基于气固耦合的Klinkenberg效应对单孔瓦斯抽采的影响研究

通过耦合方程建立应力场和瓦斯运移场之间的耦合关系,得到考虑Klinkenberg效应和不考虑Klinkenberg效应时两种气—固全耦合模型的控制方程组,分别应用于同一单孔瓦斯抽采数值模型,对比分析了Klinkenberg效应对瓦斯压力、渗透率和孔隙率动态变化的影响规律,结果表明:Klinkenberg效应通过增大煤层渗透率,有助于瓦斯抽采,且随抽采时间的延长效果更加显著;煤化程度较高的煤在抽采时间较长(大于4个月)时需要考虑Klinkenberg效应的影响;由于渗流场和应力场的强耦合作用,孔隙率、渗透率、煤层瓦斯压力受抽采作用的影响范围同步变化。     

近距离突出煤层群水力冲孔卸压瓦斯抽采及效果评价研究

为高效评价近距离突出煤层群水力冲孔卸压瓦斯抽采效果,基于弹性力学、渗流力学和Klinkenberg效应等理论,建立了包含煤岩变形、瓦斯运移、孔隙率和渗透率演化数学方程的低透气性含瓦斯煤气固耦合模型,采用COMSOL Multiphysics数值模拟软件模拟分析了近距离突出煤层群水力冲孔钻孔周围煤体瓦斯压力与孔径之间的时空演化规律;基于质量守恒定律建立了近距离突出煤层群瓦斯抽采有效影响半径理论计算公式,并在贵州盘江煤电集团公司松河煤矿进行了工程试验及应用.得到以下结论:1)水力冲孔后,近距离煤层群各煤层的瓦斯抽采变化规律基本同步,水力冲孔的孔洞半径越大,影响半径越大,瓦斯抽采效果越好;2)现场试验结果显示,水力冲孔显著地改善了煤层瓦斯卸压抽采效果,且距离水力冲孔的孔洞越近,增透与卸压效果越好,瓦斯抽采体积分数和流量越大,考察孔对比结果确定了松河煤矿水力冲孔卸压抽采70 d的有效影响半径为4～5 m;3)将现场数据代入近距离突出煤层群瓦斯抽采有效影响半径理论公式中,得到的结果与数值模拟结果近似表明该理论公式的可行性.研究结果对近距离低渗透煤层群的瓦斯治理及效果评价具有良好的指导意义.     

瓦斯非均衡赋存煤层精准冲孔增透技术及应用

为实现瓦斯非均衡赋存煤层的精准卸压增透，基于理论建模、数值模拟和现场试验的方法研究了水力冲孔关键工艺参数的判定准则和优化方法。构建了卸压煤层多场耦合模型，分析了冲孔最优出煤量的判定指标体系，提出了冲孔最优出煤量的判定准则及方法，绘制了水力冲孔关键工艺参数优化图谱，提出了瓦斯非均衡赋存煤层梯级精准增透强化抽采技术。结果表明：(1)抽采时间一定时，随着冲孔出煤量的增加，煤层残余瓦斯含量逐渐降低，而由于孔间应力集中程度的升高，残余瓦斯压力先降低后升高；(2)冲孔最优出煤量的判定准则包括瓦斯抽采达标约束和巷道失稳风险和施工成本最小化约束，当残余瓦斯含量和压力均小于临界值时，认为抽采达标，在满足抽采达标的前提下，应尽量减小冲孔出煤量以保证煤巷稳定、降低工程成本；(3)冲孔最优出煤量随地应力的升高而降低，随黏聚力、瓦斯压力和钻孔间距的增大而升高。对于给定煤层，冲孔出煤量存在最大值，抽采达标时间存在最小值；(4)综合考虑煤层瓦斯压力、出煤量、钻孔间距及抽采达标时间之间的关联关系，绘制了冲孔关键参数的优化图谱，提出了瓦斯非均衡赋存煤层梯级精准增透强化抽采技术，融合煤层瓦斯赋存特征和冲孔关键参数的优化图...     

松软特厚煤层区域穿层钻孔风动卸煤消突效果分析

针对超化矿区域煤层厚度大,煤质松软,采用水力冲孔措施消突效果差的现状,通过分析采用风动卸煤措施与水力冲孔措施后钻孔卸煤量、瓦斯抽采浓度和抽采量的差异,结果表明:利用风动卸煤措施后单孔平均卸煤量和单位时间卸煤量为水力冲孔措施钻孔的2.55倍、3.63倍, 钻孔施工班时仅为水力冲孔的0.7倍;瓦斯有效抽采时间增加12%,单孔瓦斯抽采量大幅度提升,有效的降低煤层瓦斯含量达到了理想的卸煤增透消除煤层突出危险性的效果.     

