地面井预抽瓦斯应力-渗流耦合数值模拟研究

基于弹性力学、渗流力学等理论,建立了地面井预抽瓦斯应力-渗流耦合模型,在此基础上结合工程实例,分析了地应力对瓦斯抽采效果的影响。计算结果表明:在地面井抽采作用下,煤层瓦斯压力不断减小,且地应力越大,瓦斯压力下降速度越慢;随着抽采的持续进行,造成煤体的有效应力增加和渗透率降低,同时由于瓦斯解吸,煤层孔裂隙重新变大和渗透率增加,2种效应共同作用下煤层渗透率总体呈现非线性增加趋势;地应力对地面井抽采效率影响显著,两者呈现负相关关系,即随着地应力的增加,煤层中的基质孔隙率下降和裂隙趋于闭合,造成煤层渗透性下降,最终导致了瓦斯抽采量的下降。     

万利矿区煤层群开采覆岩裂隙发育规律研究

采用数值模拟软件UDEC建立了万利矿区煤层群采动的数值模型,模拟研究了采动裂隙发育和煤层群采动相互影响的演变过程,分析了3-1煤顶板岩层采动裂隙的发育规律与预计高度.模拟结果显示,5-1煤的采动可引起3-1煤的裂隙高度略有增加,最终发育高度分别为40 m,按经验公式预计则为41~50 m,经瞬变电磁、钻孔实测的裂隙发育高度为45 m。根据导水裂隙带的发育规律,按3-1煤上覆含水层的富水性、隔水层厚度将矿区分为无水区、不可保区、天然可保区、可保区和观察区,并针对可保区进行了相应的保水开采实践。     

含瓦斯煤渗透率各向异性研究

为研究含瓦斯煤各向异性渗流特征,以原煤煤样为研究对象,以含瓦斯煤三轴渗流实验系统为实验平台,开展了含瓦斯煤的各向异性渗流规律的研究,确定了含瓦斯煤各向异性渗透率主值及其方位的计算方法,定义了含瓦斯煤渗透率各向异性率,重点分析了含瓦斯煤渗透率各向异性动态变化规律和瓦斯优势流动方向的转变现象。研究结果表明:煤体瓦斯流动具有非常明显的各向异性特征,本文所提出的含瓦斯煤各向异性渗透率计算方法简单有效;含瓦斯煤具有较强的应力敏感性,其渗透率与有效应力之间符合负指数函数变化规律;含瓦斯煤渗透率的各向异性随有效应力的变化表现出了明显的动态变化发展规律,优势流动方向存在转变现象。     

潞安矿区煤水共采技术研究

 为了水资源的可持续利用和煤矿安全开采,基于绿色开采理念和采动岩体渗流理论,提出区别于疏干开采和排供结合的煤与水共采的观点。以潞安矿区为基地,分析地下水系统特点,发现并利用了奥陶系顶部隔水层,成功实施矿井水资源化利用和煤与水共采。研究结果表明：煤与水共采既适度开发地下水、维持泉组流量处于动态平衡状态,又经济安全地开采了浅部大量受水威胁的煤炭资源。奥陶系顶部隔水层是不需大幅度降低底板奥灰水位就能实现煤水共采的前提和保障,不仅解放了3#煤,而且解放了占矿区总储量1/3的下组煤;煤与煤系地层水共采和矿井水的净化利用为保持矿区乃至整个盆地地下水资源的采补基本平衡做出了重要贡献。煤与水共采是以保水、保安及环境保护为前提的2种资源的合理开采。     

考虑颗粒迁移的陷落柱流固耦合动力学模型研究

为了揭示流固耦合作用下的煤矿底板陷落柱突水机理,基于破碎岩体渗流理论、固液两相流、地下水动力学等理论,建立了考虑颗粒迁移的陷落柱流固耦合动力学模型.采用理论分析、数值模拟和工程实践相结合的方法对颗粒迁移作用下陷落柱的渗透特性进行了研究,得到了陷落柱孔隙率、渗流速度、孔隙水压力、流体中颗粒体积分数、涌水量等参数随时间变化规律.结果表明:随着时间增加,陷落柱充填颗粒在流固耦合作用下不断被侵蚀成悬浮颗粒并迁移流失,流体中颗粒体积浓度剧增后骤减;陷落柱的整体渗透性起初增加较慢,随着颗粒的不断迁移流失,孔隙率、渗流速度、涌水量快速增大后趋于稳定.     

基于工业CT扫描和LBM方法的含瓦斯煤裂隙演化与渗流特性研究

煤层裂隙系统的扩展和发育是控制煤层渗透率的主要因素,分析加载条件下煤层渗透率的变化对研究煤层气的运移特性及其开发具有重要意义.开展了基于工业CT扫描条件下的含瓦斯煤三轴渗流实验,测试结果表明:含瓦斯煤在加载条件下的变形过程大致分为初始裂隙压密阶段、弹性变形阶段、屈服变形阶段、破坏阶段和残余变形阶段;基于CT扫描技术的裂...     

变质量破碎岩体非线性渗流试验研究

为了更进一步研究陷落柱的突水机理,完善陷落柱突水的试验基础,通过自制的一套变质量破碎岩体渗流试验系统,对变质量破碎岩体非Darcy流渗透特性进行试验,并对破碎泥岩在渗流过程中质量流失量、孔隙度、渗透率、非Darcy流β因子及加速度系数的时变规律进行了研究。研究表明:泥岩试样在渗流过程中渗流形式发生了巨大的变化。在渗流开始时,流失质量迅速增加,引起试样内部孔隙结构变化,孔隙度增加,试样的渗透性能增强,试样压得越密实,质量流失量越多,孔隙度变化越快,渗透性能越强。质量流失量与渗透性是相互影响的,由于试验中质量流失具有时变性特征,渗透性能也具有时变性。最后,陷落柱突水过程可以描述为,在其底部承压水压力作用下,大量细小颗粒随水流一起迁移流失,引起柱体内孔隙度变大,渗透性加强,导致渗流剧变,引发突水。     

煤矿陷落柱突水的变形-渗流-冲蚀耦合模型及应用

为揭示煤矿陷落柱突水机理并为其突水防治提供理论依据,基于双重孔隙介质渗流理论,将陷落柱视为由岩块骨架、流体、裂隙充填物3种介质构成,分别推导了其运动控制方程,给出了裂隙演化控制方程,建立了多场耦合的陷落柱突水变形-渗流-冲蚀力学模型。结合研究矿区地质条件,运用多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics将力学模型数值化,模拟研究了陷落柱内裂隙开度、颗粒体积浓度、涌水量等随时间的变化规律,数值再现了煤矿底板承压陷落柱突水发展的全过程。研究结果表明:(1)数值模拟得到的陷落柱涌水量曲线与实测数据吻合较好,验证了本文建立的陷落柱突水变形-渗流-冲蚀耦合模型的正确性。(2)在骨架变形-水渗流-充填物颗粒冲蚀迁移耦合作用下,陷落柱内充填物颗粒液化并迁移流失,部分裂隙不断扩展并贯通发展成为优势导水通道,导致陷落柱涌水量急剧增大并引发了突水事故。