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三维采动应力条件下煤层覆岩及底板 裂隙场演化规律与瓦斯运移特征研究 重庆大学硕士学位论文 （学术学位） 学生姓名韩佩博 指导教师尹光志 教 授 专 业采矿工程 学科门类工 学 重庆大学资源及环境科学学院 二 O 一五年十月 万方数据 万方数据 Fracture Evolution Law and Gas Migration Characteristic of Overburden and Underlying Strata in Three Dimensional Mining-induced Stress Conditions A Thesis ted to Chongqing University in Partial Fulfillment of the Requirement for the Master’s Degree of Engineering By HAN Peibo Supervised by Prof. YIN Guangzhi SpecialtyMining Engineering College of Resources and Environmental Science of Chongqing University, Chongqing, China October 2015 万方数据 万方数据 中文摘要 I 摘 要 在煤矿开采活动中，煤层开采后顶底板岩层应力状态发生变化，工作面推进 一定距离后采空区顶底板岩层产生弯曲、变形、剪切破坏，各岩层由于抗弯刚度 不同引起的变形不协调，导致离层裂隙与纵向破断裂隙出现，形成顶底板围岩裂 隙场。形成的采动裂隙场为工作面、采空区遗煤、邻近层涌出的瓦斯提供了积聚 的空间，从而影响了采空区瓦斯的赋存、运移状态。国内外学者对采空区围岩裂 隙场的研究多以物理平面相似模型实验及数值模拟为基础，但在实际的开采活动 中，煤系地层处于复杂多变的三维应力状态，因此开展三向不等采动应力条件下 裂隙场的演化规律研究具有重要意义。本文基于三维相似开采模拟试验和 COMSOL 数值模拟相结合的方法，对煤层围岩的采动应力变化规律、裂隙场演 化规律及瓦斯运移特征进行研究，取得了以下主要研究成果 ①利用重庆大学自主研制的“多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统”， 通过加热电热片熔化石蜡的方法模拟煤层开采过程，实现了三维应力条件下煤层 开采过程的模拟实验； ②以川煤集团白胶煤矿 2481 工作面为原型，进行了三维采动应力条件下的 相似模拟开采试验，得出了底板岩层的动态应力特征、弯曲变形规律、裂隙分布 特征及底板采动破坏深度等变化规律； ③以平煤十矿己15煤层24080工作面为原型，进行了三维采动应力条件下的 相似模拟开采试验，揭示了上覆岩层的动态应力特征、岩层移动规律、裂隙分布 形态等变化规律； ④根据分形几何理论，通过对覆岩裂隙进行统计，得到了覆岩裂隙分形维数 的变化规律； ⑤基于三向采动应力条件下形成的覆岩裂隙场空间分布特征，建立了三维数 值模型，并利用 COMSOL Multiphysics 多场耦合软件进行了数值模拟，揭示了采 空区瓦斯的运移规律。 关键词关键词覆岩及底板，采动条件，三向不等应力，裂隙演化，瓦斯运移 万方数据 重庆大学硕士学位论文 II 万方数据 英文摘要 III ABSTRACT In coal mining process, stress conditions of goaf overburden and underlying strata changed after mining, and stratas produced bending，deation and shear failure with the advancing of working face. Different bending stiffness of strata caused inconsistent deation and result in appearance of lateral bed-sperated fissures and vertical cross-measure cracks, thus ed fracture zone of overburden and underlying strata. Fracture zone provided occurrence space for gas from working face, goaf and Adjacent layers, thus influencing the occurrence and flow status of gas. The studies in the past were mostly based on 2-dimensional plane similar physical simulation model experipents and numerical simulation , while coal mining was in conditions of complex 3D stress, therefore the research of fracture zone evolution regularity in 3D mining stress condition is of great significance. In this article, through similar simulation experiment in 3D stress conditions and numerical simulation , researched mining damage regularity, fracture zone development characteristic and gas migration law. The concrete contents are as follows ① Using “Multi-field coupling of coal mine dynamic disaster simulation test system”, by powering on electric leaves to simulate coal seam mining process, carried out physical mining simulation experipent in 3D stress conditions; ② According to the geological data of 2481 working face in Baijiao coal mine of Sichuan Coal Industry Group, carried out simulation excavating experiment in 3D mining-induced stress condition and revealed the dynamic stress condition characteristics, deation regularity, fracture distribution characteristics and mining-induced damage depth of floor strata; ③ According to the geological data of 24080 working face in Pingdingshan coal mine, carried out 3D simulation excavating experiment and revealed the dynamic stress condition characteristics, strata deation movement rule and fracture distribution characteristics of overburden strata; ④ According to fractal geometry theory, to count up the overburden strata fracture and revealed fracture fractal dimension variation characteristics; ⑤ Based on fracture zone from coal seam excavation experiment in 3D