基于Klinkenberg效应下双渗透模型瓦斯运移规律研究

为消除基质瓦斯渗流作用对流固耦合模型的影响，准确描述瓦斯在抽采过程中的运移规律，建立了更加符合煤层多孔介质特性的双孔双渗透率模型，提出了考虑Klinkenberg效应和动态瓦斯扩散系数的双孔双渗透流-固耦合模型。利用COMSOL模拟钻孔瓦斯抽采过程，分析煤层钻孔预抽过程中瓦斯的运移规律、渗透率和有效抽采半径的变化。模拟结果表明：Klinkenberg效应能有效促进瓦斯运移，渗透率变化是骨架压缩效应和基质收缩效应共同作用的结果，随着抽采时间的增加，基质收缩效应占主导地位，渗透率逐渐增加；观测点的渗流速度可分为快速上升、缓慢下降和稳定不变三个阶段；瓦斯有效抽采半径与抽采时间和孔径符合幂指函数关系。现场试验与模拟结果基本吻合，验证了理论耦合模型的正确性，为瓦斯抽采设计提供理论基础。     

水力冲孔有效影响半径的数值模拟研究

水力冲孔有效影响半径是水力冲孔布孔方案设计的重要基础参数,采用Comsol Multiphysics的Solid module and Darcy module建立了水力冲孔煤层瓦斯应力渗流耦合模型,以国内某矿井煤层赋存条件为原型,模拟研究了不同冲出煤量、不同抽采时间条件下的瓦斯压力分布规律特征,确定了水力冲孔有效影响半径与冲出煤量、抽采时间的相关关系,为该矿井水力冲孔的布孔方案设计提供了重要理论依据。     

深部低渗透率煤层瓦斯抽采气固耦合机理研究

为揭示瓦斯在深部煤层抽采时的渗流机理,基于深部煤层低渗透率、高地应力、高瓦斯压力特征,结合瓦斯运移的Klinkenberg效应,建立了考虑煤体基质、裂隙双重孔隙介质的瓦斯抽采气固耦合模型,并针对具体地质情况进行了耦合模型的数值模拟研究。结果表明:煤层瓦斯压力随抽采时间增长呈下降趋势,钻孔周围出现瓦斯压降漏斗现象,距钻孔越近瓦斯压力下降越明显。深部低渗透煤层瓦斯抽采过程中,煤层体积变形、瓦斯解吸共同影响煤层渗透率变化,瓦斯抽采使煤层瓦斯压力逐渐降低,煤体发生收缩变形导致渗透率增大,同时煤层有效应力增大,煤层中裂隙、基质受压变形,又会导致渗透率逐渐减小。     

考虑流变特性的水力冲孔孔径变化规律及防堵孔技术

通过分析水力冲孔周围煤体的受力特征,建立了考虑煤的塑性软化和扩容特性的水力冲孔周围煤体黏弹塑性模型,分析了水力冲孔的卸压增透效果和孔径变化规律,制定了防止钻孔堵塞和注气驱替技术。研究结果表明：① 水力冲孔措施可以大幅度提高周围煤体的渗透率,冲煤量越多,水力冲孔的卸压范围越大,煤体的渗透率提高的幅度越大;② 由于煤的流变特性水力冲孔钻孔会产生缩孔现象,地应力越大,煤体强度越低,钻孔周围煤体的蠕变变形越剧烈,钻孔就越容易被堵塞,一旦抽采通道被堵塞,瓦斯抽采效果就会大幅度的降低;③ 采用下套管防堵孔技术,人工保留一条抽采通道,可长时间抽取高浓度瓦斯,抽采效果提高了2.7倍;④ 注气驱替与水力冲孔技术结合,单孔抽采纯量增加了8.1倍,可有效的提高瓦斯抽采效果。     

