采空区孔隙率的空间立体分析研究.pdf

第29卷第6期
长江科学院院报
Vol 29 No 6
2012年6月
Journal of Yangtze River Scientific Research Institute
Jun.2012
文章编号:1001~5485(2012)06-0052-06
采空区孔隙率的空间立体分析研究
张春,题正义',李宗翔°
(辽宁工程技术大学a.安全科学与工程学院;b.矿业学院,辽守卓新123000)
摘要:“四维动”模拟应是今后采空区模拟研究的主要方法和手段,也是搞清采空区各场规律的必经之路,其中采
空区内各处孔隙率的准确确定是此技术的关键性问趣之一。因此,对采空区的孔隙率进行了空问立体分析。首先
将采空区内的孔隙率视为二阶张量进行了研究,并得出各方向孔隙率的计算方法。随后对采空区垂直方向的孔隙
率进行了分析,通过模拟试验得出了孔隙率与岩石粒径之间的关系,并绘制出了全程关系曲线。同时,利用现场观
测与理论分析证明了此关系的正确性。最后利用数值模拟方法对采空区垂直方向的风流场进行了数值模拟,此模
拟也充分说明了采空区三维立体模拟研究的必要性。
关键词:孔隙率;采空区;岩石粒径;模拟试验;数值模拟
中图分类号:X936
文献标志码:A
全面、更准确。
1研究背景
目前,国内外学者对采空区孔隙率的研究也较
多。例如,波兰学者得出采空区孔隙率系数与风流渗
由于采空区的特殊性,目前对其进行研究比较常入采空区距离之间呈线性变化;张辛亥根据采空区
用的方法为数值模拟方法,所用理论为场流理论。基矿压分布和顶板岩性,近似认为采空区孔隙率沿走向
于此方法和理论,人们对采空区的研究不断深入,其的分布为负指数的变化关系的;周西华对采空区冒落
主要的研究内容包括采空区渗流场的数值模拟、采空矸石堆积状态进行照相,获得图片,得出孔隙总面积
区“三带”的划分、采空区氧气、瓦斯等气体浓度的分与视场面积的比値即为孔隙率?。还有一些文献将
布、采空区自然发火位置的确定等小-?。但是无论对采空区的孔隙率设定为常数,或将采空区划分为儿个
采空区进行何种方面的研究,首先都需要将采空区视区城,每个区城内的孔隙率设定为常数等等。但这些
为一个多孔介质空间,确定出此多孔介质空间的相关研究基本上都是对采空区孔隙率的平面研究,在垂直
参数,最后建立相应方程组进行模拟计算和研究。在方向上均假设采空区孔陈率无变化,并目没有全面考
分析研究的过程中,参数的确定是否正确,直接影响虑压力、时间和介质颗粒对其的影响。
到模拟结果的正确性和准确性,而采空区的孔隙率又
是这些参数中最重要的一个,因此有必要对采空区的2采空区孔隙率的理论分析
孔隙率进行更准确、更深入的研究。
岩石孔隙率一般被定义为岩体内各种孔洞和裂
孔隙率在很多其他领城都有所研究,但对采空隙体积的总和与岩体总体积的比值。在采空区破碎
区而言,其具有很多独有的特性。例如,在一定时期矸石内,由于孔洞所占的体积要远远大于製隙体积
内受开采压力和时间等因素的影响,孔隙率是不断因此,本文进行研究时忽略矸石内裂隙的体积。另外
变化的。另外,以往对采空区孔隙率的研究中,总是为了方便研究,在分析时假设在应力作用下,固体骨
在二维平面内考虑孔隙率的変化,而在一些问题上架不发生变形,孔隙率的变化完全被认为是由冒落矸
需要考虑三维空间内采空区孔隙率的变化,例如采石间的孔洞变化所引起的。孔隙率用公式可表示为
空区顶板瓦斯抽放时采空区气体流动规律研究,上
= im
邻近层瓦斯涌出规律的研究等等。有时时间对采空
区孔隙率的影响也必须考虑,因此,只有对采空区进式中:n为采空区质点的孔隙率;Y为所研究质点的
行“四维动态”数值模拟研究,才能使研究的结果更孔洞体积;V为所研究质点的的总体积。
收稿日期:2011-03-21
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51074086,51174109)
作者简介:张春(1979-),男,辽宁沈阳人,讲师,博土,主要从事矿井灾害防治工作,(电话)15241898683(电子信箱)hang_chun_10e16
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第6期
张春等采空区孔隙率的空间立体分析研究
根据上式可以看出,采空区的孔隙率被视为标律的一项重要内容。笔者在此方面进行了一些研究
量进行计算,而对于采空区的实际情况而言,在同一工作,主要依据采空区走向与倾向的顶板压力分布
点的不同方向北,孔隙率一般是不同的,因此,本文特点,计算出采空区的孔隙率,并考虑了时间因素。
将采空区孔隙率视为二阶张量进行分析。
采空区应力场、时间与孔隙率的关系近似呈负
为了方便研究,对采空区某处的孔隙率做如下指数关系,应用公式可表示为
规定:采空区某质点某方向的孔隙率为在此方向上
ニae
单位面积内各种孔洞面积的总和,即
式中:o1为所研究质点的顶板压力;y;,x:为所研究
(i=1,2,3,…,MY
(2
质点的空间坐标;为研究质点时的时间因素;a为
n=Im
式中:n:为采空区某处方向孔隙率;S;为质点方所研究质点处的最大孔隙率,即基本顶压力为零时
的孔隙率。
向孔洞面积总和;S为质点i方向的总面积;为质
对于采空区空间内,不同位置处一般a是不相
点方向选取个数。
的,其值的大小主要受2个因素的影响。一个因
根据上式可以得出,采空区某质点处各个方向素为所研究质点处采空区冒落矸石的压力,由于此
的孔隙率有无数多个,为了简化研究问题,本文仅取
压力与基本顶压力相差较大,所以其影响可以忽略;
煤层走向与倾向2个方向作为孔隙率的计算方向
另ー个因素为采空区内冒落矸石的粒径。
如图1所示。
3.2采空区冒落矸石粒径对孔隙率的影响
本文应用试验模拟方法,对冒落带内矸石粒径
与孔隙率的关系进行研究分析。
3.2.1模拟试验材料与数据观測面
根椐模拟试验所用材料粒径不同,将模拟试验
分析质
分成10组。模拟试验所选材料粒径如表1所示。
为了能够准确地反应出粒径与孔隙率的关系,每组
走向平面
试验所选材料的粒径相差不多。
表1各组模拟试验料粒径
图1质点走向倾向剖面
Table 1 The average diameters of materials
Fig 1 Section drawn of particle along tendency
used in the tests
and trend
组号
粒径/em
组号
粒径/cm
通过分析可以得出,当任一方向与走向平面夹
15.0
角越小时,此平面内的孔隙率与走向孔隙率越接近;
而与倾向夹角越小时,此平面的孔隙率与倾向孔隙
0.0
率越接近。同时,在采空区内由于重力和顶板压力
12.5
25.0
的影响,走向和倾向的孔隙率一般分别为最大值和
模拟试验所用材料为矿下采空区矸石。试验容
最小值,其他方向的孔隙率介于其间。因此,其他方
器大小为8mx8mx8m,四周用金属板焊接而成,
向的孔隙率可以通过走向与倾向的孔隙率求出。依并在容器内部涂抹润滑剂,减小壁面摩擦。矸石使
据驱替理论,假设某平面与走向平面的夹角为a,则
用铲车放入容器,并且同一组内矸石均从同一高度