CN105388265A - 采空区瓦斯富集及运移的三维模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采空区瓦斯富集及运移的三维模拟方法，包括根据现场工况进行三维相似模拟试验，得到采空区上覆岩层三维裂隙形态分布情况的应力应变数据；对现场煤岩样进行真三轴流固耦合试验，获得数值模拟基础参数；根据模拟试验后的模拟试验体裂隙数据，通过三维绘图软件转化为数字模型，并对采空区裂隙形态进行定量描述；利用数字模型，结合COMSOL数值模拟软件，利用流固耦合试验结果及模拟试验中的应力变化数据，计算瓦斯渗透率，并对空气流动模型和瓦斯扩散模型联立求解，得出采空区瓦斯运移及富集范围。本发明的有益效果是，通过三维模拟试验和真三轴流固耦合试验以及COMSOL数值模拟软件获得采空区瓦斯富集及运移范围，准确确定瓦斯抽采孔位置。

Description

采空区瓦斯富集及运移的三维模拟方法

技术领域

本发明属于瓦斯抽采领域，特别是一种采空区瓦斯富集及运移的三维模拟方法。

背景技术

煤层瓦斯作为一种可利用的新能源气体同时也为威胁着煤矿的安全生产，为更好的解决矿井生产中的瓦斯灾害问题，现我国主要采用抽采技术应对，对存在与煤层中瓦斯进行抽采并在一定程度上进行利用，起到了变废为宝的作用。但是现有的瓦斯抽采技术遇到了许多问题如煤层透气性低抽采难度大、钻孔抽采瓦斯量不稳定等等。预抽未开采高应力环境下的煤层，其透气性较低抽采难度大、瓦斯抽采量小；相对于预抽煤层瓦斯，对采动卸压后透气性较高的采空区进行抽采难度相对较小，因此研究采空区的瓦斯运移对煤与瓦斯共采技术的实现具有重要的意义。

我国非常重视对采空区瓦斯运移规律的研究，在煤矿瓦斯治理中，采空区内瓦斯抽放是非常关键的,关系着回采工作面的瓦斯浓度控制、提高工作面的空气质量、预防采空区煤炭自燃及整个矿井的瓦斯抽放利用等，对煤矿瓦斯的防治有着至关重要的作用；我国在采空区瓦斯抽采技术和工艺方面已经取得了丰富的经验，然而仍存在着一些问题，如采空区抽采效果普遍很差，抽采率低等问题。其根本原因是抽采钻孔布置不合理，没有对采空区进行系统的了解。因此，开展对采空区瓦斯运移及富集的研究，对煤矿安全生产以及实现煤与瓦斯共采的有着非常重要的现实意义。

在煤层未进行开采时，煤层以及其顶底板都处于平衡状态。当煤层开采之后，煤层上覆及底板岩层在地应力的作用下向采空区移动产生变形，伪顶和直接顶直接垮塌，以上岩层产生裂隙或弯曲，垮落的岩体卸压后产生膨胀重新支撑起采空区，整个采空区的应力重新分布。随着工作面的不断推进，新的采空区不断形成，采空区的应力不断重新分布，岩层产生新的变形及裂隙；根据矿山压力理论，随着工作面的不断推进，采空区在垂直方向上会形成“竖三带”，由下向上分别为垮落带、断裂带和弯曲带。在水平方向上形成“横三区”，沿工作面推进方向分别为重新压实区、离层区和煤壁支撑影响区。采空区形成的“三带”为工作面瓦斯运移和富集提供了通道。然而，瓦斯在工作面和采空区运移和富集规律还不是很清楚，传统的钻孔方法往往不能确定正确的钻孔位置。

