秦 濤， 張凱云， 劉永立

(1.黑龍江科技大學 黑龍江省普通高等學校采礦工程重點實驗室，哈爾濱 150022;2.大同煤礦集團有限責任公司，山西 大同 037000)

隨著煤礦機械化水平的提高、開采規(guī)模和強度的增大，我國煤礦開采深度正在以每年8～20 m的速度向深部延伸，國有重點煤礦平均采深已達700 m[1－3]。開采深度的增加促使開采環(huán)境發(fā)生顯著變化，出現(xiàn)高地應力、高溫、煤體低滲透性和低強度現(xiàn)象，致使煤與瓦斯突出、沖擊地壓以及其他煤巖體突然性破壞的頻度和強度增加，極大地增加了在煤礦深部實現(xiàn)安全高效開采的難度[4－8]。

國內(nèi)外學者對動力災害誘發(fā)因素做了大量研究工作，取得了一些突破，但由于深井動力災害誘發(fā)因素眾多，動力災害多因素耦合孕育規(guī)律研究尚存在較多問題[9－12]。目前，多數(shù)研究設定溫度為恒定條件，考慮的影響因素相對單一，同時對綜合考慮地應力、瓦斯壓力、溫度影響條件的溫度－滲流－應力三場耦合的含瓦斯煤巖體研究較少。因此，筆者考慮開采深度、地溫對煤礦深部開采巖石變形破壞的影響，建立含瓦斯煤體熱－流－固耦合模型，并進行數(shù)值模擬分析，研究地應力、瓦斯壓力和溫度等動力災害誘發(fā)因素的相互耦合作用規(guī)律，以期為含瓦斯煤巖體動力災害機理研究提供理論基礎。

1 熱－流－固耦合數(shù)值模型

考慮不同溫度條件下含瓦斯煤巖體瓦斯壓力、溫度和應力的變化，采用COMSOL Multiphysics有限元軟件，建立數(shù)值模型，分析煤礦動力災害誘發(fā)因素的耦合關系。研究煤巖體的初始地應力(文中以載荷代替)F0為25.48 MPa，初始瓦斯壓力p0為1.7 MPa，初始溫度 T0分別為303.15、313.15、323.15 和333.15 K時，煤巖體及工作面的瓦斯壓力、溫度、位移、瓦斯?jié)B流速度的變化規(guī)律。建立的幾何模型由上、中、下三部分組成，分別表示煤層頂板、煤層、煤層底板。文中模型為二維模型，如圖1所示。頂板長10 m，高1 m;煤層長9 m，高2 m;底板長10 m，寬1 m。頂?shù)装迮c煤層相通，瓦斯可以在整個區(qū)域滲透流通，整個區(qū)域亦可以傳遞熱量。模型四周與外界無傳導邊界條件，左側(cè)凹部表示工作面。耦合模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。煤層及煤巖體中瓦斯的基本物性參數(shù)如表1所示。

圖1 物理模型Fig.1 Physics model

圖2 網(wǎng)格劃分Fig.2 Picture of mesh partition

表1 煤體基本物性參數(shù)Table 1 Basic physical parameters of coal

2 模擬結果分析

2.1 溫度對瓦斯壓力的影響

初始溫度不同時，煤巖體瓦斯壓力線見圖3，其中l(wèi)為弧長。

圖3 初始溫度不同時的煤巖體瓦斯壓力線Fig.3 Gas pressure of coal or rock in different initial temperature

由圖可以看出，初始溫度不同，瓦斯壓力線走勢相同，且基本重合(圖3a);瓦斯壓力線走勢隨著時間推移變化趨于平穩(wěn)(圖3b)。含瓦斯煤巖體中，隨著初始溫度的增大，同一時間、同一位置瓦斯壓力基本不變;隨著時間的推移，瓦斯壓力的變化逐漸減小直至不變;工作面附近瓦斯壓力小，煤壁工作面附近瓦斯壓力梯度大。這說明地溫熱效應顯著區(qū)域更加容易發(fā)生煤巖體動力災害事故。

2.2 溫度對煤巖體總位移的影響

初始溫度不同時，煤巖體的總位移如圖4所示。

圖4 初始溫度不同時的煤巖體總位移線Fig.4 Total displacement of coal or rock in different initial temperature

從圖4可以看出，不同初始溫度條件下，煤巖體總位移線走勢相同，曲線呈W形，且基本重合;總位移線隨時間推移最終趨于穩(wěn)定。隨著初始溫度的增大，含瓦斯煤巖體在同一時間、同一位置的總位移基本不變;總位移初始時刻變化較大，隨著時間的推移，最終趨于某一穩(wěn)定值。

2.3 溫度對瓦斯?jié)B流速度的影響

初始溫度不同時，煤巖體瓦斯?jié)B流速度線如圖5所示。由圖5可見，不同初始溫度條件下，同一時刻瓦斯?jié)B流速度線走勢相同，且基本重合;瓦斯壓力線走勢隨時間推移逐漸趨于平緩。隨著初始溫度增大，同一時間、同一位置含瓦斯煤巖體中的瓦斯?jié)B流速度基本不變;隨著時間的推移，瓦斯?jié)B流速度的變化逐漸減小直至不變;工作面附近瓦斯?jié)B流速度大，對煤巖體發(fā)生動力災害事故影響較大。在溫度變化不大的情況下，掘進工作面中的瓦斯?jié)舛纫驕囟鹊母淖冏兓⒉幻黠@，基本上可以不考慮其影響。因為隨著溫度的升高，瓦斯雖然會更加活躍，但是其黏度系數(shù)并不會發(fā)生明顯的改變，因此，其他條件不發(fā)生改變的情況下，滲流速度也不會發(fā)生明顯的變化。

圖5 初始溫度不同時的煤巖體瓦斯?jié)B流速度線Fig.5 Seepage velocity of coal or rock in different initial temperature

2.4 溫度對總壓力的影響

初始溫度不同時，煤巖體總壓力線如圖6所示。

圖6 不同初始溫度時的煤巖體總壓力線Fig.6 Total pressure of coal or rock in different initial temperature

從圖6可以看出，不同初始溫度條件下，同一時刻總壓力線走勢相同，且基本重合;隨著初始溫度的增大，含瓦斯煤巖體在同一時間、同一位置的總壓力變化不大;總壓力隨著時間的推移先逐漸增大直至平穩(wěn)。

3 結束語

利用COMSOL數(shù)值模擬軟件，建立含瓦斯煤體熱－流－固耦合模型，研究瓦斯壓力、滲流速度、煤巖體位移、總壓力隨溫度變化的規(guī)律。在溫度變化不大的情況下，掘進工作面中的瓦斯?jié)舛入S溫度的改變而發(fā)生變化，但不明顯，基本上可以不考慮其影響。隨著溫度的升高，瓦斯雖然會更加活躍，但是其黏度系數(shù)并不會發(fā)生明顯的改變，因此，其他條件不發(fā)生改變的情況下，滲流速度也不會發(fā)生明顯的變化。煤壁工作面附近處的瓦斯壓力梯度增大，地溫熱效應顯著區(qū)域更加容易發(fā)生煤巖體動力災害事故。

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