采動(dòng)破碎巖體滲流特性及滲流耦合模型研究.pdf

1、采礦活動(dòng)必然造成地下巖體應(yīng)力的重新分布和巖體的破裂損傷，這種損傷極大地改變了圍巖的滲透性，從而導(dǎo)致了礦井突水和瓦斯突出等安全事故。采動(dòng)破碎巖體是巖土工程中一種較為常見(jiàn)的多孔介質(zhì)，具有較高的壓實(shí)性和滲透性，其滲透系數(shù)比完整巖體增加一至數(shù)個(gè)量級(jí)，煤礦開(kāi)采中常會(huì)遇到破碎巖體中的滲流問(wèn)題，因而采動(dòng)破碎巖體滲流行為的研究對(duì)于促進(jìn)煤礦安全生產(chǎn)、實(shí)現(xiàn)煤炭資源的綠色開(kāi)采和煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有著重要的理論意義和工程實(shí)際價(jià)值。同時(shí)，如何及時(shí)有效地對(duì)突水和

2、瓦斯突出進(jìn)行預(yù)測(cè)及防治，需要進(jìn)一步研究滲流破壞機(jī)制，所以建立相應(yīng)的滲流耦合模型，是進(jìn)行機(jī)制分析的理論基礎(chǔ)，對(duì)預(yù)測(cè)及防治具有重大的科學(xué)指導(dǎo)意義。
　　 針對(duì)低滲透性煤層瓦斯賦存和運(yùn)移的特點(diǎn)，根據(jù)瓦斯?jié)B流與煤體變形的基本理論，引入煤體孔隙變形與透氣性演化的耦合作用方程，建立了考慮煤層吸附、解吸作用的含瓦斯煤巖固氣耦合作用模型。應(yīng)用該模型模擬研究了不同壓力影響下瓦斯抽放過(guò)程中煤層透氣性的演化和抽放孔周圍瓦斯壓力的變化規(guī)律。
　　

3、 采空冒落區(qū)破碎巖體，屬于高孔隙特征，瓦斯?jié)B流為非線性非Darcy滲流特性，本文提出基于Fick擴(kuò)散定律和Brinkman方程的瓦斯擴(kuò)散-通風(fēng)對(duì)流運(yùn)移模型，比較適合采空冒落區(qū)的風(fēng)流運(yùn)動(dòng)和瓦斯對(duì)流擴(kuò)散規(guī)律。通過(guò)數(shù)值求解，研究采煤工作面采空冒落區(qū)內(nèi)瓦斯運(yùn)移的作用機(jī)理。計(jì)算結(jié)果表明，本文提出的模型兼顧流體壓力梯度和風(fēng)流動(dòng)能作用的特點(diǎn)，科學(xué)合理，符合實(shí)際。
　　 針對(duì)礦井突水問(wèn)題，考慮采動(dòng)破碎巖體的非達(dá)西滲流特性，本文認(rèn)為Brinkm

4、an方程比較適合描述從含水層中的Darcy層流向巷道中的Navier-Stokes紊流過(guò)渡的流體流動(dòng)過(guò)程，基于質(zhì)量守恒和壓力平衡，建立了突水流體流動(dòng)數(shù)值模型。據(jù)此，以采動(dòng)誘發(fā)陷落柱、斷層突水為例，應(yīng)用COMSOL Multiphysics系統(tǒng)數(shù)值分析工具，通過(guò)在模型中耦合了Brinkman方程、Navier-Stokes方程和Darcy方程，把含水層、巖體破碎帶和巷道整個(gè)突水水流路徑連接在一起，模擬突水流動(dòng)全過(guò)程。計(jì)算結(jié)果表明，陷落柱、