瓦斯涌出量与矿压关系.ppt

瓦斯涌出量与矿压显现信息的相关性初探,在煤层开采过程中，围岩的破坏引起各种矿压显现信息；煤层的破坏引起瓦斯涌出量的异常变化。由于煤层的及其围岩的变形与瓦斯在煤层中的运移（吸附/解吸、扩散、对流和渗流）之间存在耦合作用，瓦斯涌出量与矿压显现信息之间必然存在某种程度的关联性。,,2009科学采矿论坛焦作,煤层的开采引起围岩的位移、破坏，围岩的破坏反过来引起煤层孔隙裂隙结构、解吸特性、扩散系数和渗透特性的变化，从而引起瓦斯运移（解吸、扩散、对流和渗流）速度和涌出量变化。在煤层围岩的大幅移动和破坏过程中，矿压将以不同方式显现出来。因此，矿压显现在某种程度上能够反映瓦斯涌出量的急剧变化。国内外学者在矿压显现和瓦斯涌出量之间的相关性研究中已经取得初步成果。,李树刚等通过对魏家地矿110综放面进行的矿压观测及瓦斯涌出规律实时监测,并分析综放面矿山压力与瓦斯涌出的关系,认为综放面瓦斯大量快速涌出是矿山压力的一种显现。李化敏等结合平煤集团13矿己二12071工作面实际条件，对支架支护阻力、超前支承压力以及工作面瓦斯体积分数进行了实时监测,分析了采动过程与瓦斯涌出之间的关系.结果表明,随工作面矿压显现增大,瓦斯体积分数同步增大,压力降低,瓦斯体积分数随之下降。来压期间工作面前方瓦斯煤体“卸压增流”,瓦斯涌出量增大；采空区冒落裂隙带内呈现含高瓦斯多孔多连通空间特性,来压过程对多孔多连通空间产生挤压或冲击和挤压综合作用,受冲挤扩散的高瓦斯气流向回采工作空间流动,导致工作面瓦斯体积分数增高。,李小军等[3]通过对支承压力区域分布的现场实测,分析了平煤十三矿12071工作面超前支承压力的分布规律,在对现场工作面不同承压区的钻孔瓦斯涌出量和钻屑量进行了测量的基础上,研究了工作面超前支承压力与煤层瓦斯涌出关系,认为瓦斯涌出量与所在位置的支承压力成反比.李其兵[4]通过对某工作面的分析,尝试性地解释了矿压对工作面煤与瓦斯突出的机理。王岩森[5]通过对煤层瓦斯存在形态、采空区瓦斯分布规律和矿压显现对煤层瓦斯存在形态及采空区瓦斯分布影响进行定性分析，解释矿压显现对工作面风流中的瓦斯浓度变化原因。这些研究对瓦斯管理及工作面周期来压的预测预报以及工作面瓦斯的预测和瓦斯治理有一定的指导意义。,以上研究的共同点为①数据都是来自现场实测;②都认为矿压显现与瓦斯涌出量存在密切的联系；③对矿压显现与瓦斯涌出量的急剧变化的相关性分析停留在定性分析和经验判断上；④结论是在某矿某工作面的观测和分析的基础上得出的，没有上升到普遍的规律；⑤缺少严密的理论分析，特别是没有考虑围岩变形与瓦斯运移的耦合作用，更没有系统的力学分析和计算。,2009科学采矿论坛焦作,1矿山压力显现,1.1矿山压力显现方式“三量”（顶底板移近量、支柱活柱下缩量、支架荷载）急剧增加。顶板破碎冒顶煤壁片帮底臌支柱变形与折损,2009科学采矿论坛焦作,⑴掩护“拱”假说,⑵掩护“梁”假说,⑶铰接岩块假说,⑷砌体梁假说,在老顶岩梁达到断裂步距之后，随着工作面的继续推进，岩梁将会折断，但断裂后的岩块由于排列整齐．在相互回转时能形成挤压，由于岩块间的水平力以及相互间形成的摩擦力的作用，在一定条件下能够形成外表似梁实则为半拱的结。这种平衡结构形如砌体，故称之为砌体梁。,,1.2矿山压力显现的机理,2009科学采矿论坛焦作,由于煤炭采出，工作面老顶运动及滑落、回转失稳，造成压力重分布引起。工作面推进速度、采高、控顶距、煤层倾角、等对矿压显现有重要影响。,此外，地下水、地质构造带引起压力显现异常。,砌体梁假说解释矿压显现机理,2009科学采矿论坛焦作,1.3矿压显现的观测（1）巷道,锚杆拉力,顶板离层,顶底板移近量,两帮相对位移,地应力,超前支撑压力,支架前后柱阻力,支柱下缩量,（2）采面,2009科学采矿论坛焦作,2瓦斯涌出量异常矿井生产过程中，在某些特定地点、突然地于一段时间内大量涌出瓦斯的现象。