穿层钻孔周围瓦斯流动规律研究

以Darcy定律和煤层瓦斯流动理论假设为基础,运用质量守恒定律,建立了钻孔周围煤体瓦斯流动的数学模型,得到了钻孔周围瓦斯流动的方程及其定解条件。     

本煤层顺层瓦斯抽采钻孔有效长度研究

通过分析钻孔周围瓦斯的流动模型,运用数学的方法推导本煤层抽采钻孔瓦斯涌出量的理论计算公式。比较抽采钻孔的实际抽采瓦斯量与理论计算得到的抽采瓦斯量,得到抽采钻孔的实际有效长度,建立钻孔有效长度与总长度的关系。这一结论的研究意义在于可以大概定位钻孔塌孔的位置,对解决钻孔塌孔、提高煤层瓦斯抽采效果有实际的指导意义。     

考虑扩散-渗流作用的瓦斯流动模型及抽采半径确定

为找到一种能够准确测定低渗松软煤层有效抽采半径的方法,及确定合理的抽采钻孔参数,以煤介质的双重孔隙结构特征以及瓦斯流动理论为基础,根据质量守恒定律、Fick定律以及Darcy定律,建立了考虑扩散-渗流作用的瓦斯流动模型。并以余吾煤业低渗松软的3#煤层为例,将建立的瓦斯流动模型植入到COMSOL中开展计算,得到了抽采钻孔周围瓦斯流动规律及不同抽采时间的有效抽采半径,计算数据与现场测试结果的吻合证实了所建立的瓦斯流动模型的有效性,形成了一种确定低渗松软煤层抽采钻孔附近的瓦斯流动规律及抽采半径的方法。     

钻孔瓦斯流动模型及其应用的误差分析

为了明确煤层透气性系数计算式的误差,采用朗格缪尔式瓦斯含量和抛物线式瓦斯含量建立3种钻孔径向瓦斯流动数学模型(常系数式、抛物线式和朗格缪尔式),通过数值模拟定量计算模型简化后钻孔周围瓦斯压力分布、含量分布以及钻孔瓦斯涌出速度和累积涌出量的差异.结果表明:对于煤层瓦斯含量计算式,将朗格缪尔式简化为抛物线式并没有使计算得到实质性简化,煤层瓦斯含量应选用朗格缪尔式;常系数模型与朗格缪尔式模型存在本质上的差异,对钻孔瓦斯涌出特性及煤层透气性系数的计算造成不可估量的误差;通过解算朗格缪尔式模型,提出新的煤层透气性系数计算式,为钻孔瓦斯涌出数值计算及其工程应用提供一定的参考.     

基于COMSOL Multiphysics的瓦斯抽采有效钻孔间距的研究

为提高司马煤业3号煤层瓦斯抽采时钻孔布置的合理性与准确度,以煤介质的双重孔隙结构特征以及瓦斯流动理论为基础,根据质量守恒及Darcy定律,建立了气固耦合的瓦斯流动模型,并将其植入到COMSOL Multiphysics软件中进行模拟计算,得到了钻孔参数对瓦斯抽采的影响规律以及单排抽采孔布置方式下的有效钻孔间距,为现场瓦斯抽采钻孔的施工提供了理论支持与技术指导,避免了现场施工的盲目性,验证了所建立的瓦斯流动模型的有效性。     

基于COMSOL Multiphysics的瓦斯有效抽采半径的研究

针对鹤煤十矿的地质条件和瓦斯赋存情况,根据煤岩体变形理论与煤层瓦斯流动理论和煤层瓦斯一系列的假设,建立有关钻孔抽采煤层瓦斯流动气固耦合数学模型,通过COMSOL Multiphysics对抽放条件下瓦斯在煤体中的流动进行了气固耦合模拟分析,利用模拟结果得到该煤层的有效抽采半径在3个月的时间内为2.5 m,进而对现场瓦斯抽采提供理论支持,避免现场工作的盲目性,减少工程量。     

