考慮爆破因素的煤與瓦斯流固耦合作用規(guī)律研究

考慮爆破因素的煤與瓦斯流固耦合作用規(guī)律研究

煤層瓦斯流動機理在一定濃度的范圍內，一定濃度的磚瓦在特定條件下燃燒和爆炸。如果濃度過高，則會導致人員窒息和死亡，或加劇煤炭和瓦片的突出事故。掘進面人員和設備較為集中,該處的瓦斯防治工作尤為重要,煤礦瓦斯的研究及預防備受各方關注。研究煤層瓦斯流動機理是掌握瓦斯流動規(guī)律的前提,以往多是單純地研究掘進面應力、能量或者瓦斯分布和演化特征,很少對應力與瓦斯的耦合效應進行分析。本文分別建立了機掘和炮掘2種采掘工藝下,煤巖應力場和瓦斯流動場的耦合作用模型,利用comsol模擬了掘進面煤巖應力場與瓦斯流動場的耦合作用規(guī)律,以期為掘進工作面瓦斯動力災害防治提供理論依據(jù),使理論分析和研究更符合工程實際。1煤巖介質瓦斯為了建立本文的流固耦合數(shù)學模型,需要遵循有關物理定律,并做出如下假設:煤巖體系小變形;煤巖為多孔介質;煤巖介質為單相的瓦斯所飽和,瓦斯氣體儲存于煤層中分別呈游離態(tài)和吸附態(tài),煤層瓦斯含量遵循朗格繆爾方程;游離煤層氣滲流運動及煤層變形運動的慣性力、煤層氣的體積力可以忽略不計;流體在煤巖孔隙中的流動服從達西定律;滲流可以按照等溫過程處理;煤層瓦斯按照理想狀態(tài)氣體處理。1.1機掘工藝的應力場方程由瓦斯及煤巖骨架所組成的多相介質受到外力作用以后,煤巖固體骨架將產生變形,瓦斯同時產生流動或原來的流動狀況發(fā)生改變。煤巖固體骨架的變形是在外部載荷和瓦斯壓力的共同作用下發(fā)生的。多孔介質固體骨架的有效應力表達式:式中p為孔隙壓力,MPa;h為孔隙度;本構方程:式中G為剪切模量,Pa;g為泊松比;a為biot壓縮系數(shù)。將式(1)~式(3)代入式(4),得到機掘工藝的應力場方程:動載條件下的平衡方程為在靜載條件下的平衡方程右端增加一項密度與速度偏導數(shù)的乘積外載荷項,表達式為式中vi為煤巖運動速度(m/s);d為巖石密度(kg/m3)。1.2氣體密度和壓力關系假設滲流過程中溫度保持不變,即等溫情況下,滲流控制方程由質量守恒方程和達西定律組成。煤巖多孔介質由單相瓦斯氣體所飽和,瓦斯以自由態(tài)和吸附態(tài)賦存于孔隙中,當計算單位體積煤巖中瓦斯含量時,其是自由態(tài)的瓦斯含量與吸附態(tài)的瓦斯含量的和。煤中吸附瓦斯的含量可通過Langmuir方程計算:式中m為瓦斯氣體的含量(kg/m3);h為煤巖多孔介質的孔隙度;dg為瓦斯氣體的密度(kg/m3);dga為一定外界壓力作用下瓦斯氣體的密度(kg/m3),dga=UPa,其中Pa為一個大氣壓;VL為Langmuir體積參數(shù)(m3/kg);式中qg為Darcy流速度(m/s);kg為滲透系數(shù)(m2);_g為動力粘度系數(shù)(Pa·s)。理想氣體狀態(tài)方程反映了氣體密度和壓力之間的關系:式中dg為氣體密度(kg/m3);P為孔隙壓力(Pa);U為氣體的壓縮系數(shù)(kg·m3·Pa-1),U=Mg/RT,其中Mg為氣體摩爾質量(kg/kmol),R為瓦斯氣體常數(shù)(J·kmol-1·K-1),T為氣體溫度(K)。