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全日制硕士学位论文 申请人姓名 陈 帅 指 导 教 师 高建良 教授 学 位 类 别 工学硕士 专 业 名 称 安全科学与工程 研 究 方 向 矿井通风理论与技术 河南理工大学安全科学与工程学院河南理工大学安全科学与工程学院 二○二○一一五五年年六六月月 采空区覆岩冒落及孔隙率分布规律研究采空区覆岩冒落及孔隙率分布规律研究 The Study of Caving of Overburden Rock and the Distribution Law of Porosity in the Goaf 采 空 区 覆 岩 冒 落 及 孔 隙 率 分 布 规 律 研 究 陈 帅 河 南 理 工 大 学 万方数据 中图分类号中图分类号TD325 密密 级公开级公开 UDC622 单位代码单位代码10460 采空区覆岩冒落及孔隙率分布规律研究 The Study of Caving of Overburden Rock and the Distribution Law of Porosity in the Goaf 申请人姓申请人姓名名 陈帅陈帅 申请学位申请学位 工学硕士工学硕士 学 科 专学 科 专 业业 安全科学与工程安全科学与工程 研究方向研究方向 矿井矿井通风理论与技术通风理论与技术 导导 师师 高建良高建良 职职 称称 教授教授 提 交 日提 交 日 期期 2015.04 答辩日期答辩日期 2015.06 河南理工大学 万方数据 河南理工大学河南理工大学 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 采空区覆岩冒落及孔隙率分布规律研 究 ，是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特 别加以标注和致谢的地方外，不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过 的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声 明并表示了谢意。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名学位论文作者签名 年年 月月 日日 河南理工大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 河南理工大学河南理工大学 有权保留并向国家有关部门或机 构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 河南理工大河南理工大 学学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播， 可以采 用影印、缩印或扫描等手段保存、汇编、出版本学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书。保密的学位论文在解密后适用本授权书。 学位论文作者签名学位论文作者签名 指导教师签名指导教师签名 年年 月月 日日 年年 月月 日日 万方数据 致致 谢谢 本文是在导师高建良教授的亲切关怀和悉心的指导下完成的，没有导师的宏 观把握和细心辅导，论文是不可能顺利完成的。在三年的求学生涯中，高老师的 谆谆教导使我受益匪浅。在生活中，高老师教育我们要有积极、不骄不躁的处世 态度，鼓励我们不断学习与进步。学习上，高老师注重培养我们独立思考的能力， 并在忙碌的工作之余抽出时间为我们耐心解惑。高老师用严谨的治学态度、对科 研探索的执着和宽厚待人的高尚人格魅力深深地感染着我，这将指导着我今后人 生奋斗的方向，在此谨向恩师致以我最衷心的感谢和最崇高的敬意 其次，感谢河南理工大学，在七年的大学生活中为我提供了舒适的学习环境 与良好的校园氛围，也使我在校园里结识了很多朋友同时我还要感谢安全科学 与工程学院的领导及各位老师多年来对我孜孜不倦的教诲感谢杨明老师、张学 博老师在学习及生活上给予我的指导和关爱 感谢李振峰、靳晓敏、陈冲冲、闫潮和刘亚军师兄，感谢他们在我生活与学 习过程中给予的帮助，让我不断的进步与成长。 感谢三年来一直陪伴我的张玉莹、王立峰、刘明信、张帆、雷岩杰同学，在 学习中我们能互勉互励，生活中互帮互爱，研究生期间与他们一起度过，我感到 莫大的荣幸。感谢师弟丁伟龙、庄龙宇、王国伟、赵亚光和师妹姚岚、张聪慧， 是他们让我的生活增添了更多的快乐 感谢能源学院袁瑞甫老师和焦振华师兄，感谢你们数值软件学习与使用方面 为我提供的指导与帮助。 感谢我的舍友陈晓利、刘静、卢伟，是她们让我感受到宿舍的温馨与快乐。 感谢他们的朝夕相处 在此我还要感谢我的家人，尤其是我的父亲和母亲，感谢他们的默默支持与 鼓励，感谢他们为我付出的一切，让我能够得到良好的学习机会 最后，感谢各位专家和老师在百忙之中抽出宝贵的时间审阅本文，在此向你 致以最诚挚的谢意也敬请各位专家老师提出宝贵的意见，我将在以后的工作和 学习中努力完善 万方数据 摘摘 要要 采空区是由遗煤与破碎岩石堆积形成的多孔介质区域，其内部气体流场分布 主要受采空区孔隙率及渗透率的影响，而孔隙率与渗透率是由采空区覆岩冒落下 沉规律决定的。因此，分析采空区覆岩随开采变化的冒落规律及三维空间孔隙率 分布规律，对研究采空区流场分布规律有重要指导意义。 本文以王庄煤矿井田地质概况为研究背景，结合岩体质量评价方法，得到各 岩层的节理间距及岩体力学参数。采用 CDEM 软件对 8101 工作面进行数值模拟， 确定了采空区“竖三带”的分布范围采空区冒落带范围为 023m，裂隙带范围 为 2560m，并与经验公式计算和现场高位钻孔考察结果进行对比，结果表明模拟 得到的覆岩“竖三带”范围与工程实际接近，验证了节理间距和岩体力学参数确 定的合理性。 通过建立采空区三维物理模型，模拟三维空间条件下采空区覆岩冒落过程， 在模型中沿工作面走向、倾向分别取剖面进行分析当工作面推进 500m 时，各岩 层下沉量均已基本稳定，岩层下沉量达到最大，随着距工作面和煤壁距离的增加， 岩层下沉量越大；靠近工作面及煤壁附近，由于受煤壁支撑的影响，下沉量明显 减小；沿采空区竖直方向，岩层从下往上下沉量逐渐减小。 结合得到的采空区各岩层下沉量，计算得到采空区孔隙率的表达式，并利用 MATLAB 软件拟合得出采空区三维空间孔隙率分布图，结果表明沿采空区走向 方向，孔隙率随距工作面距离的增大逐渐变小，最大可达到 0.3，当距工作面距离 大于 100m 时，孔隙率基本不再变化；沿采空区竖直方向，孔隙率从下往上逐渐减 小，但在远离工作面及煤壁处，冒落带范围孔隙率小于裂隙带孔隙率。将三维空 间孔隙率分布导入 Fluent 软件中，模拟工作面及采空区流场分布规律，得到的上 隅角瓦斯浓度和工作面两端压差与实测结果接近，验证了数值模拟得到的三维空 间孔隙率分布的合理性，为进一步研究采空区流场分布研究提供了理论依据。 关键词关键词采空区；覆岩冒落；孔隙率；岩体力学；CDEM 软件 万方数据 ABSTRACT Goaf is a porous media regional ed by the residual coal and broken rock, its internal gas flow field distribution is mainly affected by porosity and permeability of goaf, and porosity and permeability is determined by the caving subsidence law of overburden rock. Therefore, analyze the caving law and three-dimensional porosity distribution rule of the overburden rock with mining, has the important guiding significance in the research of distribution law of flow field in goaf. The research background of this paper is the general geology of Wangzhuang coal mine, combine with the rock mass quality classification, calculate that joint spacing and rock mass mechanical