mining-induced stress conditions, set up the 3D numerical simulation model and used COMSOL Multiphysics software to carry out numerical simulation and revealed the 万方数据 重庆大学硕士学位论文 IV gas migration characteristics. Key words overburden and underlying stratas, mining conditions, three dimensional stress, fracture evolution, gas migrition 万方数据 目 录 V 目 录 中中文摘要文摘要 ........................................................................................................I 英文摘要英文摘要 .................................................................................................... III 目目 录录 ...................................................................................................... V 1 绪绪 论论 ..................................................................................................... 1 1.1 研究意义研究意义 ................................................................................................................................ 1 1.2 研究现状研究现状 ................................................................................................................................ 2 1.2.1 底板岩层采动破坏规律研究现状 ............................................................................ 2 1.2.2 上覆岩层采动裂隙场演化及瓦斯运移规律研究现状 ............................................. 4 1.2.3 数值模拟技术在采矿工程中的应用 ........................................................................ 5 1.2.4 煤矿保护层开采方法研究现状 ................................................................................ 6 1.3 研究内容、方法及技术路线研究内容、方法及技术路线 ................................................................................................ 7 1.3.1 主要研究内容与方法 ................................................................................................ 7 1.3.2 技术路线 .................................................................................................................... 8 2 底板岩层采动破坏规律的三维模拟试验研究底板岩层采动破坏规律的三维模拟试验研究 .................................. 11 2.1 相似实验原理相似实验原理 ..................................................................................................................... 11 2.1.1 相似模型实验 .......................................................................................................... 11 2.1.2 相似理论 .................................................................................................................. 11 2.2 矿区地质概况矿区地质概况 ...................................................................................................................... 13 2.2.1 矿区位置 .................................................................................................................. 13 2.2.2 矿区煤层 .................................................................................................................. 14 2.2.3 工作面地质情况 ...................................................................................................... 15 2.3 相似模拟实验相似模拟实验 ..................................................................................................................... 18 2.3.1 实验装置 .................................................................................................................. 18 2.3.2 模型相似比的确定 .................................................................................................. 21 2.3.3 实验模型制作 .......................................................................................................... 22 2.3.4 实验过程 .................................................................................................................. 24 2.4 实验结果及分析实验结果及分析 ................................................................................................................. 25 2.4.1 底板应力监测及特征 ............................................................................................... 