对于高瓦斯矿井，国内普遍做法是先抽后采，然而现有的瓦斯抽采技术遇到了许多问题；如采用高位抽采的方法很难把握抽采层位，抽采效果难以保证；引导抽放法抽放效果相对较好，但管理复杂。因此，确定瓦斯在工作面和采空区运移和富集规律显得十分重要；由于现有的数值模拟软件不能同时很好地解决岩层变形跨落和多物理场耦合下的瓦斯运移问题，又缺乏对不同层理不同中间主应力下岩层渗透率变化规律的研究，单纯通过数值模拟来计算瓦斯运移富集范围将会带来很大误差。同时，现有的实验手段很难实现在模拟开挖过程中通入气体，并实时监测气体浓度及流速。现有的实验和模拟方法都很难准确的反映出采空区裂隙形态分布状况，从而很难确定瓦斯采空区运移情况及富集区域，对采空区钻孔位置确定指导有限。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种采空区瓦斯富集及运移的三维模拟方法，其通过三维模拟试验和对现场煤岩样进行的真三轴流固耦合试验，并通过COMSOL数值模拟软件获得采空区瓦斯富集及运移范围，可更加准确的确定瓦斯抽采孔的钻孔位置。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种采空区瓦斯富集及运移的三维模拟方法，包括以下步骤：

第一步，三维相似模拟试验及数值模拟基础参数获取：根据现场工况进行三维相似模拟试验，得到采空区上覆岩层三维裂隙形态分布情况的应力应变数据；对现场煤岩样进行真三轴流固耦合试验，以获得数值模拟基础参数；

其中，三维相似模拟试验包括：

第一小步，根据现场工况测定开采工作面的长度、宽度、煤层倾角基本空间数据，以及开采前工作面地应力及回采速度、工作面上覆及底板岩层各层的厚度及物理力学性质；

第二小步，三维相似模拟试验体制作：根据煤层和煤层覆岩之间的空间相似比，以及煤层工作面推进的时间相似比，制作三维相似模拟试验体；

第三小步，采煤工作面推进模拟：根据现场实测地应力对三维相似模拟试验体施加三向压力，在应力状态下进行模拟工作面开采试验，并测定三维相似模拟体在工作面开采过程中不同层位的应力变化数据；

第四小步，试验数据记录：在采煤工作面推进模拟结束后，通过示踪剂、钻孔电视以及逐层逐块切割测量记录三维相似模拟试验体裂隙数据；

数值模拟基础参数获取包括：

第一小步，采集现场煤岩样；

第二小步，按真三轴下流固耦合试验试样要求加工试样；

第三小步，利用真三轴流固耦合系统对加工试样进行真三轴条件下的流固耦合试验，取得不同应力、瓦斯压力和层理条件下的渗透率，以作为数值模拟基础参数；

第二步，建立数字模型：根据模拟试验后的模拟试验体裂隙数据，通过三维绘图软件转化为数字模型，并对采空区裂隙形态进行定量描述；

第三步，采空区瓦斯运移及富集范围获取：利用已建立的数字模型，结合COMSOL数值模拟软件，利用真三轴下的流固耦合试验结果及模拟试验中的应力变化数据，计算瓦斯渗透率，并对空气流动模型和瓦斯扩散模型联立求解，得出采空区瓦斯运移及富集范围。

采用前述技术方案的本发明，利用COMSOL数值模拟软件，利用三维模拟采动方式获得的煤岩体裂隙场演化规律数据，以及现场煤岩样的真三轴流固耦合试验结果建立的三维数字模型，对空气流动模型和瓦斯扩散模型联立求解，得出采空区瓦斯运移及富集范围。因此，以通过更加接近实际情况的煤层底板变形、跨落、采场围岩裂隙形成及分布规律的获得，确保采空区瓦斯运移及富集范围更加接近实际。本试验的三维应力条件通过“多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统”对模拟试验体进行加载实现。该系统于2012年8月1日公开，其中国专利公开号为：CN102621232A，其可提供三向不等应力环境。当然本试验可以采用其他可提供三向不等应力环境的三轴加载试验系统进行三轴加载模拟。真三轴条件下的流固耦合试验在“多功能真三轴流固耦合系统”中进行，该系统于2012年10月17日公开，其中国专利公开号为：CN102735548A，其可进行真三轴的流固耦合试验，并可方便的获得试验数据。以利用现有试验条件进行模拟，降低模拟试验成本，减少试验准备时间，缩短试验周期。其中，绘制采空区裂隙圈形态模拟图的三维软件包括现有的CAD、UG、PROE、CATIA等。

