采動破碎巖體滲流特性及滲流耦合模型研究.pdf

1、采礦活動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。采動破碎巖體是巖土工程中一種較為常見的多孔介質(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)個量級，煤礦開采中常會遇到破碎巖體中的滲流問題，因而采動破碎巖體滲流行為的研究對于促進(jìn)煤礦安全生產(chǎn)、實(shí)現(xiàn)煤炭資源的綠色開采和煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有著重要的理論意義和工程實(shí)際價值。同時，如何及時有效地對突水和

2、瓦斯突出進(jìn)行預(yù)測及防治，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)，對預(yù)測及防治具有重大的科學(xué)指導(dǎo)意義。
　　 針對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)對流運(yùn)移模型，比較適合采空冒落區(qū)的風(fēng)流運(yùn)動和瓦斯對流擴(kuò)散規(guī)律。通過數(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)流動能作用的特點(diǎn)，科學(xué)合理，符合實(shí)際。
　　 針對礦井突水問題，考慮采動破碎巖體的非達(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紊流過渡的流體流動過程，基于質(zhì)量守恒和壓力平衡，建立了突水流體流動數(shù)值模型。據(jù)此，以采動誘發(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突水水流路徑連接在一起，模擬突水流動全過程。計算結(jié)果表明，陷落柱、