采动覆岩破断对卸压瓦斯储运的动力学响应机理

采用"固气"耦合物理相似模拟实验、数值模拟、工程实践及理论分析等方法对覆岩采动裂隙与卸压瓦斯储运关系开展研究。通过现场观测、"固气"耦合物理相似材料模拟和数值模拟实验，分析覆岩岩性、采高、工作面尺寸、推进速度、开采工艺等不同条件下的采动覆岩破断煤岩体的形态特征及裂隙演化规律，并在此条件下分析配风量、瓦斯含量及压力对卸压瓦斯运移与储集时空分布的影响；应用流体动力学、传质学、断裂力学、损伤力学以及采动岩体力学等理论，推导卸压瓦斯储运方程与采动裂隙演化控制方程，通过耦合因子构建多因素影响下的"固气"耦合动力学模型，揭示采动覆岩破断对卸压瓦斯储运的动力学响应机理。分析抽采方式、抽采参数等对覆岩采动裂隙带中导流抽采瓦斯的影响，找到关键影响因素，建立与卸压瓦斯抽采布置参数的定量化关系，通过现场工业性试验，分析导流抽采裂隙带中瓦斯的储运规律及治理效果，为有效防治煤矿瓦斯灾害提供理论基础。

煤层采动卸压后，导致采场上覆岩层弯曲、破断，进而产生裂隙，其渗流结构也得以改变，瓦斯得以解吸，进行大量扩散渗流，明确采动破断覆岩演化与卸压瓦斯渗流机理，对确定瓦斯抽采方法、有效防治瓦斯灾害具有重要意义。项目综合运用理论分析、电镜扫描、压汞实验、煤吸附甲烷实验、MTS数控电液伺服渗流实验、数值模拟、物理相似材料模拟以及工业性试验相结合的研究方法，对采动覆岩破断与卸压瓦斯储运规律展开研究。.通过电镜扫描及压汞实验，分析了煤体微结构及孔隙孔容结构特征；应用煤吸附甲烷实验，研究了温度、含水量及煤样粒度等因素对煤吸附甲烷的影响；采用MTS电液伺服渗流试验，分析了煤体在变形破坏全过程的渗透率变化特征。基于物理相似材料模拟实验及数值模拟，研究了单层及双重开采条件下煤层开采后覆岩裂隙产生、发展的时空规律和分布形态以及充分卸压范围与特征，得到采动覆岩穿层破断裂隙和层面离层裂隙贯通后，空间分布形状是一个动态变化的采动裂隙圆矩梯台带，并得到演化高度、走向带宽距、倾向带宽距及断裂角等主要参数。通过数值模拟及理论分析，研究了采高、重复开采、覆岩岩性、煤层倾角、工作面宽度等因素对采动裂隙带形态的影响。应用岩层控制关键层理论、弹性薄板理论等，分析了采动裂隙带动态演化特征及力学机理。运用矿山采动岩体力学、弹塑性力学、多孔介质力学、渗流力学以及传质学原理，建立了采动覆岩破断裂隙演化与卸压瓦斯运移数学模型。应用FLUENT软件对U型、U+L型、U型+走向高抽巷等通风条件下瓦斯运移规律进行了数值模拟，得到了合理的尾巷联络巷间距以及高抽巷布置参数。通过山西和顺天池能源有限公司现场实践表明，说明覆岩采动破断后使原始煤体瓦斯得以卸压、解吸、扩散及渗流，同时形成了卸压瓦斯运移的通道，提供了卸压瓦斯聚集的空间，采动裂隙带是卸压瓦斯的储运区域，将瓦斯抽采系统布置其中，可取得良好效果，为实现煤与瓦斯共采提供了一定依据。