基本信息
- 項目名稱：
- 覆巖采動裂隙演化與卸壓瓦斯?jié)B流規(guī)律相似材料模擬實驗研究
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 自然科學類學術論文
- 簡介：
- 實驗團隊利用固氣兩相相似材料模擬實驗臺，分析了采動覆巖運動規(guī)律、破斷裂隙分布特征以及采動裂隙場的動態(tài)演化規(guī)律；同時分析了不同推進距離、裂隙分布對采動覆巖滲流特性的影響，以及覆巖滲流速率變化規(guī)律。實驗表明，隨著工作面的推進，裂隙發(fā)育經(jīng)歷了形成、擴展和閉合三階段，呈現(xiàn)出切眼裂隙發(fā)育區(qū)、中部壓實區(qū)以及工作面裂隙發(fā)育區(qū)三區(qū)域演化規(guī)律，滲流速度隨工作面的推進形成一個升高、降低、再升高的動態(tài)變化過程。
- 詳細介紹：
- 采動覆巖裂隙演化及其中瓦斯?jié)B流規(guī)律與卸壓瓦斯抽采系統(tǒng)的布置密切相關。實驗團隊自主研發(fā)了由供氣系統(tǒng)、壓力平衡系統(tǒng)、流速測定系統(tǒng)、開采系統(tǒng)等組成的固氣兩相相似材料模擬實驗臺，保證了實驗系統(tǒng)的氣密性。利用該模擬實驗臺，分析了隨著工作面的推進，采動覆巖運動規(guī)律、破斷裂隙分布特征以及采動裂隙場的動態(tài)演化規(guī)律；同時分析了不同推進距離、裂隙分布等對采動覆巖滲流特性的影響，以及采動裂隙場內(nèi)覆巖滲流速率變化規(guī)律。實驗表明，上覆巖層隨著工作面的推進，裂隙發(fā)育經(jīng)歷了形成、擴展和閉合三階段，呈現(xiàn)出切眼裂隙發(fā)育區(qū)、中部壓實區(qū)以及工作面裂隙發(fā)育區(qū)三區(qū)域演化規(guī)律。同時，上覆巖層滲流速度隨著工作面的推進形成一個升高、降低、再升高的動態(tài)變化過程。研究結果為合理布置瓦斯抽采系統(tǒng)提供了一定的理論依據(jù)。
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 為得到采動覆巖裂隙演化及其中卸壓瓦斯?jié)B流規(guī)律，論文在分析國內(nèi)外在此方面的研究現(xiàn)狀的基礎上，通過自主研發(fā)的煤與瓦斯固氣耦合相似材料模擬實驗臺，對煤層開采過程中采動裂隙的動態(tài)演化及卸壓瓦斯?jié)B流特性進行系統(tǒng)研究。
科學性、先進性及獨特之處
- （1）自主研發(fā)了固氣兩相相似材料模擬實驗臺，實現(xiàn)了密閉條件下開采的模擬。 （2）得到了隨著工作面推進，采動覆巖運動規(guī)律、破斷裂隙分布特征以及采動裂隙場的動態(tài)演化規(guī)律；不同推進距離、裂隙分布等對采動覆巖滲流特性的影響，以及采動裂隙場內(nèi)覆巖滲透速率變化規(guī)律。
應用價值和現(xiàn)實意義
- 采動覆巖裂隙演化及其中瓦斯?jié)B流規(guī)律與卸壓瓦斯抽采系統(tǒng)的布置密切相關，作品的研究結果為合理布置瓦斯抽采系統(tǒng)提供了一定的理論依據(jù)，對于有效防治瓦斯事故、保證礦井安全、實現(xiàn)煤與瓦斯安全共采具有重要的現(xiàn)實意義。
學術論文摘要
- 采動覆巖裂隙演化及其中瓦斯?jié)B流規(guī)律與卸壓瓦斯抽采系統(tǒng)的布置密切相關。實驗團隊自主研發(fā)了由供氣系統(tǒng)、壓力平衡系統(tǒng)、流速測定系統(tǒng)、開采系統(tǒng)等組成的固氣兩相相似材料模擬實驗臺，保證了實驗系統(tǒng)的氣密性。利用該模擬實驗臺，分析了隨著工作面的推進，采動覆巖運動規(guī)律、破斷裂隙分布特征以及采動裂隙場的動態(tài)演化規(guī)律；同時分析了不同推進距離、裂隙分布等對采動覆巖滲流特性的影響，以及采動裂隙場內(nèi)覆巖滲透速率變化規(guī)律。實驗表明，上覆巖層隨著工作面的推進，裂隙發(fā)育經(jīng)歷了形成、擴展和閉合三階段，呈現(xiàn)出切眼裂隙發(fā)育區(qū)、中部壓實區(qū)以及工作面裂隙發(fā)育區(qū)三區(qū)域演化規(guī)律。同時，上覆巖層滲流速度隨著工作面的推進形成一個升高、降低、再升高的動態(tài)變化過程。研究結果為合理布置瓦斯抽采系統(tǒng)提供了一定的理論依據(jù)。
獲獎情況
- “固氣耦合物理模擬實驗臺”（受理號：201120074258.8）專利正在受理中
鑒定結果
