深部放顶煤开采下煤层应力场–渗流场耦合演化特征
作者：
赵洪宝, 荆士杰, 李作泉, 刘超, 张鸿伟, 侯玮, 李新潮
作者单位：
1. 中国矿业大学(北京) 能源与矿业学院, 北京 100083;
2. 中国矿业大学(北京) 新能源开发与灾害防治研究中心, 北京 100083;
3. 中国矿业大学 力学与土木工程学院, 江苏 徐州 221116;
4. 河北工程大学 矿业与测绘工程学院, 河北 邯郸 056038;
5. 邯郸市牛儿庄采矿有限公司, 河北 邯郸056201
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摘要
为了研究高应力区煤体在放顶煤开采方式下的应力场–渗流场的耦合演化规律, 以横观各向同性下的火柴棍模型为基础, 构建了由煤基质和裂隙组成的弹性系统, 建立了三向应力条件下煤体渗透率演化规律模型, 并结合采场应力场空间分布规律, 构建煤层增透率空间分布模型。在改变围压、轴压和气体压力的条件下, 将渗透率模型和室内试验结果对比, 并将增透率空间分布模型与顺层抽采钻场的瓦斯抽采相关数据对比分析, 结果表明: 煤体渗透率随载荷与气体压力的增加而减小, 并呈指数型; 渗透率模型可以较好地定量描述煤体渗透率在加卸载条件下的变化, 与多组试验数据的相关系数和拟合优度均大于0.9; 增透率空间分布随距离增大呈指数下降, 可分成4个阶段: 原岩稳定阶段、增压降低阶段、卸压增加阶段、破坏稳定阶段; 根据增透率模型和现场数据对比, 煤层在卸压增加阶段和破坏稳定阶段处于增透状态, 煤层增透范围Lr=55.62 m; 煤层增透率模型可以较好地描述煤层增透率的空间分布规律, 其与现场数据的相关系数和拟合优度均大于0.96。
图片
图 1 煤体结构示意
图 2 火柴棍模型示意
图 3 割理单元模型
图 4 煤体弹性系统示意
图 5 应力−应变示意
图 6 三轴伺服渗流装置
图 7 轴压试验条件下对比结果
图 8 围压变化渗透试验数据与渗透率模型对比
图 9 孔隙压力变化渗透试验数据与渗透率模型对比
图 10 工作面前方应力场
图 11 地应力、瓦斯压力和渗透率三者关系
图 12 工作面前方力学模型
图 13 煤层增透率与抽采浓度
图 14 煤层增透率与抽采效率拟合效果
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