保护层开采固-气动态耦合卸压瓦斯渗流-越流运移规律研究

Mining protective layer is one of the main methods to control the disaster of coal and gas outburst, the pressure relief gas migration law of protected layer is the foundation of gas control scheme in the process of protective layer mining. Pressure relief coal-rock mass has the characteristic of high permeability area and low permeability area in the protective layer mining, and it provides conditions for gas leakage. The project researches the influence of protective layer mining height and layer spacing on expansion deformation, permeability characteristics and other protective effect of protected layer; and set up quantitative relation between protective layer mining parameters and protective effect. Divided high permeability area and low permeability area of pressure relief coal-rock mass and determined gas leakage condition. Based on tension creep fracture, compression creep densification feature of pressure relief coal-rock mass and pore-fissure flow constitutive equation, the project established solid-gas dynamic coupling gas seepage-leakage mathematical model in the process of pressure relief coal-rock mass fracture-densification under the condition of nature and gas drainage. Based on mathematical model to numerical simulate definite problem of protective layer mining, analysis the coupling characteristics of fracture field and gas flow field, confirmed pressure relief gas seepage-leakage migration law under the natural condition and pressure relief gas drainage condition in the process of protective layer mining, revealed the control action of extraction effect on pressure relief gas seepage-leakage. The research achievements can provide theoretical basis for designing pressure relief gas drainage project and controlling gas disaster etc. in the protective layer mining.

开采保护层是防治煤与瓦斯突出灾害的主要方法之一，保护层开采过程中被保护层卸压瓦斯运移规律是确定瓦斯治理方案的基础。保护层开采卸压煤岩体具有高渗透区和低渗透区的渗透特性，为瓦斯越流提供条件。项目研究保护层采高、层间距等开采参数对被保护层膨胀变形、渗透特性等保护效果影响，建立保护层开采参数与保护效果定量关系。划分卸压煤岩体高渗透区和低渗透区，研究高低渗透区动态演化条件。以卸压煤岩体拉张蠕变破裂-压缩蠕变密实特征、孔隙-裂隙渗流本构方程为基础，建立卸压煤岩体破裂-密实过程中自然状态下和瓦斯抽采条件下固-气动态耦合的瓦斯渗流-越流数学模型。基于数学模型对保护层开采定解问题进行数值模拟，分析采动裂隙场与瓦斯流动场耦合特征，确定保护层开采过程中自然状态下和瓦斯抽采作用下卸压瓦斯渗流-越流运移规律，揭示抽采对卸压瓦斯渗流-越流的控制作用。成果为保护层开采卸压瓦斯抽采方案设计、瓦斯灾害防治等提供理论依据。

我国是世界上煤与瓦斯突出灾害最严重的国家之一，随着开采深度的增加，矿井煤与瓦斯突出灾害越来越严重，严重影响了煤矿的安全高效生产。开采保护层是有效的区域防突技术之一，并在多个矿区得到成功应用，亦是《煤矿安全规程》推荐的应优先考虑的防治措施。在保护层开采过程中，卸压煤岩体的裂隙发育、渗透率特征等都处于动态变化中，使卸压瓦斯渗流-越流运动规律复杂，同时，被保护层瓦斯涌出规律随时间和空间也在变化，提高了卸压瓦斯治理的难度。以往关于保护层开采与瓦斯渗流-越流运移规律的研究，多针对煤岩试件孔隙结构与瓦斯渗流特性，对工程尺度范围的卸压煤岩体渗透特征及瓦斯运移规律研究较少。保护层开采过程中被保护层卸压瓦斯运移规律是确定瓦斯治理方案的基础。项目对保护层开采参数与保护效果关系，卸压煤岩体渗透率动态演化特征，固-气动态耦合的瓦斯运移数学模型、运动规律等进行研究。通过项目研究，建立了保护层开采参数与保护效果间的函数关系式，探讨了保护层开采参数对保护效果的定量影响机制；提出了实验室条件下被保护层膨胀变形的“四个定点围域面积”分析方法；获得了保护层开采过程中卸压煤岩体拉张蠕变破裂-压缩蠕变密实性质及其渗透演化规律；实验研究了煤岩孔裂隙结构与损伤因子的函数关系，并据此对卸压损伤煤岩体的渗透率进行了修正；研发了真三轴三维卸压煤岩体流固耦合模拟系统，克服了试件尺寸小、边界效应大等问题；构建了考虑裂隙各向异性及基质渗流项的煤层瓦斯流固耦合模型，揭示了基质、裂隙系统对瓦斯渗流运动的控制作用，并分析了抽采作用对瓦斯渗流的影响；建立了保护层开采卸压煤岩体渗流-越流数学模型，揭示了保护层开采固-气动态耦合卸压瓦斯渗流-越流运移规律。项目成果在晋城矿区长平煤矿、大同矿区塔山煤矿进行了实际应用，取得了良好的效果。