在等溫條件下,氣體在多孔介質中的流動遵循氣體質量守恒方程:式中m為瓦斯氣體含量(kg/m3);將達西定律、瓦斯氣體含量方程、理想氣體狀態(tài)方程代入質量守恒方程:1.3煤層滲流場邊界(1)流場定解條件:(1)初始條件為,其中p0為煤層中始瓦斯壓力(Pa);(2)滲流場邊界條件為p|邊界=pi,其中pi為各邊界瓦斯壓力(Pa)。(2)應力場定解條件:(1)初始條件為;2煤-瓦斯耦合模型模擬建立的物理模型為三維立體模型,由于前文建立的數(shù)學模型無法利用軟件中自帶的簡單模塊進行求解,需要利用PDE,Generalform模型進行建模,通過調整偏微分方程的各項系數(shù),將煤與瓦斯氣固耦合關系、瓦斯氣體的可壓縮性、煤巖多孔介質中瓦斯氣體的吸附、解吸特性等因素引入到方程的求解中。為了使所選用的PDE模塊與Darcy定律模塊在計算過程中相一致,在初始設置中,將ComsolMultiphysicsPDE的因變量由原來表示位移因素的u修改為表示孔隙壓力的p,這樣在subdomainsetting設置中使流固耦合控制方程和擬穩(wěn)態(tài)擴散方程進行耦合,以便在求解器中進行耦合計算。2.1模型建立與監(jiān)測選取淮南礦業(yè)(集團)有限責任公司潘一礦11-2煤層掘進工作面進行不同掘進工藝條件下的煤巖瓦斯流固耦合效應的數(shù)值模擬研究。利用comsol軟件建立的模型長×寬×高(x×y×z)=15m×15m×5m,巷道長×寬×高(x×y×z)=10m×2m×2m,煤層初始孔隙壓力1.7MPa。在掘進面前方煤體距掘進面1m和2m處分別設1號與2號監(jiān)測點。本文主要研究煤與瓦斯的耦合作用,而煤層頂?shù)装鍨椴煌笟鈱?故模擬中沒有體現(xiàn)。幾何模型和參數(shù)見圖1和表1。2.2基于挖掘和巖石性質的煤炭和磚瓦耦合模擬結果的分析2.2.1工作面瓦斯吸附的影響圖2顯示了考慮解吸和不考慮解吸條件下沿掘進方向瓦斯壓力的分布情況?？梢钥闯?瓦斯壓力沿掘進方向以非線性形式分布,且在工作面附近存在較大的瓦斯壓力梯度,考慮吸附解吸作用的瓦斯壓力梯度小于不考慮吸附解吸作用時的瓦斯壓力梯度;在距工作面5m范圍內,考慮吸附解吸作用的煤層瓦斯壓力大于不考慮吸附解吸作用的煤層瓦斯壓力。2種條件下的相同監(jiān)測點瓦斯壓力的差值表明,煤與瓦斯的吸附、解吸作用對煤中瓦斯的運移有較大的影響。2.2.2破脈沖應力時煤巖破沖特性分析圖3、圖4針對耦合和非耦合狀況下,炮掘時監(jiān)測點1、2的總位移、第一主應力的變化情況進行對比分析。由于爆破脈沖應力的影響,圖中的曲線均呈現(xiàn)出明顯的波動,離工作面越近,位移、應力曲線峰值越大,煤巖受擾動影響的程度越大;每幅圖中,相同監(jiān)測點的耦合和非耦合曲線近乎于重合,表明由爆破應力引起的煤體位移、應力的變化,大于由耦合作用所引起的煤體位移、應力變化,利用炮采掘進工藝采煤時,爆破作用是改變煤巖物理力學性質的主導因素。2.2.3工作面周邊煤體應力值比遠圖5、圖6針對耦合和非耦合狀況下,機掘時監(jiān)測點1、2的總位移、第一主應力的變化情況進行對比分析。圖中曲線均較為平緩,表明機采掘進工藝對煤巖體的擾動作用較小。