采空区瓦斯富集及运移的三维模拟方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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 至IJ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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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】
[0006] 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 C0MS0L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。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
[0008] -种采空区瓦斯富集及运移的三维模拟方法，包括以下步骤：
[0009] 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；
[0010] 其中，三维相似模拟试验包括：
[0011] 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；
[0012] 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；
[0013] 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；
[0014] 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；
[0015] 数值模拟基础参数获取包括：
[0016] 第一小步，采集现场煤岩样；
[0017] 第二小步，按真三轴下流固耦合试验试样要求加工试样；
[0018] 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；
[0019] 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；
[0020] 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C0MS0L 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。
[0021] 采用前述技术方案的本发明，利用C0MS0L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：CN 102735548A，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。
[0022] 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。
[0023] 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。
[0024] 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。
[0025] 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。 [0026] 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