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(dòng)機(jī)理在一定濃度的范圍內(nèi)，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(huì)導(dǎo)致人員窒息和死亡，或加劇煤炭和瓦片的突出事故。掘進(jìn)面人員和設(shè)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(yù)防備受各方關(guān)注。研究煤層瓦斯流動(dòng)機(jī)理是掌握瓦斯流動(dòng)規(guī)律的前提,以往多是單純地研究掘進(jìn)面應(yīng)力、能量或者瓦斯分布和演化特征,很少對應(yīng)力與瓦斯的耦合效應(yīng)進(jìn)行分析。本文分別建立了機(jī)掘和炮掘2種采掘工藝下,煤巖應(yīng)力場和瓦斯流動(dòng)場的耦合作用模型,利用comsol模擬了掘進(jìn)面煤巖應(yīng)力場與瓦斯流動(dòng)場的耦合作用規(guī)律,以期為掘進(jìn)工作面瓦斯動(dòng)力災(zāi)害防治提供理論依據(jù),使理論分析和研究更符合工程實(shí)際。1煤巖介質(zhì)瓦斯為了建立本文的流固耦合數(shù)學(xué)模型,需要遵循有關(guān)物理定律,并做出如下假設(shè):煤巖體系小變形;煤巖為多孔介質(zhì);煤巖介質(zhì)為單相的瓦斯所飽和,瓦斯氣體儲(chǔ)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(yùn)動(dòng)及煤層變形運(yùn)動(dòng)的慣性力、煤層氣的體積力可以忽略不計(jì);流體在煤巖孔隙中的流動(dòng)服從達(dá)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(jī)掘工藝的應(yīng)力場方程由瓦斯及煤巖骨架所組成的多相介質(zhì)受到外力作用以后,煤巖固體骨架將產(chǎn)生變形,瓦斯同時(shí)產(chǎn)生流動(dòng)或原來的流動(dòng)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(zhì)固體骨架的有效應(yīng)力表達(dá)式:式中p為孔隙壓力,MPa;h為孔隙度;本構(gòu)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(jī)掘工藝的應(yīng)力場方程:動(dòng)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(xiàng)密度與速度偏導(dǎo)數(shù)的乘積外載荷項(xiàng),表達(dá)式為式中vi為煤巖運(yùn)動(dòng)速度(m/s);d為巖石密度(kg/m3)。1.2氣體密度和壓力關(guān)系假設(shè)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(zhì)量守恒方程和達(dá)西定律組成。煤巖多孔介質(zhì)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(dāng)計(jì)算單位體積煤巖中瓦斯含量時(shí),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(jì)算:式中m為瓦斯氣體的含量(kg/m3);h為煤巖多孔介質(zhì)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(gè)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(dòng)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(guān)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(zhì)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(zhì)中的流動(dòng)遵循氣體質(zhì)量守恒方程:式中m為瓦斯氣體含量(kg/m3);將達(dá)西定律、瓦斯氣體含量方程、理想氣體狀態(tài)方程代入質(zhì)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(yīng)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(xué)模型無法利用軟件中自帶的簡單模塊進(jìn)行求解,需要利用PDE,Generalform模型進(jìn)行建模,通過調(diào)整偏微分方程的各項(xiàng)系數(shù),將煤與瓦斯氣固耦合關(guān)系、瓦斯氣體的可壓縮性、煤巖多孔介質(zhì)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(jì)算過程中相一致,在初始設(shè)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(shè)置中使流固耦合控制方程和擬穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散方程進(jìn)行耦合,以便在求解器中進(jìn)行耦合計(jì)算。2.1模型建立與監(jiān)測選取淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司潘一礦11-2煤層掘進(jìn)工作面進(jìn)行不同掘進(jìn)工藝條件下的煤巖瓦斯流固耦合效應(yīng)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(jìn)面前方煤體距掘進(jìn)面1m和2m處分別設(shè)1號(hào)與2號(hào)監(jiān)測點(diǎn)。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(zhì)的煤炭和磚瓦耦合模擬結(jié)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(jìn)方向瓦斯壓力的分布情況?？