采动应力场与瓦斯渗流场耦合理论研究现状及趋势.doc

采动应力场与瓦斯渗流场耦合理论研究现状及趋势 李宏艳 1,2 11煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京100013;21北京师范大学水科学研究院,北京100875 [摘 要] 随着高强度开采方法的广泛应用,采动应力场与渗流场耦合理论的研究成为国内外 研究的热点,通过对国内外相关文献的整理与分析,从采动围岩应力场、裂隙场演化规律、瓦斯渗流理论等方面进行了论述,展望了高强度开采应力场与瓦斯渗流场耦合理论的研究方向和有关发展趋势。高强度开采条件下将应力场与瓦斯渗流场耦合研究是高强度开采条件下保证煤矿安全开采的客观要求,也是解决实际工程中瓦斯安全问题重要的理论基础,对工程实践具有指导意义。 [关键词] 高强度开采;应力场;渗流场;流固耦合 [中图分类号]T D712 [文献标识码]A [文章编号]10062622520080320004204 St a tus 2quo and Tendency of Research on Coupli n g Theory of M i n i n g Stress F i eld and Ga s Seepage F i eld L I Hong 2yan 1,2 1.CoalM ining 2.Hydr oscience Research I nstitute,Beijing Nor mal University,Beijing 100875,China AbstractW ith the app licati on of m ining ,research on coup ling theory of m ining stress field and seepage field has been hots pot at home and abr oad .M ining stress field of surr ounding r ock,evolve ment rules of seepage field and gas seepage theory were intr oduced by s orting out and analyzing related reference at home and abr oad and research directi on and tendency of coup ling theory of stress field and seepage field in high intensity m ining were expected .Coup ling research of stress field and gas seepage field is requirement of assur 2ing safety m ining and als o an i m portant theoretic foundati on f or gas safety p r oble m s,which is instructive f or engineering p ractice .Key wordshigh intensity m ining;stress field;seepage field;fluid 2stress coup ling [收稿日期]2008-03-27 [基金项目]国家重点基础研究发展计划973资助项目2005CB221503 [作者简介]李宏艳1978-,女,河北唐山人,工学博士,主要从事煤矿安全及岩石力学的研究工作。E -maillhylhb1631com 综采放顶煤、大采高综采等高强度开采,使采 动影响范围和空间扩大,煤岩层的垮断规律及采动应力场时空演化过程对瓦斯流动、涌出的影响等也相继发生根本性改变。因此,研究高强开采条件下,煤岩层垮断、采动应力场的时空演化过程,是掌握瓦斯的流动、涌出与岩层垮断及采动裂隙场的时空相关性,进而控制瓦斯突出、瓦斯爆炸等重特大事故发生的理论基础。 