流固耦合作用下瓦斯突出倾向区域数值分析与研究

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煤炭作为我国的主体能源,煤与瓦斯突出的发生一直以来都是限制其高效开采的主要影响因素之一。近年来随着对煤矿安全需求的提高,我国对煤与瓦斯突出机理与灾害防治研究提出了更高的要求。流固耦合作用机理是研究瓦斯突出机理与瓦斯灾害防治研究领域中的基础问题之一,因此研究煤层与瓦斯的相互作用具有重要意义。本文运用损伤力学、渗流力学和岩石力学等理论,以损伤场为中心,建立考虑损伤过程的流固耦合理论模型;借助COMSOL软件进行数值求解,对煤层开采过程的瓦斯运移规律与瓦斯突出倾向区域进行分析;最后对瓦斯防治的有效技术手段钻孔抽采进行了研究,分析了抽采过程中瓦斯运移规律。主要得出以下结论:(1)开采过程中随着工作面的推进,开采工作面前方瓦斯压力下降,煤体损伤分布范围增大。(2)考虑了采动对吸附态瓦斯的解吸影响,通过对工作面前方煤层所受主应力的方向进行分析,结果表明压应力是瓦斯突出的主要诱发原因。结合压应力方向和损伤场分布情况,确定瓦斯突出倾向区域分布。进一步分析上覆压力和初始瓦斯压力对瓦斯突出倾向区域的影响,表明随着上覆压力增大,瓦斯突出倾向区域增大;初始瓦斯压力增大,瓦斯突出倾向区域增大。(3)通过对钻孔瓦斯抽采运移规律进行研究,表明在瓦斯抽采的初始阶段,钻孔流量较大,随着抽采的进行,瓦斯流量下降,逐渐趋于稳定,同时煤层瓦斯压力随着钻孔抽采的进行逐渐下降。(4)通过分析抽采负压对抽采效果的影响,表明抽采负压越低,钻孔流量越大,抽采效果越好。在钻孔抽采的初始阶段,负压对流量的影响不大;随着抽采的进行,抽采负压影响效果逐渐增大。(5)通过分析钻孔直径对抽采效果的影响,表明钻孔直径越大,钻孔流量越大,抽采效果越好;随着抽采的进行,钻孔直径对效果影响减弱。(6)在顺层多孔瓦斯抽采过程中,外侧钻孔流量明显比内侧钻孔流量大,内侧钻孔之间流量相差不大;随着钻孔间距的增加,钻孔抽采流量增加,抽采效率越高。
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