采动影响下煤层瓦斯运移规律研究

煤层中的瓦斯流动是一个瓦斯气体运移与煤层固体变形之间相互耦合的复杂过程。以鹤煤三矿3号煤层4101工作面为研究对象,建立了双重孔隙特性瓦斯运移数学模型,借助有限元方法量化分析了气体运移、钻孔破坏之间的气固耦合现象,分析了塑性破坏对渗透率的影响,并利用Comosol研究了注入空气对瓦斯压力、流量的作用过程。现场试验表明,数值模拟所得结果较好地匹配了现场瓦斯压力结果,数据间的差异可能来自于对煤层赋存环境的理想简化,所建立抽采模型可以用于矿井抽采钻孔参数设计与抽采效果评价。     

钻孔流量推算煤层残余瓦斯压力的方法

运用渗流力学中持续平面点源和Darcy定律,结合实际气体的压缩状态方程,分析煤层瓦斯抽采过程中瓦斯流动的规律,建立了瓦斯流量和残余瓦斯压力之间的模型。形成了利用初始渗透率、钻孔瓦斯流量和甲烷状态参数表示钻孔径向瓦斯压力场和计算煤层残余瓦斯压力的方法。从而形成了一种利用渗流理论估算抽采期间煤层残余瓦斯压力的新方法。     

高压水射流环切割缝自卸压机制与应用

为解决深部矿井低透气性煤层瓦斯抽采难题,针对穿层钻孔提出了高压水射流环切割缝煤层自卸压增透技术。通过瓦斯流动理论分析普通钻孔及环割钻孔瓦斯流动模式,分别建立了普通钻孔及环割钻孔瓦斯流动微分方程,获得了高压水射流环切割缝自卸压技术改善煤层瓦斯流动机制;采用FLAC3D软件建模分析高压水射流割缝后钻孔周边煤体应力演化规律,基于煤体卸压程度及塑性区分布特征,确定了穿层钻孔合理化割缝参数;通过底板穿层钻孔高压水射流环切割缝技术现场考察,环切割缝后煤层变形量达到0.136%,煤层透气性系数较原始状态提高了42倍,瓦斯抽采纯量相较普通钻孔提高3.44~5.32倍,同等条件下煤层抽采半径提高了1倍以上。理论研究与现场试验均表明,采用高压水射流切割在煤层内部形成环形缝槽,能有效改善钻孔煤体应力状态,增加煤层渗透性,提高瓦斯抽采效率。     

蠕变条件下顺层钻孔抽采负压分布研究

为了探明采掘应力作用下顺层钻孔抽采负压分布规律,基于钻屑法分析得到预抽工作面煤体采掘应力分布规律。根据煤体塑性软化特性,建立了钻孔周围煤体蠕变模型;运用煤层瓦斯赋存与流动相关理论,建立了钻孔周围瓦斯流动模型;借鉴管道气体流动相关理论,建立了钻孔内瓦斯流动模型,分别得到了孔径变形规律、涌入钻孔瓦斯量、钻孔内负压计算公式。以鹤壁八矿为例,解算了3103工作面顺层钻孔抽采负压分布。结果表明:瓦斯抽采第1天~第5天,孔口孔底压差从260 Pa增加到3.3 k Pa;随抽采时间推移,第7天,钻孔内出现负压值为0区段,即瓦斯抽采空白段;第9天,钻孔内几乎无抽采负压。     