本文针对高强度开采围岩活动及与瓦斯渗流场耦合理论研究内容进行综述,对国内外学者在采动应力场以及瓦斯渗流理论方面的研究归纳为采动围岩应力场、裂隙场演化规律,瓦斯渗流理论及工程中的应用,并进一步指出该领域的研究发展趋势。1 采动围岩应力场裂隙场演化规律 20世纪以来,国内外学者在采动围岩的应力 场演化规律的研究中提出了各种假说,具有代表性的研究理论包括,W 1Hack 和G 1Gillitzer 提出了悬臂梁假说、A 1Labasse 提出的预成裂隙假说以及 Г1H 1Κузинецов提出的铰接岩块假说等。在我国,60年代钱鸣高院士、李鸿昌教授开始研究断裂岩块间的力学关系,在总结铰接岩块假说和预成裂隙假说以及大量工程实践并对岩层内部移动进行现场观测的基础上,80年代初,以钱鸣高院士为首建 立了采场裂隙带岩体的“砌体梁”结构模型[1] 。上覆岩层结构形态与平衡条件的提出,为论证采场矿山压力控制参数奠定了基础。在80年代,国内对于采动岩体的研究不断深入,刘天泉院士将上覆岩层的破坏规律归结为“三带”,分别为冒落带、裂隙带以及整体移动带,并给出了各带高度的计算 方法。宋振骐院士等人[2] 建立并逐步完善了以岩层运动为中心,预测预报、控制设计和控制效果判断二位一体的实用矿压理论体系,矿压界也称之为“传递岩梁”理论。在“砌体梁”和“传递岩梁” 理论的基础上,姜福兴教授[3] 基于“岩层质量的量变引起老顶结构形式质变”的观点,提出了基本顶存在类拱、拱梁和梁式三种基本结构,以及定量诊断基本顶结构形式的“岩层质量指数法”。 4 第13卷第3期总第82期 2008年6月煤 矿 开 采Coal m ining Technol ogy Vo1113No 13Series No 182 June 2008 在以上研究基础上,众多学者对上覆岩层裂隙场的演化规律进行了研究。钱鸣高院士等[4、5]应用模型实验、图像分析、离散元模拟等方法,对上覆岩层采动裂隙分布特征进行了研究,揭示了长壁工作面覆岩采动裂隙的两阶段发展规律与“O”形圈分布特征。涂敏[6]认为在采动过程中,关键层下部将产生不协调的连续变形,形成岩层移动中的离层和各种裂隙分布。在覆岩运动的动态过程中,在采空区上方存在着多个动态发展的离层裂隙和纵向断裂裂隙。李树刚[7]认为采动裂隙场,总体来讲是由于作为采场上覆岩层随工作面的推进而形成的,但由于在不同区域上覆岩层受力形式及位置不同,具体的裂隙场也可分为工作面上方裂隙场和采空区上方裂隙场。苏现波等[8]根据宏观和微观观测,发现煤中存在一种流体压力致裂的特殊裂隙,这些裂隙的成因无法用诸如应力场的作用来解释,此类裂隙的形成与煤中流体液体和气体密切相关。黄志安等[9]提出了采空区上覆岩层下沉、裂缝、冒落三带的界定方法,确定出的“三带”界限对其他工作面有指导意义。 诸位学者对采动上覆围岩应力场与裂隙场的研究主要是从顶板安全角度来研究的,产生了诸多顶板围岩运动基本理论,从不同的角度论述了上覆围岩应力场的作用机理,阐述了在应力的演变过程中,上覆岩层裂隙场的演化规律。但是在采场覆岩裂隙分布状态对瓦斯运移规律的影响方面,尚未见到突破性研究。 2 瓦斯渗流理论研究进展 211 达西定律为基础的瓦斯渗流理论 20世纪40年代末,前苏联学者应用达西定律线性渗透定律描述煤层内瓦斯的运动,开创性地研究了考虑瓦斯吸附性质的瓦斯渗流问题,成为开创瓦斯渗流力学的先驱之一。在20世纪60年代,周世宁等从渗流力学角度出发,认为瓦斯的流动基本上符合达西定律,把多孔介质的煤层看成一种大尺度上均匀分布的虚拟连续介质,在我国首次提出了瓦斯流动理论线性瓦斯流动理论[10]。直至20世纪80年代,瓦斯流动理论的研究又趋活跃,主要是修正和完善瓦斯流动的数学模型,焦点是对瓦斯流动方程的修正。1984年,郭勇义就一维情况,结合相似理论,研究了瓦斯流动方程的完全解。周世宁等1965的研究中关于瓦斯含量与孔隙压力之间抛物线关系式的近似性,采用朗格缪尔方程描述瓦斯的等温吸附量,提出了修正的瓦斯流动方程式[11]。1986年,谭学术又针对瓦斯的气体状态方程,认为应用瓦斯真实气体状态方程更符合实际,便提出了修正的矿井煤层真实瓦斯渗流方程[12]。孙培德[13]在总结前人研究成果的基础上,进一步修正和完善了均质煤层的瓦斯流动数学模型,同时发展了非均质煤层的瓦斯流动数学模型,在此基础上,进行了数值模拟的对比分析。 