基于多物理场耦合的顺层钻孔瓦斯抽采参数优化研究

为了揭示多物理场耦合作用下本煤层顺层钻孔瓦斯抽采渗流机制,建立了考虑Klinkenberg效应、有效应力和解吸收缩影响的流固耦合模型,运用该模型对本煤层顺层钻孔抽采参数进行优化。结果表明:抽采时间对有效抽采半径影响非常显著,钻孔抽采1 d时有效抽采半径为0.38 m,钻孔抽采10 d时有效抽采半径的范围仅增加1.55倍,抽采180 d时有效抽采半径的范围增加8.26倍;在高瓦斯压力区域,煤层钻孔周围煤体的孔隙率、渗透率呈现下降趋势,随着钻孔抽采影响程度的减小,煤基质解吸收缩效应逐渐加强,孔隙率、渗透率下降趋势逐渐缓慢,模拟结果与理论分析相吻合;随着抽采钻孔直径的增加,钻孔周围煤体的瓦斯压力降低范围逐渐增大,有效抽采半径与钻孔直径之间满足幂函数关系,在保证钻孔抽采效果的前提下,确定某矿29031工作面最合理的钻孔直径为94 mm。     

高应力松软突出煤层定向长钻孔水力冲孔技术研究

为解决松软突出煤层高应力区瓦斯动力灾害问题,以象山矿5#煤21511工作面为研究对象,采用数值模拟、现场考察方法分析了定向长钻孔水力冲孔前后及不同冲孔出煤量的煤体应力变化规律、塑性损伤发育特征和现场实际瓦斯抽采效果。结果表明：冲孔技术显著影响了周围煤体地应力分布,煤体卸压范围和塑性破坏范围大幅提升;冲孔出煤量与钻孔卸压区域半径、塑性破坏区域直径呈正相关关系;冲孔长钻孔单孔抽采量较普通长钻孔提升了23.5%,有效抽采半径平均提高了近12.3%。定向长钻孔水力冲孔技术不仅可远距离治理瓦斯,而且显著提升了钻孔抽采效果,具有技术可行性。     

松软低透煤层高压射流造穴强化抽采技术研究

为促进低透气性煤层瓦斯的预抽,消除煤层煤与瓦斯突出危险,采用高压射流冲孔造穴技术措施,构建高压射流冲孔造穴过程的煤体渗透率演化模型,并通过解算得到冲孔后煤体渗透率的演化及煤体内瓦斯运移的规律,即钻孔周围煤体的增透区半径随钻孔半径增加而线性增加。在新景矿进行冲孔造穴现场试验,结果表明:相较于直接预抽煤层瓦斯,采用高压射流冲孔造穴结合瓦斯抽采的措施可节省钻孔工程量,强化瓦斯抽采效果,且掘进过程中消除突出危险更有效,提高巷道的掘进速度,能够保证矿井安全生产。     

水力冲孔卸压增透技术研究

为了增加煤矿瓦斯抽采量，缩短瓦斯抽采时间，理论研究了水力冲孔破煤机理，对喷嘴进行了选型；采用FLAC^3D数值模拟软件，模拟分析了水力冲孔后煤体应力、位移分布及不同孔径下煤体应力和位移的关系，并进行了工业试验，采用水力冲孔技术后，瓦斯抽采效果明显。研究为有效防范煤与瓦斯突出提供了技术支持。     

气—水两相流耦合模型及瓦斯抽采模拟研究

针对目前进行瓦斯抽采模拟时大多忽略煤层含水的问题,建立了考虑气—水两相流的瓦斯抽采流固耦合模型。在瓦斯单相作用的基础上,考虑煤层水渗流及孔隙水压力所产生的影响,推导出相应的应力场方程和渗流场方程,并建立渗透率动态演化模型作为耦合模型,据此分析瓦斯—水运移规律。研究结果表明:考虑气—水两相流,产气速率具有峰值点;若不考虑水的影响,则将高估瓦斯抽采量;距钻孔越远,水对瓦斯运移的抑制作用越明显,且抑制作用大于因煤体自身有效应力减小、渗透率增大所带来的促进作用;煤层初始渗透率对瓦斯抽采具有决定性作用;煤层温度越高,瓦斯压力越不易降低,由温度增高引起的瓦斯解吸效应大于煤层自身的吸附应变效应。     

“三软”煤层水力冲孔与压裂耦合致裂增透技术

通过数值模拟软件分析和现场工程试验等手段,研究了水力冲孔与压裂耦合致裂增透技术对豫西"三软"煤层煤体位移、应力分布、渗透率的影响。研究结果表明,水力冲孔与压裂耦合致裂增透技术可以使水力冲孔泄煤钻孔间煤体应力降低20%以上、渗透率提高35%以上;告成矿23041下副巷(北)揭煤工作面穿层钻孔平均抽采浓度较相同瓦斯地质条件提高4.3倍,日平均抽采纯瓦斯量较相同瓦斯地质条件提高6.7倍,研究成果可推广应用于郑州矿区底板岩巷穿层钻孔预抽煤层瓦斯区域防突措施。     