梢钥闯?瓦斯壓力沿掘進(jìn)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(shí)的瓦斯壓力梯度;在距工作面5m范圍內(nèi),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(diǎn)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(yùn)移有較大的影響。2.2.2破脈沖應(yīng)力時(shí)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(shí)監(jiān)測點(diǎn)1、2的總位移、第一主應(yīng)力的變化情況進(jìn)行對比分析。由于爆破脈沖應(yīng)力的影響,圖中的曲線均呈現(xiàn)出明顯的波動(dòng),離工作面越近,位移、應(yīng)力曲線峰值越大,煤巖受擾動(dòng)影響的程度越大;每幅圖中,相同監(jiān)測點(diǎn)的耦合和非耦合曲線近乎于重合,表明由爆破應(yīng)力引起的煤體位移、應(yīng)力的變化,大于由耦合作用所引起的煤體位移、應(yīng)力變化,利用炮采掘進(jìn)工藝采煤時(shí),爆破作用是改變煤巖物理力學(xué)性質(zhì)的主導(dǎo)因素。2.2.3工作面周邊煤體應(yīng)力值比遠(yuǎn)圖5、圖6針對耦合和非耦合狀況下,機(jī)掘時(shí)監(jiān)測點(diǎn)1、2的總位移、第一主應(yīng)力的變化情況進(jìn)行對比分析。圖中曲線均較為平緩,表明機(jī)采掘進(jìn)工藝對煤巖體的擾動(dòng)作用較小。工作面附近煤體的總位移值大于遠(yuǎn)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(dòng)時(shí)不斷有新的煤壁產(chǎn)生,工作面附近的煤體應(yīng)力得以釋放,因此工作面附近煤體的應(yīng)力值小于遠(yuǎn)離工作面煤體的應(yīng)力值。相同位置煤巖,考慮耦合作用的應(yīng)力值小于不考慮耦合作用的應(yīng)力值,這是因?yàn)榭紤]耦合作用時(shí)的煤巖體應(yīng)力由煤巖體骨架和孔隙流體共同承擔(dān),而不考慮耦合作用時(shí)的煤巖體應(yīng)力由煤體骨架單獨(dú)承擔(dān)。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(jī)采掘進(jìn)工藝下的監(jiān)測點(diǎn)1、2的總位移變化曲線。無論是采用炮采掘進(jìn)工藝還是采用機(jī)采掘進(jìn)工藝,工作面附近監(jiān)測點(diǎn)的總位移峰值都大于遠(yuǎn)離工作面監(jiān)測點(diǎn)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(diǎn),當(dāng)采用炮采掘進(jìn)工藝時(shí),位移呈現(xiàn)波動(dòng)減小的變化,不同于機(jī)采掘進(jìn)工藝時(shí)的近似線性變化。圖8對比了炮采和機(jī)采掘進(jìn)工藝下的監(jiān)測點(diǎn)1、2的第一主應(yīng)力變化曲線。無論是采用炮采掘進(jìn)工藝還是采用機(jī)采掘進(jìn)工藝,工作面附近監(jiān)測點(diǎn)的第一主應(yīng)力峰值都大于遠(yuǎn)離工作面監(jiān)測點(diǎn)的第一主應(yīng)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(diǎn),當(dāng)采用炮采掘進(jìn)工藝時(shí),第一主應(yīng)力呈現(xiàn)波動(dòng)減小的變化,不同于機(jī)采掘進(jìn)工藝時(shí)的近似線性變化。2.2.5煤壁暴露后煤壁的支護(hù)分布圖9~圖11反映了巷道開挖后一年內(nèi)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(shí)間的增加而發(fā)生改變,整個(gè)巷道附近的瓦斯壓力在降低,沿巷道掘進(jìn)方向瓦斯壓力呈現(xiàn)漏斗狀分布。圖12為第30天時(shí)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(gè)單通過理論分析、現(xiàn)場觀測和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法,以潘一礦東三11-2煤層回風(fēng)下山炮掘工作面為背景,研究了掘進(jìn)面煤與瓦斯在不同掘進(jìn)工藝及參數(shù)條件下,應(yīng)力場與瓦斯流動(dòng)場的耦合作用關(guān)系,得出如下結(jié)論:(1)由于爆破波擾動(dòng)作用,炮掘工藝下的監(jiān)測點(diǎn)位移、應(yīng)力曲線有明顯的波動(dòng),而機(jī)掘工藝下的監(jiān)測點(diǎn)位移、應(yīng)力曲線較平緩;炮掘位移、應(yīng)力峰值大于機(jī)掘位移、應(yīng)力最大值,炮掘?qū)γ后w的破壞能力大于機(jī)掘。爆破掘進(jìn)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(shí)間的增加,機(jī)掘和炮掘工藝下的煤層應(yīng)力場和瓦斯流動(dòng)場的變化規(guī)律趨于一致。炮掘工藝下,爆破應(yīng)力對煤體應(yīng)力、位移的作用大于應(yīng)力耦合對其的作用,采用機(jī)掘工藝時(shí),應(yīng)該考慮應(yīng)力耦合的作用。(2)煤層瓦斯壓力隨著煤壁暴露時(shí)間的增加而發(fā)生改變,整個(gè)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(nèi)克爾記號(hào)。eij為外載作用下產(chǎn)生的應(yīng)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