在以达西定律为基础的瓦斯流动理论研究中,部分学者认为煤屑内瓦斯运动基本符合线性扩散定律菲克定律。杨其銮、王佑安认为[14]各种采掘工艺条件下采落煤的瓦斯涌出、突出发展过程中,已破碎煤的瓦斯涌出、在预测瓦斯含量和突出危险性时所用煤钻屑的瓦斯涌出等问题,皆可归结为煤屑中瓦斯的扩散问题。 另外一些学者认为瓦斯流动是对流与扩散两个过程控制。孙培德[15]以瓦斯地质的新观点来认识煤层内瓦斯运移的机理,明确指出煤层内瓦斯流动实质上是可压缩性流体在各向异性、非均质的孔隙2裂隙双重介质中对流2扩散的混合非稳定流动。即非平衡吸附的动力学模型,该模型认为瓦斯主要吸附在基质的内表面,在裂隙中服从达西渗流,较好地反映了瓦斯在煤层中的赋存运移。 综上所述,以达西定律为基础的瓦斯流动理论的研究已有几十年的历史,在探求煤层内瓦斯运移机理方面已先后发展了线性渗流理论及其应用、线性扩散理论、对流2扩散理论等,并在煤矿安全生产中起到了一定的作用。但是,随着研究及开采条件的复杂化,同时受到采动过程中各种因素的影响,上述线性瓦斯流动理论和方法的适用性和实用性常常受到挑战。 国外许多学者对线性渗流定律达西定律对于均质多孔介质中的气体渗流问题的适用性提出了置疑,作了大量的考察和研究。E1M1A llen指出,将达西定律用于描述从均匀固体物煤样中涌出瓦斯的试验,结果导致了与实际观测不相符合的结论。通口澄志在大量试验研究的基础上提出了更能符合瓦斯流动的基本规律幂定律Power La w。孙培德[16],在Power La w的基础上,在均质煤层和非均质煤层条件下,首次建立起可压缩性瓦斯在煤层内流动的数学模型非线性瓦斯流动模型。而姚宇平[17]对幂定律和达西定律进一步作了数值模拟和分析,并指出在焦作矿务局中马村矿的实例分析中,达西定律比幂定律更逼近实际。罗新荣[18]经过实验研究,提出考虑克氏Klinken2 berg效应的修正形式的达西定律非线性瓦斯 5 李宏艳采动应力场与瓦斯渗流场耦合理论研究现状及趋势2008年第3期 渗流规律,指出了达西定律的适用范围。陈代询等[19]研究了气体在致密多孔介质中低速渗流时的非达西现象,认为气体分子与孔隙壁的碰撞是产生该现象的物理机制,它由多孔介质的孔隙结构和气体分子的平均自由程共同决定。陈永敏等[20]在大量试验研究的基础上,针对低速非达西渗流曲线的表观现象,采用试验数据特征分析的方法,论证了低速非达西渗流规律。 综上所述,非线性的达西定律基础上的瓦斯流动理论也是需要深入探索的方向之一。 212 多物理场耦合瓦斯渗流理论 随着对瓦斯流动机理研究的深化,围绕着煤体孔隙压力与围岩应力对煤岩体渗透系数的影响,以及对渗流定律达西定律的各种修正,建立和发展了固气耦合作用的瓦斯流动模型及其数值方法,这是近年来国内外许多学者竞相研究的热点。 国外学者在这一领域的研究成果主要包括 W1H1Somert on[21]研究了裂纹煤体在三轴应力作用 下N 2及CH 4 的渗透性,得出了煤样渗透性敏感依 赖于作用应力,而且与应力作用历史有关等几个结论。S1Har palani[22]对含瓦斯煤样在受载状态下的渗透特征进行了深入地研究。S1Har palani, J1Ga wuga,V1V1Khodot等学者[23-25],从煤层赋存的地质条件和地物场环境出发,在实验条件下,开创性地考察和研究了含气煤样的力学性质,以及瓦斯渗流和煤岩体之间的固气耦合力学效应。20世纪80年代以来,我国学者也对含气煤体的变形规律、煤样透气率与等围压或孔隙压力之间的变化关系,含气煤的力学性质以及含气煤的流变特性等进行了系列研究[2629],为我国深入发展多物理场效应的瓦斯流动理论提供了基本依据。20世纪90年代初,一批学者[3034]在我国首次深入地研究了地电场直流电对瓦斯流场渗流的作用和影响,修正了达西定律,提出了地应力场、地电场和地温场对瓦斯流场作用下的渗流基本规律。孙培德[15]创建了多煤层系统瓦斯越流的固气耦合理论及其应用。以流体2岩石相互作用的新观点来认识煤层内瓦斯运移的机理。梁冰[35]提出将瓦斯流动看作可变形固体骨架中可压缩流体的流动,得到了采动影响下煤岩层瓦斯流动的耦合数学模型。赵阳升[36]在前人工作的基础上,提出了煤体2瓦斯固气耦合理论,体现了瓦斯气体与煤岩固体之间的相互作用的瓦斯流动过程。 