松软煤层水力冲孔与二氧化碳爆破联合增透技术

为有效解决松软煤层瓦斯透气性低、瓦斯抽采效果差的问题,提出一种水力冲孔与二氧化碳致裂爆破联合增透方法,即在水力冲孔基础上引入二氧化碳致裂爆破措施,加快松软煤体向孔洞移动的速度,进一步提高煤层透气性,延长高瓦斯流量抽采时间。在贵州高山煤矿9号煤层进行对比试验,抽采30d后,联合增透技术抽采钻孔瓦斯抽采量比单独使用水力冲孔措施提高45%;抽采60d后,联合增透技术采区域平均残余瓦斯含量比单独使用水力冲孔增透措施时降低了22%,为其他矿区松软煤层瓦斯抽采提供参考。     

低透气性煤层水力冲孔数值模拟与应用

基于瓦斯煤体变形及瓦斯渗流理论,建立应力-渗流耦合模型,通过COMSOL软件进行模拟,得出水力冲孔作用后孔洞周边渗透率及瓦斯抽采半径,确定不同冲煤量的布孔参数。并通过张集矿试验得出水力冲孔措施较好地释放孔洞周边应力集中,增加了煤层渗透率,提高瓦斯抽采效果。     

基于流-固-热耦合的煤层瓦斯抽采数值模拟研究

为了提高煤层瓦斯抽采效果预测的准确性,揭示瓦斯抽采过程中煤层各参数的变化规律,基于煤岩结构和瓦斯煤层内运移特征,结合岩体力学、渗流力学、传热学相关理论,建立了煤层瓦斯抽采的流-固-热耦合模型,进行了单裸竖直钻井瓦斯抽采数值模拟,结果表明:所建模型解算结果与工程实际相吻合,能够满足工程需要;在瓦斯抽采过程中煤层温度、瓦斯压力和产气速率均随着抽采时间的增加而减小,瓦斯抽采活动对煤层温度的变化有着很大影响;由于瓦斯吸附量减少和温度降低引起的煤基质应变降低值大于煤层压力降低引起应变增高值,瓦斯抽采影响范围内煤体渗透率不断增高,但受煤层瓦斯运移、解吸速度的影响,煤体渗透率增高速率不断减缓。     

二次扩孔水力冲孔瓦斯治理技术效果分析

针对新安煤矿典型的"三软"煤层具有低透气性、坚固性系数小、松软破碎的特性,且瓦斯抽采钻孔塌孔快、抽放效果差的特点,研究了适合新安煤矿突出煤层的水力冲孔工艺,重点分析了二次扩孔改变岩层孔径的情况下,利用高压水射流在煤体中运移规律,改变应力场,增加冲孔出煤量,改善水力冲孔效果。实验结果表明:执行二次扩孔水力化瓦斯治理措施,利用底板水力冲孔的卸压特征,有效地增加冲出煤量,防止憋孔、堵孔,从而快速消突,提高巷道掘进速度。     

突出矿井掘进工作面瓦斯渗流模型及数值模拟

为了掌握挂耳钻场抽采影响下掘进巷道瓦斯涌出情况,指导矿井的巷道掘进工作,建立了综合考虑解吸、渗流、扩散、Klinkenberg效应的瓦斯运移数学模型,利用数值模拟软件对挂耳钻场瓦斯流动规律进行了数值分析。结果表明,随着抽采时间的增加,钻孔影响范围逐渐增大,钻场周围煤体瓦斯压力的变化与钻孔间距有直接关系,采用挂耳钻场的瓦斯抽采方式能够有效降低巷道暴露煤壁的瓦斯涌出量。     

潘三矿13-1煤层水力冲孔试验研究

为考察潘三矿13-1突出煤层水力冲孔技术措施的消突效果,基于13-1煤层的赋存条件,介绍了潘三矿-650 m东四运输大巷利用穿层钻孔进行水力冲孔试验的过程,研究了水力冲孔的冲出煤量、风流中瓦斯浓度、考察孔瓦斯流量、瓦斯抽采半径和冲孔前后瓦斯抽采流量变化等5个方面。结果表明:在单孔每米冲出煤量达到2.0~3.0 t时,13-1煤层瓦斯抽采半径达到4.5 m,考察孔瓦斯流量为冲孔前的10倍以上,瓦斯流量衰减系数仅为冲孔前的30%,在冲孔控制区域内煤体得到卸压,煤层瓦斯含量降低了近70%,释放了煤层的突出潜能,取得了明显的卸压增透效果。