优选的，所述模拟试验体的煤层由多个长方体试块组成，试块长度模拟工作面长度，试块高度和宽度分别模拟煤层厚度和采煤进刀的吃刀深度。以提高模拟的精确度和准确性。

优选的，所述模拟试验体中的模拟煤层由石蜡制成；所述空间相似比由模拟试验体所占空间模拟。以提高模拟的精确度和准确性。

进一步优选的，所述时间相似比通过模拟煤层的熔化时间进行模拟。以便通过熔化速度控制获时间相似比模拟的可控性，提高模拟的可靠性。

进一步优选的，所述模拟煤层由电加热熔化方式模拟采煤工作面推进；用于所述电加热熔化的发热电阻分别被埋设在相应模拟煤层的试块中。以便模拟煤层按设定区域和速度熔化，可控和可靠的实现空间和时间参数模拟，进一步提高模拟的精确度和准确性。

更进一步优选的，所述发热电阻的阻值可调节。以方便利用现有技术中的可调阻值的发热电阻实现时间比模拟，提高模拟试验的方便性、精确度和准确性。

优选的，在所述模拟试验体的采空区顶板及底板裂隙数据统计的步骤中还包括：

S1、在模拟采空区上方按照设定规律布置钻孔，并通过加入示踪剂的示踪方式来确定模拟采空区上方离层区范围；

S2、采用钻孔电镜窥视仪对孔钻孔内裂隙进行观测记录，分析模拟岩层离层范围及大小；

S3、采用手动切割方式，沿采煤工作面推进方向逐层逐段切开采空区上方的模拟岩层形成分割块，对分割块进行拍照记录，并用塞尺测量并记录模拟岩层之间离层量的大小。提高模拟试验的方便性，提高试验效率，缩短试验周期。

本发明的益处效果体现在：

该试验为三维相似模拟试验，能够更全面的模拟采空区裂隙发育形态，同时采用变功率加热电阻能够更加真实的模拟动态采动过程，并在模拟开挖过程中通过动态电阻应变仪对采空区顶板应力变化数据进行采集。

煤岩体裂隙场演化规律三维相似模拟实验的主要目的为研究煤层低板变形、跨落、采场围岩裂隙形成及分布规律，同时总结岩体内部移动规律，为后面数值模拟计算提供可靠裂隙模型。

通过对现场煤岩样进行不同层理角度的真三轴流固耦合实验，能够更真实的反应三向不等压情况下煤岩体渗透情况；为数字模拟计算提供了更加可靠的层理角度-应力状态-渗透率关系。

细致化的三维建模能够将模拟实验得到的离层裂隙更加完全的体现在数值模拟计算中，同时利用真三轴流固耦合实验得到的层理角度-应力状态-渗透率关系以及模拟试验中的应力应变数据，对空气流动模型和瓦斯扩散模型联立求解，得出采空区瓦斯运移及富集范围更加可靠。

因此，本发明通过三维模拟试验和对现场煤岩样进行的真三轴流固耦合试验，并利用COMSOL数值模拟软件获得采空区瓦斯富集及运移范围，可更加准确的确定瓦斯抽采孔的钻孔位置。

附图说明

图1是本发明方法的流程框图。

图2是通过本发明方法获得的采空区瓦斯富集范围示意图。

图3是通过本发明方法获得的采空区瓦斯运移示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

参见图1，一种采空区瓦斯富集及运移的三维模拟方法，包括以下步骤：

第一步，三维相似模拟试验及数值模拟基础参数获取：根据现场工况进行三维相似模拟试验，得到采空区上覆岩层三维裂隙形态分布情况的应力应变数据；对现场煤岩样进行真三轴流固耦合试验，以获得数值模拟基础参数；

其中，三维相似模拟试验包括：

第一小步，根据现场工况测定开采工作面的长度、宽度、煤层倾角基本空间数据，以及开采前工作面地应力及回采速度、工作面上覆及底板岩层各层的厚度及物理力学性质；

第二小步，三维相似模拟试验体制作：根据第一小步的实测数据，确定应力、煤层和顶板及底板之间的空间相似比，以及煤层回采速度确定的工作面推进的时间相似比，并换算出模拟顶板及底板的材料的厚度、容重、抗压强度，确定材料配比，以及模拟煤层的石蜡大小及熔化加热功率等，制作三维相似模拟试验体；

