畢業(yè)論文答辯

辯論人：趙吉園指導(dǎo)老師：劉偉韜山東科技大學(xué)2023年度學(xué)士論文辯論CONTENTS124緒論底板突水機(jī)理及影響因素深部承壓水上開采平安性評價安居煤礦深部承壓水上開采多物理場模擬研究與平安性評價5結(jié)論與展望3多物理場耦合數(shù)值模擬研究1緒論1.1研究背景及研究意義隨著我國淺部煤炭資源的日益枯竭和不斷增長的煤炭需求，開采埋藏更深的煤炭資源已經(jīng)成為了必然的趨勢。深部煤炭資源開采誘導(dǎo)的高承壓水突出問題是我國煤礦平安生產(chǎn)的重大隱患和技術(shù)難題。研究背景1.1研究背景及研究意義深部承壓水上開采與淺部的區(qū)別在于“三高〞〔高應(yīng)力、高地溫和高水壓〕環(huán)境，深部巖體“高地應(yīng)力、高承壓水壓及高地溫〞在采礦擾動作用下的特殊地質(zhì)力學(xué)環(huán)境，是導(dǎo)致深部開采中突水事故出現(xiàn)多發(fā)性和突發(fā)性的根本原因所在，巖體破壞前后的力學(xué)演化過程中的應(yīng)力-滲流-地溫耦合機(jī)制成為亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。研究意義1.2主要研究內(nèi)容技術(shù)路線技術(shù)路線2底板突水機(jī)理及影響因素底板突水機(jī)理及影響因素高地應(yīng)力：當(dāng)煤層被采出后，采空區(qū)直接頂在重力作用下，產(chǎn)生向下的移動和彎曲、斷裂直至垮落，而老項那么以巖梁的形式運(yùn)動，產(chǎn)生離層，進(jìn)而斷裂。由于覆巖運(yùn)動，引起工作面圍巖應(yīng)力重新分布，煤壁前方應(yīng)力集中，對底板巖體產(chǎn)生加載破壞。高承壓水：承壓水隨開采深度的增加而增大，使原生節(jié)理、裂隙發(fā)育增加，萌生裂隙也隨之增多。隨著裂隙的萌生、相互貫穿，隔水層的滲透性增強(qiáng)，承壓水在孔隙中的流動性也增強(qiáng)，進(jìn)而使含水層的富水性增強(qiáng)，底板的侵蝕破壞范圍增大。高地溫：高地溫的影響表現(xiàn)在，一方面當(dāng)巖體內(nèi)溫度場發(fā)生變化時影響巖體的物理力學(xué)性質(zhì)，導(dǎo)致巖石的彈性模量和強(qiáng)度出現(xiàn)一定程度變化，同時溫度的變化會產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而引起巖體原有應(yīng)力場的變化。另一方面巖體在應(yīng)力場的作用下，會出現(xiàn)巖體裂隙的萌生、擴(kuò)展演化，當(dāng)裂隙內(nèi)部不存在水流時，裂隙的變化將會對熱傳導(dǎo)造成一定的阻滯，宏觀上影響到整體的熱傳導(dǎo)系數(shù)，從而導(dǎo)致溫度場的變化。因此，巖體之間的溫度場與應(yīng)力場相互影響不斷耦合，最終到達(dá)一種動態(tài)平衡狀態(tài)。3多物理場耦合數(shù)值模擬研究3.1數(shù)值模擬模型的建立運(yùn)用多物理場全耦合數(shù)值模擬軟件COMSOLMultiphysics建立模型。

幾何模型選用二維模型，根據(jù)3上煤層實(shí)際頂?shù)装迩闆r，將煤層傾角設(shè)為水平；工作面巖煤層走向開采，推進(jìn)方向設(shè)為X軸，長為253m；重力方向設(shè)為Y軸，從上到下劃分為8層：上覆巖層3層，自上而下依次為砂巖45m、泥巖30m、砂巖15m；煤層3m；煤層下部4層巖層，自上而下依次為泥巖4.2m、砂巖50.3m、泥巖35m、含水灰?guī)r5.7m。幾何模型3.1數(shù)值模擬模型的建立建立和定義好幾何模型和各巖層物理參數(shù)后，就要對模型進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化分。為了減少計算量但又保證一定的精確度，網(wǎng)格的單元尺寸選用標(biāo)準(zhǔn)級別。