采动煤岩体瓦斯通道形成机制及演化规律

为了研究采动煤岩体瓦斯通道形成机制及其演化规律,运用断裂力学和岩石力学相关理论,结合煤岩体裂隙发育特征将工作面前方煤岩体瓦斯通道分为孤立通道区、张裂破坏区、剪切破坏区及支承压力峰值后破坏区,提出前３区域属于细观流动通道,第４区域属于宏观流动通道;研究了采动过程中煤体顶板变形受力特征、裂隙发育规律及通道导通特性,进行了顶板宏观瓦斯通道的分区：瓦斯紊流通道区、瓦斯过渡流通道区和瓦斯渗流通道区,结合实验室模拟分析了上覆煤（岩）层瓦斯通道发展变化过程,其经历了卸压、失稳、起裂、突变张裂、吻合缩小、加速闭合、通道维持、再次加速闭合直至完全被压实闭合的过程。     

复合作用下煤层瓦斯抽采时空演化及衰减特性研究

针对顺煤层钻孔瓦斯预抽时间无法合理确定的难题，基于煤岩体力学和渗流力学理论分析顺煤层钻孔瓦斯流动特性并确定瓦斯抽采控制因素，对不同抽采时间和复合作用区域的顺煤层钻孔瓦斯浓度和瓦斯流量进行对比。结果表明：单孔瓦斯浓度在上覆煤层采空区-遗留煤柱和断层带复合作用下具有明显的区域差异特性，在不同区域内呈现相似的不稳定升降、大幅度衰减和趋于稳定阶段演化规律|连续钻孔瓦斯流量均呈负指数衰减规律，初始流量和衰减系数在主控因素是透气性系数时不稳定变化，在主控因素是有效应力时趋于稳定，在预抽时间60～120d内抽采效果最优|同时钻孔瓦斯抽采衰减系数可以作为煤层抽放难易程度的一个辅助判断指标。     

Numerical simulation of coal-bed methane transfer with finite element method

The mathematical model and the numerical simulation for the transfer of coal-bed methane were established based on the combination of the porous flow theory and elastic-plastic mechanics theory and the numerical solution was given, together with the consideration of the fluid-solid interaction between the coal-bed gas and coal framework. Then the dispersion for the equation of gas porous flow and coal seam distortion was carded out and the functional analysis equation was obtained. Finally, the coupling solution was educed and calculated by finite element method (FEM) on a model example.     

不同采高下瓦斯通道卸荷损伤演化及抽采验证

为解决大采高采场及上隅角瓦斯超限问题,基于卸荷岩体力学分析了采高对采空区顶板卸荷及瓦斯通道损伤演化的影响,结合损伤力学建立了损伤因子与卸荷量及渗透率的关系,采用离散元软件计算了不同采高下采空区顶板卸荷及瓦斯通道损伤演化规律,根据卸荷后有效应力与渗透率关系研究了不同采高下瓦斯通道的卸荷损伤范围,提出利用大采高开采形成的优势瓦斯通道在中高位断裂带内采用大直径定向钻孔抽采采空区瓦斯,并验证了瓦斯通道的贯通发育。结果表明:采空区顶板卸荷程度随采高增大非线性增长;采高越大,采空区顶板卸荷量及损伤因子越大,裂隙发育数量越多,采空区顶板渗透率突变点及瓦斯通道发育的高度越大;应用153 mm大直径钻孔抽采流量为96 mm的2～3倍,中高位瓦斯通道区钻孔抽采浓度约为中低位的2. 4倍。     

气水两相流阶段煤基质收缩量预测方法

为了尽量避免实验室对煤中甲烷气体解吸时煤基质收缩量测试结果的局限性,综合考虑煤层气井排采时气、水两相流阶段煤储层中气、水产出时引起的煤基质压缩变形与解吸收缩,构建具有一定普适性的力学预测模型显得很有必要。基于有效应力、损伤等力学理论,结合煤储层孔隙结构特征,构建了有效应力压缩煤基质的压缩效应模型;根据吉布斯公式、Bangham理论和Langmuir方程,构建了气体解吸引起的煤基质收缩解吸效应模型;基于表面自由能和煤基质弹性能等能量理论、断裂力学理论,建立了压缩效应与解吸效应相互影响下煤基质收缩数理模型。以沁水盆地樊庄区块为实例对气、水两相流阶段的煤基质收缩量进行了计算。结果表明:对基质收缩量的贡献方面,压缩、解吸效应及2者相互影响的4种效应贡献能力处于同一数量级。其中解吸效应影响最大,解吸效应的收缩量计算结果与其他学者实验室的测试结果基本相符。所建煤基质收缩量数学模型能对不同储层地质条件下气、水两相流阶段煤基质收缩量做出较准确的预测。     