26 2.4.2 底板纵向破断裂隙分布特征 .................................................................................. 27 2.4.3 底板岩层弯曲变形特征 .......................................................................................... 29 2.4.4 底板离层裂隙分布特征 .......................................................................................... 30 2.4.5 底板裂隙带划分及最大破坏深度的确定 .............................................................. 31 万方数据 重庆大学硕士学位论文 VI 2.5 本章小结本章小结 ............................................................................................................................. 31 3 上覆岩层采动裂隙场演化规律的三维模拟试验研究上覆岩层采动裂隙场演化规律的三维模拟试验研究 ...................... 33 3.1 矿区地质概况矿区地质概况 ...................................................................................................................... 33 3.1.1 矿区位置 .................................................................................................................. 33 3.1.2 矿区煤层 .................................................................................................................. 34 3.2 相似模拟实验相似模拟实验 ..................................................................................................................... 36 3.2.1 实验装置 .................................................................................................................. 36 3.2.2 模型相似比的确定 .................................................................................................. 36 3.2.3 实验模型制作 .......................................................................................................... 37 3.2.4 实验过程 .................................................................................................................. 38 3.3 实验结果及分析实验结果及分析 ................................................................................................................. 40 3.3.1 上覆岩层应力监测及特征 ....................................................................................... 40 3.3.2 上覆岩层竖直切面裂隙的分布特征 ....................................................................... 42 3.3.3 上覆岩层水平切面裂隙的分布特征 ....................................................................... 45 3.3.4 上覆岩层裂隙场数值模型的建立 ........................................................................... 48 3.3.5 上覆岩层裂隙分布的平面量化统计 ....................................................................... 49 3.3.6 上覆岩层裂隙分布的分形研究 ............................................................................... 51 3.4 本章小结本章小结 ............................................................................................................................. 53 4 上覆岩层采动裂隙场的瓦斯运移数值模拟研究上覆岩层采动裂隙场的瓦斯运移数值模拟研究 .............................. 55 4.1 COMSOL Multiphysics 数值模拟软件介绍数值模拟软件介绍 .................................................................... 55 4.2 覆岩采动裂隙场覆岩采动裂隙场数值模型的建立及边界条件的确定数值模型的建立及边界条件的确定 ...................................................... 55 4.3 覆岩采动裂隙场瓦斯运移数值模拟的控制方程覆岩采动裂隙场瓦斯运移数值模拟的控制方程 .............................................................. 56 4.3.1 采空区变密度混合组分输运方程 ........................................................................... 56 4.3.2 裂隙内瓦斯 RNG k-ε 湍流流动方程 ...................................................................... 57 4.3.3 岩石多孔介质内瓦斯运移方程 .............................................................................. 58 4.4 覆岩采动裂隙场瓦斯运移规律数值模拟实验结果覆岩采动裂隙场瓦斯运移规律数值模拟实验结果 ......................................................... 58 4.4.1 覆岩裂隙场内瓦斯压力随时间变化的分布规律 .................................................. 58 4.4.2 覆岩裂隙场不同高度的瓦斯浓度分布规律 .......................................................... 60 4.4.3 覆岩裂隙场不同走向区域的瓦斯压力与流场分布规律 ...................................... 