基于流固耦合数值模拟煤层底板破坏深度研究

随开采深度的加大,华北煤矿区下组煤开采面临煤层底板奥灰岩溶含水层的突水威胁越来越大。晋煤集团赵庄矿15#煤底板距离奥灰平均23.18 m,且井田范围内突水系数普遍大于0.1 MPa/m,加之岩溶陷落柱和小型高角度断层发育,开采15#煤面临奥灰水威胁较大。在考虑赵庄矿的地质构造,矿山压力、奥灰水压及15#煤层开采等综合因素的基础上,建立起15#煤层底板含水层均布水压流固耦合模型,运用FLAC3D软件模拟分析了开采对底板的破坏情况,结果表明:流固耦合条件下底板的最大破坏深度为23 m,承压水最大导升高度为7 m,模拟成果可为15#煤安全开采提供参考。     

深部承压水上煤层开采底板的破坏特征

淮南煤田潘谢新区A3煤层受底板承压水威胁,为研究其在深部开采条件下的底板破坏特征,根据井田水文工程地质条件,采用FLAC3D分析软件建立数值计算模型,模拟分析不同承压条件及开采进度时底板的破坏深度和应力重分布特征。结果表明:A3煤层底板的采动效应随开采步距增大发生规律性变化,底板破坏影响深度约16 m,应力重分布的峰值点在停采线前约11 m和开切眼后6~8 m处。煤层回采以后,采区四周发生剪切破坏,中部发生拉伸破坏,容易出现底臌。该研究为潘谢新区深部A组煤的安全开采和矿井水害防治提供了依据。     

某矿煤层底板采动破坏规律数值模拟研究

为揭示煤层采动破坏规律,在分析工程地质、水文地质及开采条件的基础上。采用Flac有限差分软件对工作面推进过程中底板采动破坏规律进行了模拟研究,得出了工作面推进过程中底板应力场、位移场及塑性区的基本发展变化规律,为煤矿安全生产和矿井水害防治提供参考依据。     

矿山压力对煤层底板破坏深度的数值分析

随着煤炭资源开采深度加大,带压开采已经成为我国深部矿井普遍应用的一种采煤方法,这样面临的煤层底板突水问题变得更加集中。突水系数理论作为评价带压开采煤层底板突水危险性的主要依据,因矿山压力导致煤层底板破坏深度的确定对得出可靠的突水系数值显得尤为重要。本文根据城郊煤矿的开采实践,利用F-RFPA2D软件对煤层底板破坏深度进行数值模拟分析,动态再现煤层底板破坏过程,并得出在不同矿山压力过程中对煤层底板的破坏深度。     

承压水上采煤底板破坏规律流固耦合研究

为分析承压水上采煤底板变形破坏规律,建立了承压水上采煤流固耦合数学模型,采用FLAC3D模拟软件分析之。运用正交试验的方式对底板变形破坏影响较大、易量化的4个因素进行分析;在此分析基础上得出单一因素对底板破坏的影响关系。分析结果表明:影响底板破坏深度大小的因素依次是工作面宽度、隔水层厚度、承压水压力和煤层埋深;随着隔水层厚度的增加,底板的破裂深度及范围有减小的趋势,同时在隔水层底部的原位张裂范围也在减小,甚至消失;在流固耦合模式下随着水压力的增加,岩体的破坏程度远远大于非耦合的情况。     

煤层开采对底板的破坏规律及其水害防治技术

为了研究团柏煤矿煤层开采对底板岩层的破坏规律,制定相应的防底板突水方案,通过现场实测和数值模拟相结合的研究方法,分析煤层开采对底板破坏规律。结果表明:底板的破坏程度、破坏区域与含水层空间关系是决定矿井底板水害发生与否的关键因素,团柏煤矿10煤开采对底板的破坏范围为12 m~15 m,基于煤矿水文地质条件和研究成果提出了该煤层开采时底板突水隐患的预防和治理对策。研究结果对矿井开采设计与矿井防治水工作具有重要的指导意义。     

基于FLAC3D煤层底板采动破坏规律的数值模拟

以大同盆地塔山煤矿为例,运用FLAC^3D有限差分软件,通过构建数值模型,分析了煤层随着工作面开采不断拓宽后底板受采动影响产生的应力变化和底板破坏分布规律。结果表明：随着工作面逐渐拓宽,底板破坏程度与范围逐渐增大;当工作面推进到一定距离时,破坏深度逐渐趋于稳定。     