parameters of each strata. Using the CDEM software to simulate the 8101 working face, determine the distribution range of goaf “vertical three zones“ the range of caving zone is about 025m; and the range of the fractured zone is about 2565m, and compare the simulation result with the calculation results by empirical ula and investigation results by the high level borehole. The comparison result of our investigation shows that the numerical simulation is more tally with the investigation of actual situation, the study verifies the rationality of joint spacing and rock mass mechanical parameters. Establish the three-dimensional physical model according to the actual situation of goaf, then this paper simulate the movement of overburden strata under the mining conditions of three-dimensional space, then we take the different profiles along the trend and tendency of the working face in the model ,and analyze the breaking and caving law of the overburden with gradual promotion of the working face, the overlying strata began to rupture, when the working face is advanced 500m, the subsidence of strata have been basically stable, reach the maximum, the subsidence of strata increased with the increase of the distance from the working face and coal wall; near the working face and coal wall, due to the strutted influence of the coal wall, the subsidence is obviously reduced; Along the vertical direction of goaf, the strata subsidence is decreased from the bottom up. Combine with the subsidence of the strata, calculate that expression of porosity in goaf, and then we fit distribution map of the porosity in three-dimensional space by the 万方数据 IV MATLAB software, the results showed that Along the trend direction of goaf, the is reduced with the increase of the distance from the working face, the maximum can reach 0.3, when the distance is more than 100m, the porosity keeps invariant; Along the vertical direction of goaf, the porosity is decreased from the bottom up，but when it is far from the working face and coal wall , the porosity in caving zone is smaller than that in fractured zone. Then we apply the expression of porosity to the Fluent software, the distribution law of flow field in goaf is simulated, compare the numerical simulation results of the gas concentration in the upper corner and pressure difference of working face with the field test data, verifies the rationality of the goaf porosity which is calculated by numerical simulation, As the same time, the study also provides theoretical basis for further research on the distribution law of flow field in goaf. KeywordsGoaf; The caving of overburden rock; Porosity; Rock mechanics; CDEM software 万方数据 目目 录录 摘摘 要要 ............................................................................................................................... I ABSTRACT .................................................................................................................. III 目目 录录 ............................................................................................................................. V 1 绪论绪论 ............................................................................................................................... 1 1.1 选题背景及研究意义 ................................................................................................ 1 1.2 国内外研究现状 ........................................................................................................ 2 1.2.1 采动覆岩破断与冒落规律研究 ................................................................................................. 2 1.2.2 采空区孔隙率研究现状 ............................................................................................................. 