網(wǎng)絡(luò)劃分序號巖層性質(zhì)密度（kg/m3）體積模量（GPa）剪切模量（GPa）滲透率（m2）孔隙率1砂巖26609.8968.0511e-140.052泥巖24808.7304.2642e-140.123砂巖26609.8968.0511e-140.054煤14005.4551.2956e-140.205泥巖24808.7304.2642e-140.126砂巖26609.8968.0511e-140.057泥巖24808.7304.2642e-140.128含水灰?guī)r262010.4175.9521e-130.253.1數(shù)值模擬模型的建立總體研究步驟高地應(yīng)力作用下煤層底板數(shù)值模擬研究應(yīng)力-滲流耦合下煤層底板數(shù)值模擬研究應(yīng)力-滲流-溫度耦合下煤層底板數(shù)值模擬研究3.2高地應(yīng)力作用下煤層底板數(shù)值模擬研究研究步驟123第一步推進(jìn)25m，以后每步推進(jìn)10m，推進(jìn)14步，共推進(jìn)155m工作面推進(jìn)方案研究方案采用穩(wěn)態(tài)研究，并對不同進(jìn)尺進(jìn)行參數(shù)化掃描，以便于得出不同開挖進(jìn)尺情況下底板受力破壞情況。研究方案模型頂端受到上覆887m的巖層的重力和自重，上覆巖層的重力用邊界載荷代替，約22MPa，模型自重在軟件中開啟重力效應(yīng)和定義體載荷即可定義。模型下段固定，左右兩側(cè)邊界采用輥支撐。邊界條件設(shè)定3.2高地應(yīng)力作用下煤層底板數(shù)值模擬研究由圖可知，開挖前，隨著深度的增加，豎直方向應(yīng)力逐漸增大，最大應(yīng)力發(fā)生在模型最底部。這是由于模型上部受到上覆巖層的載荷及自重載荷，在重力的作用下，深度越大，應(yīng)力越大。這與實(shí)際的巖層應(yīng)力分布情況相一致。初始應(yīng)力分布3.2高地應(yīng)力作用下煤層底板數(shù)值模擬研究由圖可知，開挖后，隨著工作面的不斷推進(jìn)，采場圍巖的應(yīng)力會重新分布，在開切眼和工作面附近會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，且應(yīng)力集中的最大值也逐漸增大，與煤層實(shí)際開采情況相符。開挖后應(yīng)力分布3.3應(yīng)力-滲流耦合下煤層底板數(shù)值模擬研究研究步驟1423第一步推進(jìn)25m，以后每步推進(jìn)10m，推進(jìn)14步，共推進(jìn)155m工作面推進(jìn)方案研究方案采用穩(wěn)態(tài)研究，并對推進(jìn)尺進(jìn)行參數(shù)化掃描，以便于得出不同開挖進(jìn)尺情況下底板所受承壓水壓力分布情況研究方案模型頂端受到上覆887m的巖層的重力和自重，上覆巖層的重力用邊界載荷代替，約22MPa，模型自重在軟件中開啟重力效應(yīng)和定義體載荷即可定義。模型下段固定，左右兩側(cè)邊界采用輥支撐。應(yīng)力邊界條件設(shè)定在模型底部含水灰?guī)r下邊界加4MPa的水壓，模型上部邊界為卸壓邊界承壓水邊界條件設(shè)定經(jīng)過計算，得出不同開挖進(jìn)尺情況下底板承壓水壓力分布情況，由以下圖明顯可以看出，煤層底板所承受的水壓隨著工作面的推進(jìn)逐步增加。底板承壓水壓力分布3.3應(yīng)力-滲流耦合下煤層底板數(shù)值模擬研究右圖是工作面由25m推進(jìn)至155m的過程中直接底上部邊界所承受的水壓分布圖，最大值分別為分別為2.154MPa、2.214MPa、2.274MPa、2.333MPa、2.390MPa、2.444MPa、2.495MPa、2.543MPa、2.587MPa、2.629MPa、2.667MPa、2.702MPa、2.735MPa、2.764MPa。

由此可以得出工作面推進(jìn)過程中煤層直接底上部邊界承受的最大水壓為2.764MPa承壓水壓力分布3.3應(yīng)力-滲流耦合下煤層底板數(shù)值模擬研究突水危險性評價3.3應(yīng)力-滲流耦合下煤層底板數(shù)值模擬研究

結(jié)合數(shù)值模擬計算結(jié)果，運(yùn)用底板有效隔水層能夠承受的極限水壓理論判斷煤層是否有突水危險性。極限水壓公式為：根據(jù)上式經(jīng)對不同工作面進(jìn)尺計算，得出底板所能承受的最小極限水壓值為：由計算結(jié)果得出，煤層直接底上部邊界承受的最大水壓2.764MPa小于整個推進(jìn)郭程中最小極限水壓，所以據(jù)此可以推斷整個推進(jìn)過程不會發(fā)生突水。3.3應(yīng)力-滲流-溫度耦合下煤層底板數(shù)值模擬研究研究步驟14253第一步推進(jìn)25m，以后每步推進(jìn)10m，推進(jìn)14步，共推進(jìn)155m工作面推進(jìn)方案根據(jù)安居煤礦實(shí)測溫度資料，采場圍巖設(shè)置為37℃，下部邊界設(shè)置為51.7℃，上部邊界設(shè)置為47.32℃。溫度邊界條件設(shè)置模型頂端受到上覆887m的巖層的重力和自重，上覆巖層的重力用邊界載荷代替，約22MPa，模型自重在軟件中開啟重力效應(yīng)和定義體載荷即可定義。