其中，模拟试验体制作成400mm×400mm×1200mm的长方体，模拟试验体中的上下覆岩层或称顶板、底板均采用不同混合比的水泥、石膏和砂子固结模拟不同性质的岩层，模拟试验体岩层采用逐层堆积的方式形成，在相邻模拟岩层之间撒少许云母粉以减少层间强度，并在距离模拟煤层顶板7cm和18cm深度处自开切眼处每隔15cm预埋一电阻应力传感器；煤层由多个长方体的石蜡试块模拟，利用石蜡试块所占用空间模拟空间相似比，各个石蜡试块内均埋设一设定阻值范围且阻值可调节的发热电阻；

在三维相似模拟试验体的制作前，应根据现场工作面的空间及各岩层实测数据计算相似比，计算方式如下：

(1)计算单个岩层中所需材料的总质量G(kg)，即

G＝(lwhγ_m×10³)/g

式中：γ_m为模型材料的容重；g为重力加速度，g＝9.8kN/m³；l、w、h分别为模拟试验体的长、宽、高，单位为m。

(2)单个岩层中需要某种材料的质量为m_i(kg)，即

m_i＝G×R_i

式中：R_i为某种材料在该层中总质量的比例，例如配比号为ABC，ABC分别为用阿拉伯数字代表的砂子、石膏和水泥的配比代号，其中C＝(10-B)，即BC为两个互补数；则相应材料在该层中总质量的比例按以下计算规则计算：

模型中砂子比例R_A＝A/(A+1)；石膏的比例为R_B＝B/[10×(A+1)]；碳酸钙比例为R_C＝C/[10×(A+1)]；

第三小步，采煤工作面推进模拟：结合现场采煤工作面地应力情况、开采工序，通过“多场耦合煤矿动灾害大型模拟试验系统”对三维相似模拟试验体进行加载，模拟三维应力条件下煤矿工作面推进的动态过程；同时，利用预埋应力传感器监测采煤工作面推进过程中采空区顶板及底板的应力变化，并利用动态电阻应变仪进行数据记录；

其中，包括三维相似模拟试验体安装步骤和压力施加步骤；

三维相似模拟试验体安装步骤包括：用葫芦吊或行车将已在底部反作用板上堆积制作成形的三维相似模拟试验体和底部反作用板一起吊至多场耦合煤矿动灾害大型模拟试验系统的压力加载装置的底座上，利用液压油缸和压杆将试验体和底部反作用板一同推至后方卡槽并与侧向压头对齐，然后在试验体顶部和压力加载装置的上压头之间放上顶端反作用钢板，并在试验体和压力加载装置的侧面压头之间、试验体与压力加载装置的侧面反作用架之间放上反作用钢板，再用行吊将压力加载装置的Y方向反作用架吊至压力加载装置的底座上，用螺丝将其固定在底座上并在试验体和压力加载装置的后压头之间、试验体与Y方向反作用架之间放上前后反作用钢板；

压力施加包括：先用位移控制方式使得上方、侧向、后方压头与反作用钢板之间、试验体与反作用钢板之间互相接触，再根据工作面现场实测的地应力通过相似比的计算结果对试验体施加对应三向应力环境。

第四小步，试验数据记录：在采煤工作面推进模拟结束后，通过示踪剂标记法，钻孔窥探观察模拟试验体的采空区裂隙形态，并逐层逐段分离采空区顶板及底板，统计各层各段的裂隙数据；包括，

S1、在模拟采空区上方按照设定规律布置钻孔，即在试验体顶端较小扰动处打钻孔至石蜡熔化后的空腔部分，在钻孔内加入示踪剂，使其在试验体的裂隙中充分的分散开；并通过加入示踪剂的示踪方式来确定模拟采空区上方离层区范围；

S2、采用钻孔电镜窥视仪对孔钻孔内裂隙进行观测记录，分析模拟岩层离层范围及大小；包括利用钻孔电视对孔内进行窥探，记录下水平面内不同坐标的钻孔电视数据，在数据中统计出同一坐标不同层位的离层量；通过钻孔电视观测钻孔内部离层及垮落情况；

