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基本信息

項(xiàng)目名稱(chēng)：
覆巖采動(dòng)裂隙演化與卸壓瓦斯?jié)B流規(guī)律相似材料模擬實(shí)驗(yàn)研究
小類(lèi)：
能源化工
簡(jiǎn)介：
實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)利用固氣兩相相似材料模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，分析了采動(dòng)覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律、破斷裂隙分布特征以及采動(dòng)裂隙場(chǎng)的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律；同時(shí)分析了不同推進(jìn)距離、裂隙分布對(duì)采動(dòng)覆巖滲流特性的影響，以及覆巖滲流速率變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)表明，隨著工作面的推進(jìn)，裂隙發(fā)育經(jīng)歷了形成、擴(kuò)展和閉合三階段，呈現(xiàn)出切眼裂隙發(fā)育區(qū)、中部壓實(shí)區(qū)以及工作面裂隙發(fā)育區(qū)三區(qū)域演化規(guī)律，滲流速度隨工作面的推進(jìn)形成一個(gè)升高、降低、再升高的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。
詳細(xì)介紹：
采動(dòng)覆巖裂隙演化及其中瓦斯?jié)B流規(guī)律與卸壓瓦斯抽采系統(tǒng)的布置密切相關(guān)。實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了由供氣系統(tǒng)、壓力平衡系統(tǒng)、流速測(cè)定系統(tǒng)、開(kāi)采系統(tǒng)等組成的固氣兩相相似材料模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，保證了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的氣密性。利用該模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，分析了隨著工作面的推進(jìn)，采動(dòng)覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律、破斷裂隙分布特征以及采動(dòng)裂隙場(chǎng)的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律；同時(shí)分析了不同推進(jìn)距離、裂隙分布等對(duì)采動(dòng)覆巖滲流特性的影響，以及采動(dòng)裂隙場(chǎng)內(nèi)覆巖滲流速率變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)表明，上覆巖層隨著工作面的推進(jìn)，裂隙發(fā)育經(jīng)歷了形成、擴(kuò)展和閉合三階段，呈現(xiàn)出切眼裂隙發(fā)育區(qū)、中部壓實(shí)區(qū)以及工作面裂隙發(fā)育區(qū)三區(qū)域演化規(guī)律。同時(shí)，上覆巖層滲流速度隨著工作面的推進(jìn)形成一個(gè)升高、降低、再升高的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。研究結(jié)果為合理布置瓦斯抽采系統(tǒng)提供了一定的理論依據(jù)。

作品專(zhuān)業(yè)信息

撰寫(xiě)目的和基本思路

為得到采動(dòng)覆巖裂隙演化及其中卸壓瓦斯?jié)B流規(guī)律，論文在分析國(guó)內(nèi)外在此方面的研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，通過(guò)自主研發(fā)的煤與瓦斯固氣耦合相似材料模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)煤層開(kāi)采過(guò)程中采動(dòng)裂隙的動(dòng)態(tài)演化及卸壓瓦斯?jié)B流特性進(jìn)行系統(tǒng)研究。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

（1）自主研發(fā)了固氣兩相相似材料模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了密閉條件下開(kāi)采的模擬。 （2）得到了隨著工作面推進(jìn)，采動(dòng)覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律、破斷裂隙分布特征以及采動(dòng)裂隙場(chǎng)的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律；不同推進(jìn)距離、裂隙分布等對(duì)采動(dòng)覆巖滲流特性的影響，以及采動(dòng)裂隙場(chǎng)內(nèi)覆巖滲透速率變化規(guī)律。

應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義

采動(dòng)覆巖裂隙演化及其中瓦斯?jié)B流規(guī)律與卸壓瓦斯抽采系統(tǒng)的布置密切相關(guān)，作品的研究結(jié)果為合理布置瓦斯抽采系統(tǒng)提供了一定的理論依據(jù)，對(duì)于有效防治瓦斯事故、保證礦井安全、實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯安全共采具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

