采动煤岩体离散裂隙网络瓦斯流动特征及应用研究

摘要:下保护层开采时,上覆煤岩体垮落破断形成三带划分,其中断裂带上承被保护层下接保护层工作面,内部裂隙发育沟通,是卸压瓦斯汇聚流动的主要通道,也是如高抽巷、走向长钻孔等卸压瓦斯抽采工程的主要作用地带。断裂带内岩体堆积结构、裂隙形态和渗透率的分布特征,往往决定了抽采层位选择的合理与否,进而影响卸压瓦斯抽采的效果。本文运用岩石力学、矿山岩体力学、流体力学、渗流力学等理论,采用理论分析、实验研究、数值计算、现场验证相结合的方法,以采动煤岩体离散裂隙网络模型为骨架,以裂隙内瓦斯渗流特征为核心,构建了断裂带内卸压瓦斯流动模型,并以阳泉矿区的走向高抽巷卸压瓦斯抽采工程为背景,验证了模型对高抽巷合理层位选择的指导意义。获得的主要结论如下:  (1)断裂带内不同层位覆岩均经历了超前支承-采动卸压-应力恢复三个阶段。卸压范围和卸压程度随着层间距的增加而减小,卸压比与层间距呈对数关系,在应力恢复阶段可视为侧限条件下煤壁上方岩层扩展支承区岩体重力重新作用于采空区而产生的三向应力的线性恢复过程。假设破断岩块为各向同性的弹性体前提下,采动裂隙开度的改变主要归因于破断岩块产生的弹性变形和侧向水平应力对裂隙面的挤压变形:此处公式省略!,推导了应力恢复过程中的应力-渗透性耦合关系。  (2)覆岩三带在破坏特征、形态及介质流动模型上区别明显。相似模拟实验结果表明,断裂带内采动裂隙主要为水平离层裂隙和垂向破断裂隙,二者占裂隙总量的70.8%。裂隙开度随层位高度的增加而迅速衰减,近水平方向上的小角度裂隙闭合更为明显,断裂带内多以开度小于1mm的裂隙为主。在裂隙发育特征的基础上,构建了断裂带离散裂隙网络模型,定义了控制模型形态的主要三类参数,分别为外边界控制参数、断裂岩块尺度参数、裂隙开度参数。  (3)对于单一裂隙来说,在低流量层流状态,裂隙流量与压差满足线性关系,随着流量的继续增加,惯性力造成的湍流效应逐渐显现。流态指数的变化表明,由层流向紊流的发展是连续的过程,实验条件下模拟裂隙试件进入完全紊流时存在临界流量为261mL/min,对应计算得到一般条件下,断裂带内卸压瓦斯流态转变的临界流量约为39.2m3/min。  (4)采用瞬态法测定岩样原始渗透率范围为4.8~39.3X10_4mD采用稳态法测得峰后裂隙岩样渗透率范围在6.7~69.6mD,相比于原始渗透率增加了4个数量级。裂隙岩样在重新加载中则表现出类弹性行为,以裂隙开度的变化为桥梁,建立了描述应力恢复作用下应变-渗透率模型,并对实验数据进行拟合,理论值与实验值拟合程度平均拟合度在0.95以上,验证了模型的适用性。  (5)阐述了上邻近层存在时断裂带内瓦斯流动汇集特征,利用有限元方法模拟得到影响高抽巷卸压瓦斯抽采效果的主要因素为层位的选择和抽采时间。通过构建分布矩阵,将断裂带裂隙渗透率转化为管路当量直径,建立了离散裂隙网络等效模型。  (6)在定压边界条件下,利用离散裂隙网络等效模型分析了高抽巷层位选择对断裂带瓦斯流动场汇集特征的影响作用。高抽巷层位由断裂带上方40m下调至断裂带下沿时,瓦斯抽采量下降了25.0m3/min,抽采浓度降低了近55.0%。阳泉矿区高抽巷抽采实践统计表明,当高抽巷层位由距离开采煤层12倍采高下调至8倍采高(断裂带下沿)时,平均抽采量降低了18.8m3/min,平均抽采浓度降为43.0%d高抽巷层位的选择对抽采效果的影响显著,同时实际数据与解算得到的规律基本一致,验证了离散裂隙网络等效模型的合理性。

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