不等长工作面覆岩破坏规律的数值模拟分析

针对不等长工作面煤层开采日渐增多的现状,采用数值模拟与理论分析相结合的方法,对采场覆岩的破坏特征及支承压力的分布状态进行系统研究,并相应模拟出工作面前方应力场与位移场的演化规律。结果表明:工作面自开切眼开始向前推移,推进到工作面"见方"期或斜长的整数倍位置时,顶板活动剧烈,覆岩空间结构发生新旧更替,形成了"O"型破断区;不等长工作面推进过程中岩层运移极不规则,推进距离在衔接面前后20~30 m的范围内,应力波动较大,数值变化明显;回采期间支承压力对覆岩活动产生了重要影响,其大小约为水平应力的1.5~2倍;就采动过程中竖向位移的变化而言,巷帮移近量远大于顶底板变形量,故工程实践中应特别注意对巷帮及顶板的加固和维护。     

断层条件下深部开采底板破坏深度发育规律研究

矿井深部开采存在严重的“三高一扰动”的复杂地质环境,井下防治水的问题长期威胁矿井的安全生产,而传统的底板突水危险性评价方法和防治措施不适应深部开采的特殊地质环境。本文以林西矿深部开采2023-2工作面为例,采用统计分析方法,总结了矿井深部构造发育规律。统计发现林西矿以小断层发育为主,具有落差小、延展深度小、正断层占比高、高角度发育等特征,小断层发育特征对控制矿井突水相对有利。采用数值计算方法,总结了断层条件下底板破坏加深的规律,揭示了深部开采扰动下断层易活化并与底板破坏带联通的突水模式。研究成果为指导矿井深部开采防治水工作提供了理论和技术支撑。     

带压开采底板破坏规律的三维数值模拟研究

从带压开采的角度建立了带压开采的三维固流耦合数学模型及其数值解法，并针对太原市东山煤矿带压开采，进行了三维固流耦合数值模拟，对带压开采底板的应力分布规律进行了详细的探讨，为进一步防治矿井突水提供理论依据。     

辛置煤矿10409工作面底板破坏特征

根据辛置煤矿底板下三带的现场测试成果,分析了开采煤层底板破坏带厚度、阻水性变化以及破坏带时空特征,提出了评价带压开采的最小临界突水系数,为辛置煤矿带压开采评价提供了符合实际的评价依据,成果可为其它矿井借鉴采用。     

采煤工作面内及区段间煤柱宽度的理论计算

铜川某区在特定的地质、采矿条件下,经开采实践证明,若工作面长度为80m,则其连续推进不应超过400m,否则地表建筑物将遭到破坏。为了解决这一矛盾,可通过留设面内煤柱和区段间煤柱的方法给予解决。本文采用威尔逊理论公式计算得出该矿面内煤柱宽度为70m,区段间煤柱宽度为40m。通过Flac3d数值模拟软件验证后,发现该矿区在留有这两种煤柱宽度的条件下进行开采,地表破坏等级小于1级,符合要求。从而为该矿在开采过程中留设煤柱提供了一种计算思路,对矿区安全生产和环境保护有着积极的意义。     

考虑流固耦合效应的饱和砂土渗透破坏数值模拟

综合考虑水压力梯度力和拖曳力产生的流固耦合效应,建立3维颗粒流(PFC3D )数值模型,从细观角度分析砂土颗粒运动及水压力分布,与理论结果比较以验证数值模型的可行性,并建立实际的饱和砂土渗流模型,模拟超过临界水力梯度后的砂土颗粒运动及赋存状态。结果表明：水流速和颗粒级配对介质颗粒运动的影响较大,颗粒刚度比和摩擦系数的影响相对较小,但较软的颗粒能提高计算效率。该模型可从宏细观角度更准确地反映饱和砂土介质的渗透破坏机理,对实际工程的渗透破坏具有指导作用。     

不同温度下含瓦斯煤岩体的多场耦合数值模拟

考虑地温变化对煤矿深部开采岩石变形破坏的影响,利用COMSOL软件建立含瓦斯煤岩体热-流-固耦合数值模型,并对掘进面进行数值模拟,研究不同温度条件下瓦斯压力、瓦斯渗流速度、煤岩体位移的变化情况。结果表明:温度变化不大的情况下,掘进工作面的瓦斯浓度随温度变化不明显;煤壁工作面附近的瓦斯压力梯度增大。其他条件不变的情况下,随着温度升高,渗流速度不会发生明显变化。该研究为含瓦斯煤岩体动力灾害预测提供了参考。     