學(xué)術(shù)論文摘要

采動(dòng)覆巖裂隙演化及其中瓦斯?jié)B流規(guī)律與卸壓瓦斯抽采系統(tǒng)的布置密切相關(guān)。實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了由供氣系統(tǒng)、壓力平衡系統(tǒng)、流速測(cè)定系統(tǒng)、開(kāi)采系統(tǒng)等組成的固氣兩相相似材料模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，保證了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的氣密性。利用該模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，分析了隨著工作面的推進(jìn)，采動(dòng)覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律、破斷裂隙分布特征以及采動(dòng)裂隙場(chǎng)的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律；同時(shí)分析了不同推進(jìn)距離、裂隙分布等對(duì)采動(dòng)覆巖滲流特性的影響，以及采動(dòng)裂隙場(chǎng)內(nèi)覆巖滲透速率變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)表明，上覆巖層隨著工作面的推進(jìn)，裂隙發(fā)育經(jīng)歷了形成、擴(kuò)展和閉合三階段，呈現(xiàn)出切眼裂隙發(fā)育區(qū)、中部壓實(shí)區(qū)以及工作面裂隙發(fā)育區(qū)三區(qū)域演化規(guī)律。同時(shí)，上覆巖層滲流速度隨著工作面的推進(jìn)形成一個(gè)升高、降低、再升高的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。研究結(jié)果為合理布置瓦斯抽采系統(tǒng)提供了一定的理論依據(jù)。

獲獎(jiǎng)情況

“固氣耦合物理模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)”（受理號(hào)：201120074258.8）專(zhuān)利正在受理中

鑒定結(jié)果

申報(bào)者7人小組是安全工程08級(jí)學(xué)生，參加了依托固氣耦合物理模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)開(kāi)展的覆巖采動(dòng)裂隙演化與卸壓瓦斯?jié)B流規(guī)律的實(shí)驗(yàn)，其工作真實(shí)有效，實(shí)驗(yàn)研究論文是他們對(duì)實(shí)驗(yàn)深入分析總結(jié)的結(jié)果。

參考文獻(xiàn)

[1]章夢(mèng)濤.煤巖流體力學(xué).北京:科學(xué)出版社，1995 [2]蔣曙光，張人偉.綜放采場(chǎng)流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型及數(shù)值計(jì)算.煤炭學(xué)報(bào)，1998，23(3):258~261 [3]梁棟，黃元平.采動(dòng)空間瓦斯運(yùn)動(dòng)的雙重介質(zhì)模型.阜新礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1995，14(2):4~7 [4]李宗翔.綜放工作面采空區(qū)瓦斯涌出規(guī)律的數(shù)值模擬研究.煤炭學(xué)報(bào)，2002，(2):173~178 [5]胡千庭，梁運(yùn)培. 采空區(qū)瓦斯流動(dòng)規(guī)律的CFD模擬.煤炭學(xué)報(bào)，2007，32(7): 719~723 [6]蘭澤全，張國(guó)樞.多源多匯采空區(qū)瓦斯?jié)舛葓?chǎng)數(shù)值模擬.煤炭學(xué)報(bào)，2007，32(4):396~401 [7]金龍哲，姚偉.采空區(qū)瓦斯?jié)B流規(guī)律的CFD模擬.煤炭學(xué)報(bào)，2010，35(9):1476~1480 [8]錢(qián)鳴高，許家林.覆巖采動(dòng)裂隙分布的“O”形圈特征研究.煤炭學(xué)報(bào)，1998，23（5）：466~469 [9]錢(qián)鳴高，繆協(xié)興，等.巖層控制的關(guān)鍵層理論.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2000 [11]劉澤功，袁亮，等.開(kāi)采煤層頂板“環(huán)形裂隙圈內(nèi)走向長(zhǎng)鉆孔”抽放瓦斯研究.中國(guó)工程科學(xué)，2004，6(5):32~38 [12]李樹(shù)剛，石平五，錢(qián)鳴高.覆巖采動(dòng)裂隙橢拋帶動(dòng)態(tài)分布特征研究.礦山壓力與頂板管理，1999，(3-4):44~46. [13]李樹(shù)剛，林海飛. 采動(dòng)裂隙橢拋帶分布特征的相似模擬實(shí)驗(yàn)分析.煤，2008，17(2):19~21