煤体瓦斯运移诱发电位信号的实验研究

为了研究瓦斯在煤体中运移引起的电位信号,设计了煤体充放瓦斯电位信号实验系统,测试了不同压力下瓦斯在煤体运移产生的电位信号。实验结果表明,瓦斯在煤体中的流动会引起煤体电位变化,在煤样进气口处产生的电位信号强度高于煤样中部电位信号强度,而在放气口处未测到显著的电位变化,随着瓦斯压力的衰减,煤样的电位信号强度减小;瓦斯流动电位与充气压力之间不存在显著线性关系,充气过程电位强度高时,相应放气过程产生的电位强度较低,而充气过程产生的电位强度低时,对应放气过程产生的电位信号强度较高;煤体瓦斯流动电位信号的产生主要为瓦斯气体对煤体微结构的冲击破坏而产生自由电荷,以及气体在煤体孔隙内流动的流动电势及瓦斯与煤体气固两相摩擦起电等。     

A new numerical approach of coupled modeling for solid deformation and gas leak flow in multi-coal-seams

From the viewpoint of interaction mechanics for solid and gas, a coupled mathematical model was presented for solid coal/rock deformation and gas leak flow in parallel deformable coal seams. Numerical solutions using the SIP (Strong Implicit Procedure) method to the coupled mathematical model for double parallel coal seams were also developed in detail. Numerical simulations for the prediction of the safety range using protection layer mining were performed with experimental data from a mine with potential danger of coal/gas outbursts. Analyses show that the numerical simulation results are consistent with the measured data in situ.     

变流量缝网压裂技术在松软煤层中的研究与应用

水力压裂是提高煤层瓦斯抽采效率的常用增透措施之一,在常规水力压裂的基础上,根据松软煤层缝网压裂的机理及力学原理,推导出了含天然裂隙的松软煤层产生缝网,需施工裂缝内的净压力大于煤储层水平应力之间的差值,同时对裂缝进行模拟,得出变流量注入可以提高裂缝内净压力,形成缝网结构,并在平煤十二矿己₁₅-31040采面进行水力压裂现场试验。试验结果表明:采用变流量缝网压裂水力压裂保压压力、累计注水量等相关参数以及单孔瓦斯抽采浓度、纯量均高于原始煤层及稳定流量常规压裂,说明变流量缝网压裂增透效果明显较好,该方法可以作为水力压裂增透技术借鉴的一种方法。     

顺煤层钻孔抽采半径与预抽期动态耦合规律

针对煤层瓦斯预抽钻孔盲目布置引起矿井采掘安全隐患凸显及瓦斯治理成本激增的问题,基于瓦斯流量法,对不同钻孔间距下青岗坪煤矿4~(-2)顺煤层瓦斯流量、瓦斯抽采总量与抽采时间对应关系进行考察。结果表明:不同间距(2m、3m、4m、5m)下瓦斯流量均随抽采时间成负指数衰减,抽采总量均随抽采时间成负指数增加,间距越小则初始流量越小而衰减系数越大,间距越大则抽采总量极限值越大;不同间距下瓦斯抽采率均存在极限值,间距越小则极限抽采率增幅越大,间距2m时抽采率达到最大值79%;瓦斯抽采半径与预抽期存在动态耦合关系,综合考虑合理预抽期和瓦斯治理成本,科学确定了现行采掘和抽采条件的有效影响半径,为青岗坪煤矿4-2煤层采掘工作面瓦斯抽采设计提供理论依据。