S3、采用手动切割方式，沿采煤工作面推进方向逐层逐段切开采空区上方的模拟岩层形成分割块，对分割块进行拍照记录，测量并记录模拟岩层之间离层量的大小；包括切除时采用梯形台的方式进行逐块切除，每切除一层测量下一层水平内的裂隙发育形态，测量方法采用塞尺测量裂隙的开度，卷尺或皮尺测量裂隙的长度，量角器测量裂隙延伸的角度，并拍照在图中绘出；

数值模拟基础参数获取包括：

第一小步，用钻芯法采集现场煤岩样，对煤岩样进行粗加工后带回实验室；

第二小步，按“多功能真三轴下流固耦合试验系统”的试样要求，在实验室进行精加工，制作成100mm×100mm×100mm标准立方体试件；

第三小步，利用“多功能真三轴下流固耦合试验系统”对加工试样进行真三轴条件下的不同层理角度、瓦斯压力、地应力的渗流实验，更全面的反映煤岩体在真实三向不等地应力下，不同层理角度与瓦斯压力的渗透率变化规律，取得不同应力、瓦斯压力和层理条件下的渗透率，以作为数值模拟基础参数；

第二步，建立数字模型：根据模拟试验后的模拟试验体裂隙数据，通过三维绘图软件转化为数字模型，并对采空区裂隙形态进行定量描述；包括对记录结果进行素描及分形维数统计，利用CAD、UG、PROE或CATIA三维绘图软件建立数字模型定量描述采空区裂隙分布，按照裂隙真实形状和尺寸，按照1:1的比例对裂隙和离层进行还原；

第三步，采空区瓦斯运移及富集范围获取：利用已建立的数字模型，结合COMSOL数值模拟软件，利用真三轴条件下的流固耦合试验结果及模拟试验中的应力变化数据，计算瓦斯渗透率，并对空气流动模型和瓦斯扩散模型联立求解，得出采空区瓦斯运移及富集范围；包括

(1)将采空区裂隙形态数字模型导入COMSOL数值模拟软件中；

(2)通过得到的煤岩样平行与垂直层理渗透率进行峰值点前关系 $K_p={\mathrm{ak}}_0{\exp }^{(-{\mathrm{b\σ}}_1-{\mathrm{c\σ}}_2-{\mathrm{d\σ}}_3)}$ 和 $K_c={\mathrm{ak}}_0{\exp }^{(-{\mathrm{b\σ}}_1-{\mathrm{c\σ}}_2-{\mathrm{d\σ}}_3)},$ 与峰值点后关系 $K_p={\mathrm{ek}}_0{\exp }^{({\mathrm{f\σ}}_1+{\mathrm{g\σ}}_2+{\mathrm{g\σ}}_3)}$ 和 $K_c={\mathrm{ek}}_0{\exp }^{({\mathrm{f\σ}}_1+{\mathrm{g\σ}}_2+{\mathrm{g\σ}}_3)}$ 中a,b,c,d,e,f,g,h的拟合，得到煤层渗透率与应力状态及层理之间的关系；通过计算转换得到煤层孔隙率与应力状态间的关系；其中K为渗透率，为孔隙率φ，为初始孔隙率φ₀。

(3)利用Navier-Stokes方程(纳维叶-斯托克斯方程)和Brinkman方程构建出采煤工作面空气流动模型，求解模型得出空气流动平衡状态下压力场分布和速度场分布；利用对流-扩散方程和Fick定律扩散方程来构建瓦斯扩散模型；

(4)利用COMSOL多物理场耦合分析软件对空气流动模型和瓦斯扩散模型联立求解，可模拟瓦斯涌出并扩散到工作面的过程，并得出瓦斯涌出过程中工作面和采空区各点瓦斯浓度分布结果即瓦斯的富集区域。

通过本发明方法获得的采空区瓦斯富集示意图如图2所示，该图为采空区上方瓦斯浓度横截面即水平截面图，图中两块马蹄形区域(虚线范围内)为离层，离层内瓦斯压力相等，同时，在马蹄形离层区域内部分布有层间裂隙，这些穿层裂隙是两层间瓦斯气体流动通道；试验所得运移示意图如图3所示，图中箭头表示瓦斯运移方向，曲线为瓦斯等浓度线，下部为垮塌带，中部为离层带，上部为弯曲带；从图中可以看出，瓦斯运移方向向采空区偏移，瓦斯等浓度线在离层区向下凹，表明瓦斯气体主要通过穿层裂隙进行运移。