如瓦斯喷出、瓦斯突出、造成大冒顶、大气压急剧变化等。其发生往往产生动力破坏。2.1瓦斯涌出的途径,2.4瓦斯涌出量的观测对象和手段,2009科学采矿论坛焦作,观测对象,钻孔瓦斯流量计1测气室2集气管3气囊封孔器4煤体5瓦斯排出管6瓦斯排出管连接套7钻孔8排出管阀9胶管连接套10气囊充气胶管11连接胶管12瓦斯流量计,2009科学采矿论坛焦作,2.4.1煤壁瓦斯涌出未回采前，利用瓦斯监测系统测定回风巷道口的瓦斯浓度、排风量计算得到煤壁瓦斯涌出量。,2.4.2采空区瓦斯涌出回采检修期间，利用瓦斯监测系统测定回风巷道口的瓦斯浓度、排风量计算得到煤壁与采空区瓦斯涌出量。与未回采前相减得到采空区瓦斯涌出量。2.4.3落煤瓦斯涌出回采期间，利用瓦斯监测系统测定回风巷道口的瓦斯浓度、排风量计算得到煤壁、落煤与采空区瓦斯涌出量。与检修期间瓦斯涌出量相减得到落煤瓦斯涌出量。2.5通风系统对瓦斯涌出的影响风机的排量、抽放时间、通风回路（方式）（E型、Y型、U型、J型等对瓦斯涌出的影响。,2009科学采矿论坛焦作,3煤层、围岩变形-瓦斯运移耦合作用,2009科学采矿论坛焦作,煤层变形,围岩变形,瓦斯运移,,,,界面上耦合,空间区域上耦合,空间区域上耦合,2009科学采矿论坛焦作,下面讨论煤层变形瓦斯运移之间的耦合,煤层变形与瓦斯运移之间的耦合是通过孔隙度来传递,2009科学采矿论坛焦作,3.1研究对象及其位形,2009科学采矿论坛焦作,3.2基本方程,3.2.1质量守恒,,煤层,瓦斯,,3.2.2动量守恒,,煤层,瓦斯,,2009科学采矿论坛焦作,3.2辅助方程,3.2.1煤层本构关系,,定义一点/单元应变状态,,等效孔隙压力系数,2009科学采矿论坛焦作,关联于D-P准则,,,,,当量应力、当量应变,,剪切屈服后的流动,2009科学采矿论坛焦作,情形1（中性变载）,情形2（卸载）,情形3（重新加载，但没有到达屈服面）,情形4（重新加载到屈服面，并且在屈服面上流动）,关联于Lagrange准则,当量应力和当量应变,,塑性势,拉伸破坏后的流动,2009科学采矿论坛焦作,情形1（卸载）,情形2（卸载并反向加载）,情形3（反向加载并流动到剪切屈服面）,情形4（重新加载到屈服面，并且在屈服面上流动）,2009科学采矿论坛焦作,,变形状态之间的转换,2009科学采矿论坛焦作,3.2.2煤层吸附特性、扩散特性和渗透特性,,中,、,与孔隙度的关系尚未由实验得到,,,2009科学采矿论坛焦作,3.2.3煤层变形几何方程,,3.2.4煤层孔隙度与瓦斯压力的关系,,3.2.5瓦斯含量与瓦斯压力的关系,3.2.6瓦斯质量密度与瓦斯压力的关系,,,2009科学采矿论坛焦作,3.3基本变量、辅助变量和控制参量,3.4定解条件,3.5快速Lagrange算法,略,略,略,2009科学采矿论坛焦作,4瓦斯涌出量与矿压显现的相关性,观测到的矿压和瓦斯信号都是时间序列（即按一定时间间隔记录的一组数据），分析各种矿压信号与瓦斯浓度、瓦斯涌出量在时间上的关系比较简单，即只要观察是否同时发生、是否存在超前或滞后。,4.1时间上的相关性,2009科学采矿论坛焦作,利用不同监测地点的监测数据、地质资料和数学力学理论来推演各种矿压信号与瓦斯浓度在巷道和采面上的分布，分析矿压显现与瓦斯涌出在空间上的相关性。,2009科学采矿论坛焦作,4.2空间上的相关性,5结束语,5结束语,（1）今天汇报的内容只是我们研究工作的设想，尚未得出具体的结论。,（2）动力学模型中未考虑支架与顶板、底板之间的耦合作用。,（3）快速Lagrange算法由于篇幅过长没有给出。,（4）求解耦合动力学响应的关键是数值稳定性。,（5）本构关系中没有考虑空状态，即因为材料从母体中分离出来而出现的。边界变化通过单元变形状态的变化来刻画。,