, significantly increased coal and rock permeability, is the effect of the protective layer of gas relief obviously, from the coal seam gas gradually flow into the rock, is conducive to the ation of the gas be drained. The overall results show that the paper establishes the gas-solid coupling theory and damaged partitions is more consistent with the actual project. This dissertation includes 36 figures, 7 tables and cites 104 references. Keywords damage; Gas-solidcoupling; Permeability; the finite element 万方数据 V 目 录 目 录 摘摘 要要 ........................................................................................................................... I 目 录目 录 .......................................................................................................................... V 图清单图清单 ........................................................................................................................ IX 表清单表清单 ........................................................................................................................ XI 变量注释表变量注释表 ............................................................................................................... XII 1 绪 论1 绪 论 ......................................................................................................................... 1 1.1 研究背景及意义..................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状..................................................................................................... 2 1.3 研究内容与方法..................................................................................................... 9 1.4 研究的技术路线................................................................................................... 10 2 含瓦斯损伤煤岩体变形与瓦斯流动气固耦合控制方程2 含瓦斯损伤煤岩体变形与瓦斯流动气固耦合控制方程 ..................................... 11 2.1 引言....................................................................................................................... 11 2.2 含瓦斯损伤煤岩体变形场控制方程................................................................... 11 2.3 含瓦斯损伤煤岩体瓦斯运移规律....................................................................... 15 2.4 气固耦合模型的数值解法................................................................................... 20 2.5 气固耦合作用下损伤煤岩体渗流规律分析有限元程序的开发....................... 24 2.6 本章小结............................................................................................................... 24 3 单一煤层采动过程中损伤演化特征及瓦斯流动规律分析3 单一煤层采动过程中损伤演化特征及瓦斯流动规律分析 ................................. 27 3.1 引言....................................................................................................................... 27 3.2 模型的建立........................................................................................................... 27 3.3 计算结果及分析................................................................................................... 30 3.4 本章小结............................................................................................................... 37 4 钻孔抽采瓦斯气固耦合分析4 钻孔抽采瓦斯气固耦合分析 ................................................................................. 37 4.1 引言....................................................................................................................... 38 4.2 计算模型及参数.................................................................................................... 38 4.3 计算结果及分析................................................................................................... 40 4.4 本章小结............................................................................................................... 46 5 保护层开采过程中瓦斯流动规律分析5 保护层开采过程中瓦斯流动规律分析 ................................................................. 47 5.1 引言....................................................................................................................... 47 万方数据 VI 5.2 模型概况............................................................................................................... 47 5.3 计算结果及分析................................................................................................... 49 5.4 本章小结............................................................................................................... 57 6 结论与展望6 结论与展望 ............................................................................................................. 58 6.1 结论....................................................................................................................... 58 6.2 展望....................................................................................................................... 59 参考文献参考文献 ..................................................................................................................... 60 作者简历作者简历 ..................................................................................................................... 66 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 ................................................................................................. 67 学位论文数据集学位论文数据集 ......................................................................................................... 68 万方数据 VII Contents Abstract ........................................................................................................................ II Contents .................................................................................................................... VII List of Figures ............................................................................................................ IX List of Tables .............................................................................................................. XI List of Variables........................................................................................................ XII 1 Introduction ............................................................................................................... 1 1.1 Background and Significance .................................................................................. 1 1.2 Research Status at Home and Abroad ...................................................................... 2 1.3 Research Contents and Approaches ......................................................................... 9 1.4 Technical Scheme .................................................................................................. 10 2 Deation and Gas-solid Coupled Equations of the Damaged Gassy Coal-rock .................................................................................................................... 11 2.1 Introduction ............................................................................................................ 11 2.2 Governing Equation of Damaged Gassy Coal-rock Deation ......................... 11 2.3 Gas Migration Law of Damaged Gassy Coal-rock ................................................ 15 2.4 Numerical Solution of Gas-solid Coupled Model ................................................. 20 2.5 Development of the Finite Element Program for Gas Permeat Rules in Damaged Coal-rock under Gas-solid Couple ............................................................................... 24 2.6 Summary ................................................................................................................ 24 3 Damage Evolution and Gas Flow Rules in Single Coal Seam Mining Process . 27 3.1 Introduction ............................................................................................................ 27 3.2 Establishment of Model ......................................................................................... 27 3.3 Results and Analysis .............................................................................................. 30 3.4 Summary ................................................................................................................ 37 4 Gas Drainage Drilling Gas-solid Coupling Analysis ............................................ 38 4.1 Introduction ............................................................................................................ 38 4.2 Model and Parameters ............................................................................................ 38 4.3 Results and Analysis .............................................................................................. 40 4.4 Summary ................................................................................................................ 46 5 Analysis of Gas Flow Rules in Protective Seams Mining .................................... 47 万方数据 VIII 5.1 Introduction ............................................................................................................ 47 5.2 Numerical Model ................................................................................................... 47 5.3 Results and Analysis ..........................