模型下段固定，左右兩側(cè)邊界采用輥支撐。應(yīng)力邊界條件設(shè)定在模型底部含水灰?guī)r下邊界加4MPa的水壓，模型上部邊界為卸壓邊界承壓水邊界條件設(shè)定在研究滲流場對溫度分布的影響時，由于安居煤礦承壓水埋深較大，滲流速度較小，對溫度分布的影響也較小，為了便于研究滲流場對溫度場的影響，放大滲流速度。并對不同放大倍數(shù)進(jìn)行參數(shù)化掃描研究方案3.3應(yīng)力-滲流-溫度耦合下煤層底板數(shù)值模擬研究由圖可知，隨著工作面的推進(jìn)，溫度場會重新分布，但是，僅在推進(jìn)方向上溫度會有所變化，而這種變化僅僅是采場附近的溫度會變化，而在豎直方向上，整個巖層溫度變化不大，即工作面推進(jìn)過程中對溫度梯度幾乎沒有影響。地溫分布3.3應(yīng)力-滲流-溫度耦合下煤層底板數(shù)值模擬研究根據(jù)研究方案，為了便于研究滲流場對溫度場的影響，將滲流速度放大，具體方案是將上節(jié)計算出的滲流速度按10到100倍放大，計算出溫度分布情況，如下圖。由圖很明顯的看出，隨著滲流速度的增大，采場圍巖的原有溫度場在速度向上的滲流場的影響下，溫度場重新分布，熱交換平衡區(qū)向滲流速度方向偏移，所以等溫線向上偏移。滲流場對溫度場分布的影響分析3.3應(yīng)力-滲流-溫度耦合下煤層底板數(shù)值模擬研究右圖給出了同一深度處〔據(jù)直接底上部邊界50m處〕的煤層底板在滲流速度影響下溫度變化情況，由圖可以很明顯的看出當(dāng)滲流速度放大10倍時與放大100倍時，溫度差最大可以到達(dá)3℃。滲流場對溫度場分布的影響分析3.3應(yīng)力-滲流-溫度耦合下煤層底板數(shù)值模擬研究取工作面推進(jìn)25m時采空區(qū)矩形的豎直中線作為截線，如右以下圖4所示，取該截線上的所有模型點(diǎn)，繪制不同滲流速度下的溫度分布曲線，如左以下圖所示。由兩圖明顯的看出，滲流速度越大，溫度的變化曲線曲率就越大，溫度曲線偏離理論地溫曲線就越大，而理論地溫曲線是一條直線，斜率就是地溫梯度，所以滲流速度越大，對地溫梯度的影響就越大。滲流場對溫度場分布的影響分析4深部承壓水上開采安全性評價4.1煤層開采平安性評價方法評價方法方法一：底板阻水厚度法方法二：突水系數(shù)法方法選擇本文根據(jù)安居煤礦工程實(shí)際，選用底板阻水厚度法評價。4.2底板阻水厚度法本文對2307工作面進(jìn)行承壓水上開采平安性評價1、底板導(dǎo)水破壞深度h1計算工作面斜長253m，煤層傾角5°，采深980m，采用經(jīng)驗(yàn)公式法計算。①只考慮工作面斜長②考慮采深、傾角和工作面斜長所以，底板導(dǎo)水破壞深度取取32.1131m2、底板阻水帶厚度計算隔水層的范圍為三灰上到3上煤層底板，厚度為71.85～110.19m，平均89.50m。作用于底板隔水的水壓取4MPa/m。3上煤層底板至山西組底平均54.5m，以中、細(xì)砂巖為主，阻水系數(shù)取0.3MPa/m；山西組底至三灰頂厚30.11～40.50m，平均35.00m，主要為泥巖、粉砂巖，具良好的隔水性能，泥巖、粉砂巖阻水系數(shù)均取0.2MPa/m。4.2底板阻水厚度法3、承壓水導(dǎo)升高度帶計算方法井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)奧灰有原始導(dǎo)升高度，故按無導(dǎo)高處理4、結(jié)論有以上計算得出平安煤巖柱厚度為：隔水層的范圍為三灰上到3上煤層底板，厚度為71.85～110.19m，大于平安煤巖柱厚度，可見，正常情況下，底板隔水層厚度可以抵抗承壓含水層水壓。5結(jié)論與展望5.1結(jié)論2307工作面沒有突水危險，可以進(jìn)行平安開采創(chuàng)新點(diǎn)開采平安性評價運(yùn)用阻水厚度法評價，得出的平安煤巖柱厚度小于底板隔水層總厚度，不會發(fā)生突水。流-固-熱三場耦合模型研究一直是熱點(diǎn)和難點(diǎn)，應(yīng)用于煤礦底板突水領(lǐng)域的模型很少，本文通過COMSOLMultiphysics創(chuàng)新性地建立了應(yīng)用于煤礦底板突水領(lǐng)域的應(yīng)力場-滲流場-溫度場三場耦合數(shù)值模擬模型，并通過對模型的計算，得出了符合煤層實(shí)際開采時的結(jié)論。123本文得出的結(jié)論缺少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，數(shù)值模擬畢竟不是真實(shí)的物理世界，所以，要盡可能的現(xiàn)場做實(shí)驗(yàn)。對多物理場