煤与瓦斯安全共采三维物理模拟方法及综合实验系统研究

The laws of the overlying strata movement, fracture evolution and relieved methane delivery are keys in simultaneous extraction of coal and coal bed methane. At present, there are still lack of physics resemble simulation experiment table which can research simultaneously. In this project, solid and gas coupling similar principle will be established and similar material will be manufactured of three-dimensional space based on theoretical analysis, experimental research, numerical stimulation, and industrial test. Using modular design method, a synthesized experiment system which has independent intellectual property will be researched and manufactured. In this system, an innovation will be made by putting the rigid framework, mining system, ventilation system, methane injecting system, methane drainage system, loading system and data acquisition and control system together. Based on this system, the laws of ground pressure distribution, methane migration, overlying strata movement and break and methane drainage can be researched simultaneously. In this way, the quantitative evolution of mining fracture and relieved methane delivery and the interaction between them can be found. Accordingly, the parameters of drainage holes (roadways) can be further optimized which will improve the effect of methane drainage and this system will provide an important method for realizing simultaneous extraction of coal and coal bed methane.

采场覆岩移动、裂隙演化及卸压瓦斯运移等规律是煤与瓦斯安全共采中的关键科学问题，目前国内外仍缺乏同步研究这些规律的三维物理相似材料模拟实验系统。针对该问题，本项目拟综合应用理论分析、实验研究、数值模拟和现场工业性试验等方法与手段，建立三维空间下的固气耦合相似原理，研制适合三维模拟实验的相似材料；采用模块式设计方法，研发具有自主知识产权的煤与瓦斯共采综合实验系统。该系统通过集成研发高强度刚体框架、开采系统、通风系统、瓦斯注入系统、瓦斯抽采系统、加载系统以及数据采集分析与控制系统等，使矿山压力分布规律、瓦斯运移规律、覆岩移动破坏规律、瓦斯抽采规律等一体、同步研究。从而有利于掌握采动裂隙时空演化与卸压瓦斯运移演化规律的定量化描述及相互影响关系，为进一步优化瓦斯抽采钻孔（或巷道）布置参数，提高瓦斯抽采效果，实现煤与瓦斯安全共采提供重要的实验技术手段。

采场覆岩裂隙演化及卸压瓦斯运移规律是煤与瓦斯共采中的关键科学问题，目前国内外仍缺乏同步研究这些规律的三维物理相似材料模拟实验系统。针对该问题，项目综合应用理论分析、实验室实验、数值模拟和现场工业性试验等方法与手段，自主研发出煤与瓦斯共采三维物理模拟实验系统及相似材料，开展了三维条件下采动覆岩裂隙演化与卸压瓦斯运移规律研究。相关研究成果出版专著2部，发表论文45篇（SCI、EI等收录18篇），培养博硕士生19人，参加17次国内外学术会议，授权国家发明专利6项、实用新型专利11项、软件著作权4项，申请国家发明专利3项，获省部级奖2项，指导1个煤矿开展了煤与瓦斯安全共采。主要研究成果有：.（1）建立了三维条件下覆岩裂隙演化与瓦斯运移耦合相似准则。利用岩石力学、渗流力学、相似理论方法，推导得到三维条件下岩体破裂与瓦斯渗流耦合综合控制模型，建立了固气耦合相似准则。.（2）研制出适合三维物理模拟实验的相似材料。配制了不同类型的相似材料，采用正交试验、极差分析及多元回归分析等方法，研究了影响相似材料力学与渗流参数的因素，获得了适合三维固气耦合物理模拟的相似材料及其配比。.（3）自主研发出煤与瓦斯共采三维物理模拟系统。采用模块式设计方法，将高强度刚体框架、开采系统、通风系统、瓦斯注入系统、瓦斯抽采系统、加载系统、声电监测系统以及数据采集控制系统等有机集成，研发了煤与瓦斯共采物理模拟实验平台，实现了矿山压力分布规律、瓦斯运移规律、覆岩移动破坏规律、瓦斯抽采规律等一体同步研究。.（4）揭示出采动覆岩裂隙演化与卸压瓦斯运移耦合机理。通过三维物理相似模拟实验、数值模拟及现场工业性试验，开展了采动覆岩裂隙演化与卸压瓦斯运移耦合规律研究，揭示了采动裂隙场与卸压瓦斯渗流场之间是一个相互影响、相互作用的动态平衡体系。为优化卸压瓦斯抽采钻孔（或巷道）布置参数，提高瓦斯抽采效果，实现煤与瓦斯安全共采提供了依据。