62 4.5 本章小结本章小结 ............................................................................................................................. 64 5 结论与展望结论与展望 ........................................................................................... 67 5.1 结论结论 ..................................................................................................................................... 67 5.2 展望展望 ..................................................................................................................................... 68 致致 谢谢 ..................................................................................................... 69 万方数据 目 录 VII 参考文献参考文献 ..................................................................................................... 71 附附 录录 ..................................................................................................... 75 A作者在攻读硕士学位期间的科研情况作者在攻读硕士学位期间的科研情况 ............................................................................. 75 B作者在攻读硕士学位期间发表论文情况作者在攻读硕士学位期间发表论文情况 ......................................................................... 75 C作者在攻读硕士学位期间参与申请的专利作者在攻读硕士学位期间参与申请的专利 ..................................................................... 75 万方数据 重庆大学硕士学位论文 VIII 万方数据 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 研究意义 煤炭被人们誉为“黑色的金子”、“工业的粮食”，是十八世纪以来人类世 界使用的主要能源之一。对于现代化工业来说，无论是重工业，还是轻工业；无 论是能源工业、冶金工业、化学工业、机械工业，还是轻纺工业、食品工业、交 通运输业，煤炭都发挥着不看代替的作用，各种工业部门都在一定程度上要消耗 一定量的煤炭。煤炭是地球上蕴藏量最丰富，分布地域最广的化石燃料，据世界 能源委员会的评估，世界煤炭可采资源量达 4.84 104亿吨标准煤，占世界化石燃 料可采资源量的 66.8，其中，中国煤炭探明的可采储量位居世界第三位。2014 年我国煤炭产量达 38.7 亿吨，居世界第一位，煤炭生产在国民经济发展中具有举 足轻重的地位。 矿井瓦斯（甲烷）是在煤的生成和煤的变质过程中伴生的气体，是严重威胁 煤矿安全生产的主要因素之一。根据资料统计，从全国的情况来看，煤矿一次死 亡 10 人以上的特大事故中有 70以上为瓦斯灾害事故，建国以来全国煤矿共发 生 22 起一次死亡百人以上的特别重大事故， 其中瓦斯灾害事故占 20 起。 矿井瓦 斯已经成为我国煤矿的第一大“杀手”。由矿井瓦斯引起的井下事故主要为瓦斯 爆炸和煤与瓦斯突出事故，对井下工作人员的生命安全造成了严重威胁，破坏井 下设施，导致矿井停产、报废，并需要投入大量人力物力进行抢险救灾及重建。 我国煤炭开采约 90的产量属于井工开采，煤层赋存及开采条件复杂，50以上 的是高瓦斯煤层，44以上的是高突矿井。随着大量的矿井逐渐进入深部开采， 矿井瓦斯对煤矿开采造成了严重的威胁， 加强对瓦斯灾害的治理是保障矿井安全、 高效生产的必要前提。 采取保护层开采方法是预防矿井瓦斯灾害的有效手段，被广泛用于煤与瓦斯 突出矿井煤层群开采。我国煤矿安全规程中明确规定“在开采具有煤与瓦 斯突出的煤层群时，必须首先开采保护层，开采保护层后，在被保护层中受到保 护的区域按无煤与瓦斯突出危险性煤层开采，在未受到保护的区域应该采取防治 突出措施”[1]。保护层开采的目的是对被保护层卸压，释放被保护层的弹性潜能， 增大煤层的透气性， 有利于瓦斯的运移和解吸， 降低被保护层的瓦斯含量及内能。 煤层开采后，采空区上方顶板岩层自下而上产生弯曲、变形、剪切破坏并垮 落，在竖直方向上形成“竖三带”，即顶板垮落带、断裂带及弯曲下沉带[2-3]；各 岩层由于抗弯刚度不同引起的变形不协调，导致离层裂隙与纵向破断裂隙出现， 从而形成了煤层顶板裂隙场；与此同时，采空区底板岩层在纵向支承应力的剪切 万方数据 重庆大学硕士学位论文 2 作用和水平应力的挤压作用影响下发生断裂、膨胀、弯曲变形及离层，从而形成 了煤层底板裂隙场。在煤层上保护层开采中，保护层的开采引起周围地应力重新 分布，使得采动影响范围内底板岩层产生不同程度的损伤变形、断裂破坏等，上 保护层开采引起底板岩层采动裂隙场的形成，构成瓦斯流动的通道，从而大大提 高保护层底板岩层及被保护煤层的透气性；在煤层下保护层开采中，同样可通过 上覆岩层的卸压作用和裂隙场的形成来增加被保护层的透气性，进一步再通过钻 孔抽采等方法实现对被保护层瓦斯灾害的预防。保护层开采引起了煤层顶、底板 岩层采动裂隙场的形成， 为瓦斯的解吸和排放创造了条件， 提高了瓦斯流动能力， 同时采空区瓦斯裂隙场也为逸散瓦斯提供了积聚的空间，达到防治矿井瓦斯灾害 的目的。因此，开展煤层顶、底板围岩采动裂隙场演化规律及瓦斯运移规律的研 究具有重要意义。 综上所述，煤炭生产在国民经济发展中具有举足轻重的地位，而瓦斯灾害直 接妨碍了煤矿的正常生产，阻滞了煤炭工业的持续、健康、稳定发展，而开展煤 层上覆岩层与底板围岩采动裂隙场演化规律及瓦斯运移特征的研究对矿井瓦斯灾 害的预防具有重要意义。因此，本文通过三维应力条件下的相似模拟实验与数值 模拟计算相结合的方法，对煤层围岩的采动破坏规律、裂隙场演化规律及瓦斯运 移特征进行研究。 1.2 研究现状 1.2.1 底板岩层采动破坏规律研究现状 在煤矿生产过程中，煤层开采之前岩体处于应力平衡状态，煤层开采以后岩 层应力状态重新分布，同时采空区为岩体的移动提供了自由空间，造成底板岩层 弯曲变形和断裂破坏。 相比煤层上覆岩层，对底板岩层的采动破坏规律的研究起步较晚。前苏联斯 列萨列夫[4]在 1948 年首先对煤层底板的岩体进行了理论分析， 把煤层底板简化为 两端固支，受均布荷载作用的梁，分析了其变形破坏形式。刘天泉[5]在 1981 年提 出了煤层采空区底板岩层破坏的“下三带”概念，即鼓涨开裂带、微小变形与移 动带和应力微变化带。 李白英[6]和施龙青[7-10]在矿井底板突水灾害的防治方面分别 提出了采动煤层底板的“下三带”和“下四带”划分理论。 “下三带”理论指出 开采煤层底板岩层也与采动覆岩类似存在着“三带”划分，称之为“下三带”以 示区别，从煤层底面至含水层顶面分为底板导水破坏带、保护带、承压水导升 带。施龙青则从现代损伤力学及断裂力学理论出发,提出采场底板的“四带”理 论，将采场底板划分成 4 个组成带矿压破坏带、新增损伤带、原始损伤带和原 始导高带。在承压水上安全开采评价及防治矿井底板突水灾害中起了重要作用。 万方数据 1 绪 论 3 张金才、刘天泉[11]及施龙青[12-13]分别提出了煤层采动底板破坏深度的理论计 算公式。前者根据弹性理论和塑性滑移线场理论，以底板岩体产生塑性变形而破 坏的假设为前提，求出了底板最大裂隙带的计算公式 H0.294Lx0.81 1.1 其中 H 为底板破坏深度，Lx为采场工作面斜长。 后者根据断裂力学、岩石力学及矿山压力控制理论，进行理论推导得出矿压 破坏带的理论计算公式 H59.88Kmax γH／σ1 1.2 其中 H 为底板破坏深度，Kmax为矿山压力最大集中系数；γ 为上覆岩层容重； σ1