综上所述,用流体2岩石的相互作用去认识煤层内瓦斯运移的机制,充分发展多物理场作用下的瓦斯流动模型及其数值方法,尤其要注重发展可变形的裂隙2孔隙介质的气液固耦合模型及其数值方法,使物理模型更能反映客观事实,进一步完善理论模型及测试技术,即为当今推动瓦斯渗流力学向前发展的主流方向。 3 采动应力场与渗流场耦合理论发展趋势 从采动应力场与渗流场耦合理论研究进展可以看出,以往的研究主要将煤体看作孔隙介质或者孔隙2裂隙介质,研究瓦斯在煤体中的迁移问题或者将渗流场与以太沙基固结理论为基础的变形场相耦合。当前高强度开采条件下围岩应力场与渗流场耦合作用机理发生了巨大的变化,采用已有的瓦斯渗流理论来解决实际工程问题必然存在巨大的偏差。这就要求进一步发展瓦斯渗流理论来满足实际工程的需要。 采动应力场与渗流场耦合理论的研究刚刚开始,没有形成系统的理论体系,这一理论的研究包括以下难点,也是此理论发展的趋势 1开展煤岩体渗流场与应力场、裂隙场耦合模型的物理背景研究应用物探技术、CT扫描技术、显微技术、井下T V技术等,探测复杂岩体的结构,并进行裂隙场演化与瓦斯渗流现场试验与观测新技术的开发。 2研究高强度开采条件下,煤岩层的垮落与破坏机制及煤岩体裂隙时空演化与分布规律,建立煤岩层垮落、裂隙、变形与相关参数的关系,阐明裂隙发育与分布特征; 3根据煤岩体结构特征,开发复杂岩体裂隙网络空间模拟方法,将裂隙网络模拟与渗流场及应力场耦合数值模型相结合。 4弄清采动应力场、裂隙场与瓦斯流动场相互作用机理,建立裂隙岩体弹塑性断裂损伤本构模型和损伤演化模型基础上,建立围岩裂隙场与渗流场耦合数学模型。 5寻求合理的耦合模型求解方法,克服单纯离散介质渗流模型工作量大以及连续介质模型不能正确反映裂隙自身特性的缺点。 6改进模型反演方法,可引入非线性理论与方法,与裂隙岩体渗流场与应力场耦合的动力学模型结合,进行耦合模型的反演分析,提高模型的仿真性。 7准确探测工程区复杂岩体的结构特征;进行现场岩体渗流与应力关系的实验研究,揭示实际岩体渗流与应力的耦合关系,减小模型与实际工 6 总第82期煤 矿 开 采2008年第3期 程之间的差异,为工程提供可靠依据。 4 结束语 本文综述了高强度开采条件下采动岩体应力场及裂隙场演化规律以及煤层瓦斯运移规律,提出将采动裂隙场的时空演化过程与煤层瓦斯渗流联合研究是目前高强度开采条件下瓦斯渗流理论研究的新趋势,也是当前实际工程的要求。 [参考文献] [1]陈炎光,钱鸣高1中国煤矿采场围岩控制[M]1徐州中国 矿业大学出版社,19941 [2]宋振骐1实用矿山压力控制[M]1徐州中国矿业大学出版 社,19881 [3]姜福兴1煤矿采场顶板控制设计咨询系统研制[D]1泰安 山东矿业学院,19881 [4]钱鸣高,缪协兴1采场上覆岩层结构的形态与受力分析[J] 1岩石力学与工程学报,1995,1429721061 [5]钱鸣高,许家林1覆岩采动裂隙分布的“O”形圈特征研究 [J]1煤炭学报,1998,23546624691 [6]涂 敏,刘泽功1综放开采顶板离层裂隙变化研究[J]1煤 炭科学技术,2004,324442471 [7]李树刚,石平武,钱鸣高1覆岩采动裂隙椭抛带动态分布特 征研究[J]1矿山压力与顶板管理,1999,34442461 [8]苏现波1煤层气储集层的孔隙特征[J]1焦作工学院学报, 1998,17162111 [9]黄志安1F 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据国土资源部最新的储量快报统计,截至2007年底,在事关我国国计民生的煤炭、石油、天然气、铁、锰、铜、铅、锌、铝土、钨、钼、金、银、磷、锡、硫铁、钾盐等17种主要矿产中,新探明大型矿产地共62处,其中石油新探明冀东南堡、大庆古龙和长庆姬源3个亿吨级大油田,天然气新探明吉林长岭、长庆神木、四川广安、塔里木大北、北方淞南5处30G m3以上大气田,煤炭新探明41处大型矿产地。其中,资源储量超过110Gt的特大型矿产地有14处。煤炭勘查净增查明资源储量4418Gt。 7李宏艳采动应力场与瓦斯渗流场耦合理论研究现状及趋势2008年第3期