5 1.3 本文研究内容、方法和意义 .................................................................................... 7 1.3.1 研究内容 ..................................................................................................................................... 7 1.3.2 研究方法 ..................................................................................................................................... 7 1.3.3 研究意义 ..................................................................................................................................... 8 2 岩石力学理论与覆岩冒落数值模拟理论基础岩石力学理论与覆岩冒落数值模拟理论基础 ........................................................... 9 2.1 岩石的力学性质 ........................................................................................................ 9 2.1.1 岩石的强度性质 ......................................................................................................................... 9 2.1.2 岩石的变形性质 ....................................................................................................................... 10 2.2 有限单元法 .............................................................................................................. 12 2.2.1 有限单元法的基本原理 ........................................................................................................... 12 2.2.2 有限单元法的基本步骤 ........................................................................................................... 12 2.3 离散单元法 .............................................................................................................. 13 2.3.1 离散单元法的基本原理 ........................................................................................................... 13 2.3.2 离散单元法的基本方程 ........................................................................................................... 14 2.4CDEM 软件介绍 ....................................................................................................... 15 2.4.1CDEM 软件的基本功能 ............................................................................................................ 16 2.4.2CDEM 软件特色 ........................................................................................................................ 16 2.5 本章小节 .................................................................................................................. 17 3 数值模拟岩体力学参数的选取与验证数值模拟岩体力学参数的选取与验证 ..................................................................... 19 3.1 王庄矿地质概况 ...................................................................................................... 19 万方数据 VI 3.2 岩体力学参数的确定 ............................................................................................... 22 3.2.1 岩石质量评价方法 ................................................................................................................... 22 3.2.2 岩石力学参数的确定 ............................................................................................................... 23 3.2.3 节理间距与节理力学参数的确定 ........................................................................................... 24 3.3 工作面采动覆岩岩体力学参数验证 ....................................................................... 25 3.3.1 采空区物理模型建立 ............................................................................................................... 25 3.3.2 采空区覆岩三带数值模拟分析 ............................................................................................... 26 3.3.3 经验公式计算 ........................................................................................................................... 29 3.3.4 高位钻孔抽采效果考察 ........................................................................................................... 