以上虽然结合了附图描述了本发明的实施方式，但本领域的普通技术人员也可以意识到对所附权利要求的范围内作出各种变化或修改，这些修改和变化应理解为是在本发明的范围和意图之内的。

Claims (9)

1.一种采空区瓦斯富集及运移的三维模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，三维相似模拟试验及数值模拟基础参数获取：根据现场工况进行三维相似模拟试验，得到采空区上覆岩层三维裂隙形态分布情况的应力应变数据；对现场煤岩样进行真三轴下的流固耦合试验，取得不同应力、瓦斯压力和层理条件下的渗透率，以获得数值模拟基础参数；

第二步，建立数字模型：根据模拟试验后的模拟试验体裂隙数据，通过三维绘图软件转化为数字模型，并对采空区裂隙形态进行定量描述；

第三步，瓦斯运移及富集范围确定：将数字模型导入COMSOL软件中，利用真三轴下的流固耦合试验结果及模拟试验中的应力应变数据，计算瓦斯渗透率，并通过对空气流动模型和瓦斯扩散模型联立求解得到采空区瓦斯运移及富集范围。

2.根据权利要求1所述的采空区瓦斯富集及运移的三维模拟方法，其特征在于，所述三维相似模拟试验包括：

第一小步，三维相似模拟试验体制作：根据煤层和煤层覆岩之间的空间相似比，以及煤层工作面推进的时间相似比，制作三维相似模拟试验体；

第二小步，采煤工作面推进模拟：结合现场采煤工作面地应力情况、开采工序，模拟三维应力条件下煤矿工作面推进的动态过程；同时，利用预埋应力传感器监测采煤工作面推进过程中，采空区顶板及底板的应力变化，并利用动态电阻应变仪进行数据记录；

第三小步，采空区顶板及底板裂隙数据统计：在采煤工作面推进模拟结束后，通过示踪剂标记法，钻孔窥探观察模拟试验体的采空区裂隙形态，并逐层逐段分离采空区顶板及底板，统计各层各段的裂隙数据。

3.根据权利要求2所述的采空区瓦斯富集及运移的三维模拟方法，其特征在于，所述模拟试验体的模拟煤层由多个长方体试块组成，试块长度模拟工作面长度，试块高度和宽度分别模拟煤层厚度和采煤进刀的吃刀深度。

4.根据权利要求3所述的采空区瓦斯富集及运移的三维模拟方法，其特征在于，所述模拟试验体中的模拟煤层由石蜡制成；所述空间相似比由模拟试验体所占空间模拟；所述时间相似比通过模拟煤层的熔化时间进行模拟。

5.根据权利要求4所述的采空区瓦斯富集及运移的三维模拟方法，其特征在于，所述模拟煤层由电加热熔化方式模拟采煤工作面推进，用于所述电加热熔化的发热电阻分别被埋设在相应模拟煤层的试块中。

6.根据权利要求5所述的采空区瓦斯富集及运移的三维模拟方法，其特征在于，所述发热电阻的阻值可调节。

7.根据权利要求2所述的采空区瓦斯富集及运移的三维模拟方法，其特征在于，在所述模拟试验体的采空区顶板及底板裂隙数据统计的步骤中还包括：

S1、在模拟采空区上方按照设定规律布置钻孔，并通过加入示踪剂的示踪方式来确定模拟采空区上方离层区范围；

S2、采用钻孔电镜窥视仪对孔钻孔内裂隙进行观测记录，分析模拟岩层离层范围及大小；

S3、采用手动切割方式，沿采煤工作面推进方向逐层逐段切开采空区上方的模拟岩层形成分割块，对分割块进行拍照记录，用塞尺测量并记录模拟岩层之间离层量的大小。

8.根据权利要求2所述的采空区瓦斯富集及运移的三维模拟方法，其特征在于，所述三维应力条件由可提供三向不等应力环境的三轴加载试验系统进行三轴加载模拟。

9.根据权利要求1所述的采空区瓦斯富集及运移的三维模拟方法，其特征在于，所述真三轴实验包括试验前根据现场工况后，按真三轴流固耦合试验系统要求进行试件加工。