下保护层开采瓦斯解吸-扩散数学模型研究

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1、辽宁X程茳不大学喊磁LIAONINGTECHNICALUNIVERSITY下保护层开采瓦斯解吸-扩散数学模型研究指导教师：霍丙杰副教授参赛选手：秦小刚参赛选手：王强参赛选手：于海潮参赛选手：付兴1问题提出及研究内容11.1问题的提出11.2研究手段及内容12保护层开采条件下覆岩裂隙带多孔介质性质研究22.1保护层开采模型地质及瓦斯条件说明22.2保护层开采条件下覆岩裂隙带内空隙组成特征22.3保护层开采条件下覆岩裂隙带内气体物理性质23下保护层开采瓦斯解吸-扩散数学模型建立43.1瓦斯流态分析43.2下保护层开采卸压瓦斯流动力学模型53.3下保护层开采卸压瓦斯流动数学模型6

2、4基于FLUENT对3#煤层瓦斯运移规律模拟研究94.1FLUNET模型的网格划分及基本假设94.23#煤层卸压瓦斯运移规律解算分析105141问题提出及研究内容1.1问题的提出由于我国国民经济持续增长对煤炭需求量的不断攀升，导致了我国煤矿开采规模及开采深度不断的增加，随之而来的就是煤矿地应力变化复杂程度及煤层瓦斯赋存条件不确定性程度增加。煤矿能否安全生产已成为问题所在的关键，特别是在开采低透气性及高瓦斯、具有突出危险性煤层时，出现的沉斯问题已经严重威胁到煤矿安全、高效开采。目前公认能够有效消除煤与瓦斯突出性的措施是开采保护层(选定的保护层要求不具备双突危险)。为了保证保护

3、层安全开采及相关的瓦斯抽采工程能够有效实施，对于研究下保护层开采被保护层瓦斯解吸一扩散数学模型，掌握被保护层卸压瓦斯运移规律的研究是十分必要的，该研究结果可以对被保护层卸压瓦斯的抽采工程设计提供理论支持，以实现矿井安全高效的生产。1.2研究手段及内容通过理论分析、数值模拟等研究方法，确定下保护层幵采过程中上覆煤岩体的裂隙发育特征；应用渗流力学中双重介质渗流理论，研究下保护层幵采后上覆被保护层卸压瓦斯的解吸-扩散特征，建立被保护层卸压瓦斯自然解吸-扩散流动数学模型。为高瓦斯低透煤层瓦斯抽采、瓦斯灾害治理提供借鉴。(1)保护层开采条件下围岩变化特征对瓦斯运移规律影响；(2)保护

4、层开采条件下被保护层卸压瓦斯运移规律理论研究；(3)保护层开采条件下被保护层卸压瓦斯运移规律数值模拟研究。2保护层开采条件下覆岩裂隙带多孔介质性质研究2.1保护层开采模型地质及瓦斯条件说明被保护层：3#煤层上距K8砂岩30.30m〜46.07m，平均为38.86m,下距K7砂岩5.63m〜11.81m，平均8.97m，属稳定的全区AT采煤层。煤层厚度4.60m〜6.35m，平均厚度5.58m。3#煤层整体透气性普遍较差，瓦斯衰减速度整体较快，抽采难度极大，属于较难抽采煤层。保护层：8#煤层厚度为0.40m〜2.85m,平均1.22m,上距3#煤层间距30.53m〜41.07

5、m，平均间距37.13m,下距15#煤层间距38.92m〜70.79m，平均间距49.08m;8煤瓦斯含量6m3/t〜12m3/t(推断值)，残存瓦斯含量5.62m3/t〜6.47m3/t。2.2保护层开采条件下覆岩裂隙带内空隙组成特征保护层开采条件下覆岩裂隙将会产生层理、节理和裂隙，这三种组成了空隙系统。这种空隙系统分为两类：第一类在未受采动影响前煤层与岩层的孔隙、裂隙；第二类是因此井下进行采掘工程而产生的采动裂隙。这两类不同的孔隙、裂隙系统差别很大。(1)原始孔隙、裂隙：井下的煤岩层及其受力情况决定了原始孔、裂隙特点，该孔、裂隙与采动裂隙相比，平均尺寸和渗透性能都要小的

6、多。(2)采动孔隙、裂隙：该裂隙是瓦斯及其他气体主要的储存场所和运移通道。采动裂隙相比原始裂隙相比最大的特点就是随机性较大，且这种裂隙分布不均匀。影响采动裂隙的尺寸有如下因素：回采工作面采高、邻近层的煤岩特征及二次采动应力的影响。采动孔、裂隙的平均尺寸与渗透性能与原始孔、裂隙相比要大的多。2.3保护层开采条件下覆岩裂隙带内气体物理性质1)覆岩裂隙带内气体的基本假设(1)瓦斯和空气构成裂隙带内气体，为了方便分析上述气体视为在等温条件下运移；(2)裂隙带空间各个位置均视为有气体存在；(3)瓦斯和空气交汇后没有任何化学变化；(4)瓦斯从煤岩体里解吸扩散的瞬时性。2）裂隙带中气体物

7、理性质研宄（1）裂隙带中气体的浓度裂隙带内瓦斯气体浓度:混合气体瓦斯所占体积（匕^3）与混气体积混气体积（K•//?）的百分比，即XlOO%（2-1）V裂隙带内瓦斯质量浓度混气中瓦斯所占质量'，蚣，与混气总质量与混气总质量的百分比（w，々g），即xlOO%瓦斯质量浓度与体积浓度关系:8M+{Ma-式中：AT；—瓦斯摩尔质量，kg/mol；—空气摩尔质量，kg/mol；（2）裂隙带混气的密度裂隙带中沉斯的密度/V单位体积混气中瓦斯的质量（'，松），即PSm一pMrrqt式中：p—孔隙压力，Pa;&一普适气体常数，R