工作面附近煤體的總位移值大于遠離工作面煤體的總位移值,相同位置的煤巖,考慮耦合作用的位移值大于不考慮耦合作用的位移值。采動時不斷有新的煤壁產生,工作面附近的煤體應力得以釋放,因此工作面附近煤體的應力值小于遠離工作面煤體的應力值。相同位置煤巖,考慮耦合作用的應力值小于不考慮耦合作用的應力值,這是因為考慮耦合作用時的煤巖體應力由煤巖體骨架和孔隙流體共同承擔,而不考慮耦合作用時的煤巖體應力由煤體骨架單獨承擔。2.2.4工作面周邊煤體變形程度對比圖7對比了炮采和機采掘進工藝下的監(jiān)測點1、2的總位移變化曲線。無論是采用炮采掘進工藝還是采用機采掘進工藝,工作面附近監(jiān)測點的總位移峰值都大于遠離工作面監(jiān)測點的總位移峰值,表明工作面附近煤體變形程度較大;相同的監(jiān)測點,當采用炮采掘進工藝時,位移呈現(xiàn)波動減小的變化,不同于機采掘進工藝時的近似線性變化。圖8對比了炮采和機采掘進工藝下的監(jiān)測點1、2的第一主應力變化曲線。無論是采用炮采掘進工藝還是采用機采掘進工藝,工作面附近監(jiān)測點的第一主應力峰值都大于遠離工作面監(jiān)測點的第一主應力峰值,表明工作面附近煤體所受荷載較大;相同的監(jiān)測點,當采用炮采掘進工藝時,第一主應力呈現(xiàn)波動減小的變化,不同于機采掘進工藝時的近似線性變化。2.2.5煤壁暴露后煤壁的支護分布圖9~圖11反映了巷道開挖后一年內煤層中瓦斯壓力的變化情況?？梢钥闯?煤層中的瓦斯壓力隨著煤壁暴露時間的增加而發(fā)生改變,整個巷道附近的瓦斯壓力在降低,沿巷道掘進方向瓦斯壓力呈現(xiàn)漏斗狀分布。圖12為第30天時的煤層z方向位移云圖?？梢郧逦乜闯?煤層上表面煤體豎向位移呈以巷道頂端為中心的“O”字型分布,且以“O”字中心處的位移值最大,約為14mm。3爆破引起的瓦斯?jié)B透,這是一個單通過理論分析、現(xiàn)場觀測和數(shù)值計算相結合的方法,以潘一礦東三11-2煤層回風下山炮掘工作面為背景,研究了掘進面煤與瓦斯在不同掘進工藝及參數(shù)條件下,應力場與瓦斯流動場的耦合作用關系,得出如下結論:(1)由于爆破波擾動作用,炮掘工藝下的監(jiān)測點位移、應力曲線有明顯的波動,而機掘工藝下的監(jiān)測點位移、應力曲線較平緩;炮掘位移、應力峰值大于機掘位移、應力最大值,炮掘對煤體的破壞能力大于機掘。爆破掘進對瓦斯涌出規(guī)律的影響有限,在爆破瞬間,爆破荷載對工作面的影響較大,隨著時間的增加,機掘和炮掘工藝下的煤層應力場和瓦斯流動場的變化規(guī)律趨于一致。炮掘工藝下,爆破應力對煤體應力、位移的作用大于應力耦合對其的作用,采用機掘工藝時,應該考慮應力耦合的作用。(2)煤層瓦斯壓力隨著煤壁暴露時間的增加而發(fā)生改變,整個巷道附近的瓦斯壓力有降低的趨勢,呈現(xiàn)漏斗狀分布。(3)煤層上表面煤體豎向位移邊界呈以巷道頂端為中心的“O”型分布,且以“O”型中心處位移值最大,約為14mm。Wij為克羅內克爾記號。eij為外載作用下產生的應力,MPa;ds為煤巖體密度(kg/m3);P為孔隙壓力(Pa);PL為Langmuir壓力參數(shù)(1/Pa)。瓦斯在煤巖體中的滲流遵循Darcy