基于Workbench的除尘管道流固耦合数值分析

以大型消音除尘进气管道为研究对象,对其内部流场及结构场进行流固耦合数值分析。根据流体力学基本方程和流固耦合基本方程,应用CFX对管道内部流场进行模拟仿真,得出管道内压力、速度云图。将流场计算结果导入Workbench,利用流固耦合理论,得出耦合后管壁的压力分布和等效变形云图。仿真结果表明,空气流经管道时,从进风口处到出风口处,管道中压力水头转化成速度水头,压力减小,流速增大,出风口处产生负压;耦合后管壁存在微小变形,管壁四个角的变形明显大于壁面变形。     

煤层工作面底板水害条件探测实验研究

为提高煤层工作面底板岩层赋水的探测精度,构建探测物理模型,采用并行直流电法技术对底板水害地质条件进行探测模拟实验,连续观测底板岩层含水条件变化时其电性剖面动态特征。结果表明,随着钻孔注水量的不断增加,低阻区域逐渐明显。该结果可以精确显示岩层不同深度赋水情况,为现场探测提供指导。     

采空区多参数气-固耦合渗流模拟

针对由于采空区内非均匀孔隙介质的存在,造成采空区风流动态流动的复杂性,在渗流力学与气-固理论相结合的基础上,采用理论分析、软件模拟以及实例验证等方法,分析了采空区内孔隙度变化规律以及多参数渗流连续数学模型;基于高效的有限体积算法,进行了数值解算,并编制了模拟软件,研究结果表明:采空区内渗透率整体呈现"U型"筛分布,在进风口和回风口处最大,随着采空区深度的增加渗透率逐渐变小;压力呈"扇型"分布,在进风口处最大,随着向采空区延伸,压力变化逐渐趋近于零;采空区内渗流速度呈"弧型"分布,靠近工作面的区域漏风较强,随着向采空区延伸,漏风速度逐渐趋近于零;同时对模拟结果进行了三维和二维演示,使问题更清晰、直观明确,为辅助分析采空区瓦斯排放、自然发火、注氮灭火、大面积均压调压等诸多安全问题提供保障.     

煤矿掘进工作面不同声源位置下声场分布

煤矿掘进工作面噪声污染严重,影响井下作业人员身心健康与安全生产。为了解噪声源位置改变时煤矿掘进工作面声场分布情况,基于煤矿实例建立掘进工作面物理数学模型,采用数值模拟和实验验证相结合的方法,分析噪声分布特征及噪声源位置变化对声场的影响。研究结果表明：噪声源靠近壁面或地面时,工作面内声场分布较紊乱,产生的高噪声区域较广,不利于工作面的噪声衰减;当两个噪声源的相对距离在10 m以内时,声压级衰减曲线呈“W”型,当两声源相对距离超过10 m时,声压级衰减曲线呈“M”型;实验测试与数值模拟结果基本一致,验证了搭建的模型及模拟结果的可靠性。研究结果可为煤矿掘进工作面环境噪声的预测与控制提供了依据。     

杨柳煤矿10煤层底板的采动破坏特征

煤层底板在煤层采动后会发生变形与破坏,煤层底板破坏特征是判断底板突水与否的重要依据。以杨柳煤矿10煤层底板为研究对象,采用理论计算与数值模拟相结合的方式,分析煤层底板岩层在采动条件下的应力变化特征与岩体破坏特征。结果表明:10煤层底板平均厚度59.16 m,在开采条件下最大破坏深度为13.6 m,底板受下部灰岩水影响的可能性很小。该研究可以为分析煤层底板突水机理与底板水害防治提供理论依据。     

煤矿综采工作面粉尘分布及运移规律研究

煤矿综采工作面产尘强度大,是煤矿职业病危害的重大隐患。为了研究综采工作面粉尘的分布规律,降低工作面粉尘浓度,改善工作面劳动环境,文中采用了理论分析和现场实测相结合的方法,分析了综采工作面的产尘特点及影响因素,对董家河煤矿22518综采工作面进行了粉尘浓度的现场实测,分析不同工序及不同地点粉尘浓度的分布及运移规律,结果表明:采煤机割煤是工作面最主要的尘源,移架居第二;割煤、移架时产生粉尘的运动趋势基本相同,先迅速增大,达到最大值后再迅速减小,最后达到稳定;采煤机割煤时下风向10~50 m空间的粉尘浓度最大,需要重点防治。实验测得的数据及得出的结论可为综采工作面制定防尘技术措施提供依据。