29 3.3.5 岩体力学参数验证结果分析 ................................................................................................... 31 3.4 本章小结 ................................................................................................................... 32 4 采空区三维孔隙率分布规律研究采空区三维孔隙率分布规律研究 .............................................................................. 33 4.1 采空区覆岩冒落规律数值模拟研究 ....................................................................... 33 4.1.1 工作面概况及物理模型建立 ................................................................................................... 33 4.1.2 采空区覆岩冒落规律研究 ....................................................................................................... 35 4.2 采空区孔隙率分布规律研究 ................................................................................... 36 4.2.1 破碎岩体孔隙率研究 ............................................................................................................... 36 4.2.3 三维空间岩层下沉量的计算 ................................................................................................... 37 4.2.3 三维空间孔隙率的分布计算 ................................................................................................... 38 4.3 孔隙率分布的验证及应用 ....................................................................................... 40 4.4 本章小结 ................................................................................................................... 43 5 结论与展望结论与展望 .................................................................................................................. 45 5.1 主要结论 ................................................................................................................... 45 5.2 展望 ........................................................................................................................... 45 参考文献参考文献 ......................................................................................................................... 47 作者简历作者简历 ......................................................................................................................... 51 学位论文数据集学位论文数据集 ............................................................................................................. 53 万方数据 1 绪论 1 1 1 绪论绪论 1.1 选题背景及研究意义 煤是世界上最重要、最丰富的能源资源。据“BP Statistical Review of World Energy”2013 年 6 月数据统计，截止 2012 年初，世界煤炭探明储量为 8609.38 亿 吨，按目前世界煤炭年产量计算，可以开采 200 年左右。其中中国是世界上煤炭 资源最丰富的国家之一，目前煤炭探明总储量在 1145 亿吨以上，居世界前列，已 知含煤面积 55 万多平方米，而且煤种齐全，这为我国发展煤炭工业提供了必要资 源条件。在我国一次能源消费结构中，煤炭占 75以上。煤炭工业发展的快慢， 将直接影响到国计民生[1]。 由于我国煤层的赋存条件多种多样，煤矿开采条件比较复杂，导致我国成为 世界上煤矿灾害严重、灾害多的国家。我国煤矿主要灾害有瓦斯灾害、顶板灾 害、矿井火灾、水害、冲击地压、尘害、热害等。据统计，1949 年至 2012 年期间 我国煤矿发生死亡 100 人以上重大事故 25 起，死亡 3954 人。其中瓦斯爆炸、瓦 斯煤尘爆炸、煤尘爆炸、煤与瓦斯突出 22 起，死亡 3549 人。事故起数和死亡人 数分别占 88和 89.76。中国是世界上瓦斯灾害最严重的国家，中国的煤与瓦斯 总次数占世界突出总数的 1/3 以上，其中最大的一次突出中突出煤炭和岩石量 12780 吨、瓦斯 150 万 m3[2]。由此可见瓦斯是我国煤矿安全的第一杀手，造成大量 人员伤亡和巨大的财产损失,因此，预防瓦斯灾害对煤炭工业的健康持续发展，具 有重要意义。 瓦斯积聚是形成瓦斯事故的重要原因，所谓瓦斯积聚是指采掘工作面及其它 地点，体积大于0.5m3的空间内积聚的瓦斯浓度达到2[3]。巷道中瓦斯积聚一般发 生在采煤工作面上隅角、停风的巷道、低风速的顶（底）板附近、巷道高冒区等 地点[4]。工作面瓦斯涌出主要有以下三个来源采煤工作面煤壁及落煤的瓦斯；采 空区中来自遗煤、邻近层煤（岩）层和岩石的瓦斯、进回风巷中来自输送机运煤 和巷中瓦斯。其中采空区瓦斯涌出在工作面瓦斯涌出构成中占据相当大的比例， 在开采过程中，煤层原有的高应力状态被破坏，导致吸附态瓦斯及邻近层瓦斯涌 向采空区，在工作面向采空区的漏风风流的影响下，采空区的瓦斯进入工作面， 在工作面上隅角形成瓦斯积聚，容易引起瓦斯爆炸。而又由于工作面向采空区的 漏风，为采空区提供大量的氧气，为遗煤自燃创造了必要条件。因此防治采空区 瓦斯对煤矿安全生产至关重要[5-7]。 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 2 采空区内流动场是一个包含湍流、层流、过渡流三者同时存在的非线性渗流 场[8-10]。采空区的流场分布受采空区覆岩冒落的影响，采空区是由遗煤和上方冒落 的破碎岩石形成的多孔介质区域，遗煤及顶板岩体的破碎与压实特性、采空区破 碎岩体的承压特性均影响了孔隙率与渗透率的大小及分布，而渗透系数是研究采 空区多孔介质渗流的关键计算参数，决定采空区多孔介质的属性并影响采空区风 流流场、瓦斯分布和运移等。 因此，研究采动覆岩破断与冒落规律、采空区破碎岩体多孔介质孔隙率分布 规律，进而深入研究采空区风流流场分布及瓦斯分布规律，对指导确定工作面合 理通风方式、优化采空区瓦斯抽采系统、提高回采工作面瓦斯防治效果、防治采 空区遗煤自然发火等具有重要的理论和现实意义。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 采动覆岩破断与冒落规律研究 20世纪以来，国内外学者对采动覆岩