综掘面煤与瓦斯突出机理解析与耦合过程模拟研究

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我国是一个产煤用煤大国,煤炭是我国主要发电能源和重要工业原料提供者,这种能源结构在未来的几十年内不会发生太大的变化,因此煤矿安全受到国家的重点关注。随着科技的发展和煤矿安全管理水平的提高,传统煤矿五大灾害所能够造成的危害已经逐渐减弱,但煤与瓦斯突出事故仍然时有发生,而且随着开采深度的增加越来越成为煤矿的主要危险因素。  自从1834年发生第一起煤与瓦斯突出事故至今,各国科学家提出了各种各样的假说,试图解释突出事故发生的原因。从最开始的单因素假说到后来的耦合假说,突出事故的原因逐渐被人们越来越深刻地揭示出来,虽然现有的假说还不能完全解释突出事故中的所有现象,但是这种认识逐渐被人们所接受,即突出事故是由于煤岩体物理化学特性、地应力变动、瓦斯吸附/解吸作用、地层水质影响、地温等多种因素相互作用引起的煤岩体破坏并随瓦斯在短时间内大量涌出的可以引起矿井破坏和重大人员伤亡的事故。  本文在研究突出事故机理的基础上,先进行实验对煤层瓦斯解吸与煤岩体变形的关系进行探究,并以此结合突出事故耦合理论,考虑到瓦斯气体的可压缩性和解吸性,假设瓦斯在煤多孔介质中流动遵循Darcy定律,建立综掘掘进巷道掘进面煤与瓦斯流固耦合数学模型。应用Comsol Multiphysics多物理场耦合数值模拟软件,模拟了煤层在综掘掘进面瓦斯流动的规律。  模拟结果表明:在考虑到应力耦合效应的条件下,随着煤壁暴露时间的增加,煤层瓦斯压力也发生明显改变,整个综掘巷周边媒体内部瓦斯压力净值呈降低趋势,分布状况形似漏斗状;在周边煤体内部应力作用下,掘巷两帮的位移移近方向为相向发展态势,移近量基本一致,最大位移约为2.1mm;掘巷截面产生最大竖向位移处位于其正上方位置,位移值约为13.5mm;煤体上表面纵向位移边界图呈现以掘巷顶端为中心的“O”型分布,其中“O”型中心处产生的位移最大,约为13.9mm。
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