- 申報者7人小組是安全工程08級學生，參加了依托固氣耦合物理模擬實驗臺開展的覆巖采動裂隙演化與卸壓瓦斯?jié)B流規(guī)律的實驗，其工作真實有效，實驗研究論文是他們對實驗深入分析總結的結果。
參考文獻
- [1]章夢濤.煤巖流體力學.北京:科學出版社，1995 [2]蔣曙光，張人偉.綜放采場流場數(shù)學模型及數(shù)值計算.煤炭學報，1998，23(3):258~261 [3]梁棟，黃元平.采動空間瓦斯運動的雙重介質模型.阜新礦業(yè)學院學報，1995，14(2):4~7 [4]李宗翔.綜放工作面采空區(qū)瓦斯涌出規(guī)律的數(shù)值模擬研究.煤炭學報，2002，(2):173~178 [5]胡千庭，梁運培. 采空區(qū)瓦斯流動規(guī)律的CFD模擬.煤炭學報，2007，32(7): 719~723 [6]蘭澤全，張國樞.多源多匯采空區(qū)瓦斯?jié)舛葓鰯?shù)值模擬.煤炭學報，2007，32(4):396~401 [7]金龍哲，姚偉.采空區(qū)瓦斯?jié)B流規(guī)律的CFD模擬.煤炭學報，2010，35(9):1476~1480 [8]錢鳴高，許家林.覆巖采動裂隙分布的“O”形圈特征研究.煤炭學報，1998，23（5）：466~469 [9]錢鳴高，繆協(xié)興，等.巖層控制的關鍵層理論.徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2000 [11]劉澤功，袁亮，等.開采煤層頂板“環(huán)形裂隙圈內(nèi)走向長鉆孔”抽放瓦斯研究.中國工程科學，2004，6(5):32~38 [12]李樹剛，石平五，錢鳴高.覆巖采動裂隙橢拋帶動態(tài)分布特征研究.礦山壓力與頂板管理，1999，(3-4):44~46. [13]李樹剛，林海飛. 采動裂隙橢拋帶分布特征的相似模擬實驗分析.煤，2008，17(2):19~21
同類課題研究水平概述
- 目前瓦斯依然是影響我國煤礦安全生產(chǎn)的主要災害之一，防治瓦斯的根本性措施是瓦斯抽采。由于煤巖體內(nèi)裂隙發(fā)育程度和煤層透氣性對瓦斯抽采起關鍵作用，而我國煤田大多屬于低透氣性煤層，預抽瓦斯效果往往不好。因此，現(xiàn)階段我國大部分礦區(qū)仍以卸壓瓦斯抽采為主，其關鍵是根據(jù)采動裂隙演化及其中瓦斯運移規(guī)律合理布置抽采鉆孔或巷道。 許多學者對采動裂隙帶中的卸壓瓦斯的運移規(guī)律開展了大量研究。章夢濤等人推導了滲流力學基本原理，得出瓦斯在采空區(qū)的動力彌散方程，提出了固流耦合作用的數(shù)學模型及其數(shù)值解法。蔣曙光、張人偉應用多孔介質流體動力學理論建立了綜放采場三維流場數(shù)學模型，采用上游加權多單元均衡方法對三河尖煤礦綜放采場流場的壓力和風速分布進行了數(shù)值計算。梁棟、黃元平分析了采動空間空隙介質和瓦斯運動的特性提出采動空間瓦斯運動的雙重介質模型，更好地反映采動空間瓦斯的滲流運動特性。李宗翔等將采空區(qū)冒落區(qū)看作是非均質變滲透系數(shù)的耦合流場，采用迎風有限元數(shù)值模擬結合圖形顯示技術求解綜放工作面采空區(qū)二維流場瓦斯涌出擴散方程。胡千庭、蘭澤全、金龍哲等人對采空區(qū)瓦斯的流動規(guī)律及濃度分布規(guī)律進行了數(shù)值模擬。錢鳴高院士、許家林基于關鍵層理論，應用模型實驗、圖像分析、離散元模擬等方法，提出煤層采動后上覆巖層采動裂隙呈兩階段發(fā)展規(guī)律并形成“O”形圈分布特征，將其用于指導淮北桃園礦、蘆嶺礦卸壓瓦斯抽放鉆孔布置，取得了顯著效果。袁亮院士、劉澤功、盧平等人將采動裂隙分為采空區(qū)頂板環(huán)形裂隙區(qū)、裂隙帶內(nèi)豎向裂隙發(fā)育區(qū)以及遠程卸壓煤層裂隙發(fā)育區(qū)。李樹剛提出煤層綜放開采后，采場上覆巖層中的破斷裂隙和離層裂隙貫通后在空間上的分布是一個動態(tài)變化的采動裂隙橢拋帶，分析了關鍵層位置與橢拋帶形態(tài)的相互關系，應用環(huán)境流體力學和氣體輸運原理，闡述了卸壓瓦斯在橢拋帶中的升浮-擴散運移理論，并提出幾種抽取煤層卸壓瓦斯的方法。 以上研究成果對礦井瓦斯抽采利用及安全生產(chǎn)起到了積極的作用，但由于此問題本身的復雜性，目前就采動煤層上覆巖層中裂隙的發(fā)育情況與瓦斯?jié)B流之間的規(guī)律研究仍是一個難題，大部分研究者是基于理論分析及數(shù)值模擬的方法進行，而在工程實踐中還沒有真正的相似材料的煤巖固氣耦合模擬研究。