同類(lèi)課題研究水平概述

目前瓦斯依然是影響我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一，防治瓦斯的根本性措施是瓦斯抽采。由于煤巖體內(nèi)裂隙發(fā)育程度和煤層透氣性對(duì)瓦斯抽采起關(guān)鍵作用，而我國(guó)煤田大多屬于低透氣性煤層，預(yù)抽瓦斯效果往往不好。因此，現(xiàn)階段我國(guó)大部分礦區(qū)仍以卸壓瓦斯抽采為主，其關(guān)鍵是根據(jù)采動(dòng)裂隙演化及其中瓦斯運(yùn)移規(guī)律合理布置抽采鉆孔或巷道。 許多學(xué)者對(duì)采動(dòng)裂隙帶中的卸壓瓦斯的運(yùn)移規(guī)律開(kāi)展了大量研究。章夢(mèng)濤等人推導(dǎo)了滲流力學(xué)基本原理，得出瓦斯在采空區(qū)的動(dòng)力彌散方程，提出了固流耦合作用的數(shù)學(xué)模型及其數(shù)值解法。蔣曙光、張人偉應(yīng)用多孔介質(zhì)流體動(dòng)力學(xué)理論建立了綜放采場(chǎng)三維流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型，采用上游加權(quán)多單元均衡方法對(duì)三河尖煤礦綜放采場(chǎng)流場(chǎng)的壓力和風(fēng)速分布進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。梁棟、黃元平分析了采動(dòng)空間空隙介質(zhì)和瓦斯運(yùn)動(dòng)的特性提出采動(dòng)空間瓦斯運(yùn)動(dòng)的雙重介質(zhì)模型，更好地反映采動(dòng)空間瓦斯的滲流運(yùn)動(dòng)特性。李宗翔等將采空區(qū)冒落區(qū)看作是非均質(zhì)變滲透系數(shù)的耦合流場(chǎng)，采用迎風(fēng)有限元數(shù)值模擬結(jié)合圖形顯示技術(shù)求解綜放工作面采空區(qū)二維流場(chǎng)瓦斯涌出擴(kuò)散方程。胡千庭、蘭澤全、金龍哲等人對(duì)采空區(qū)瓦斯的流動(dòng)規(guī)律及濃度分布規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬。錢(qián)鳴高院士、許家林基于關(guān)鍵層理論，應(yīng)用模型實(shí)驗(yàn)、圖像分析、離散元模擬等方法，提出煤層采動(dòng)后上覆巖層采動(dòng)裂隙呈兩階段發(fā)展規(guī)律并形成“O”形圈分布特征，將其用于指導(dǎo)淮北桃園礦、蘆嶺礦卸壓瓦斯抽放鉆孔布置，取得了顯著效果。袁亮院士、劉澤功、盧平等人將采動(dòng)裂隙分為采空區(qū)頂板環(huán)形裂隙區(qū)、裂隙帶內(nèi)豎向裂隙發(fā)育區(qū)以及遠(yuǎn)程卸壓煤層裂隙發(fā)育區(qū)。李樹(shù)剛提出煤層綜放開(kāi)采后，采場(chǎng)上覆巖層中的破斷裂隙和離層裂隙貫通后在空間上的分布是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的采動(dòng)裂隙橢拋帶，分析了關(guān)鍵層位置與橢拋帶形態(tài)的相互關(guān)系，應(yīng)用環(huán)境流體力學(xué)和氣體輸運(yùn)原理，闡述了卸壓瓦斯在橢拋帶中的升浮-擴(kuò)散運(yùn)移理論，并提出幾種抽取煤層卸壓瓦斯的方法。 以上研究成果對(duì)礦井瓦斯抽采利用及安全生產(chǎn)起到了積極的作用，但由于此問(wèn)題本身的復(fù)雜性，目前就采動(dòng)煤層上覆巖層中裂隙的發(fā)育情況與瓦斯?jié)B流之間的規(guī)律研究仍是一個(gè)難題，大部分研究者是基于理論分析及數(shù)值模擬的方法進(jìn)行，而在工程實(shí)踐中還沒(méi)有真正的相似材料的煤巖固氣耦合模擬研究。
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