软煤层瓦斯抽采半径和钻孔间距的数值模拟研究

为得出软煤层瓦斯抽采有效半径,确定最佳的抽采钻孔间距,基于质量守恒定律、Darcy扩散定律、Langmuir瓦斯吸附方程及Kozeny-Carman渗透率和孔隙率的关系方程,建立了考虑含瓦斯软煤体流变特性情况下的固流耦合控制方程。在此基础上采用数值模拟方法对软煤层瓦斯抽采过程进行分析。模拟结果表明:瓦斯抽采第32d时,抽采钻孔完全塌陷,因此确定钻孔有效抽采时间为32d;通过分析钻孔周围煤体瓦斯压力变化规律可得,单钻孔抽采有效半径为0.9m,多钻孔抽采时最佳布孔间距为3.4m。以合阳煤矿1508工作面为试验工作面,采用相对压力法分别对单钻孔和多钻孔瓦斯抽采效果进行考察试验,试验结果验证了数值模拟结论的可靠性,为该矿软煤层瓦斯抽采提供了科学依据。     

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。     

钻孔抽采过程中有效抽采半径变化规律数值模拟

根据煤层瓦斯流动方程、煤体变形方程以及孔隙率渗透率变化方程建立钻孔抽采耦合数学模型,通过COMSOL Multiphysics对原始瓦斯压力1.5 MPa和瓦斯压力下降到1 MPa钻孔抽采过程中瓦斯压力变化和渗透率变化规律进行模拟,利用模拟结果得到煤层在瓦斯抽采过程中钻孔有效抽采半径的变化规律。     

基于煤体各向异性的煤层瓦斯有效抽采区域研究

为了探究影响射流割缝钻孔周围有效抽采区域变化的因素,基于煤体的各向异性考虑了瓦斯抽采过程煤体应变场和瓦斯渗流场的耦合作用,探讨了不同垂直地应力、初始瓦斯压力以及初始渗透率等参数对射流割缝钻孔有效抽采区域的影响规律。结果表明:垂直地应力越大,煤体的渗透率越低,有效抽采区域逐渐减小;初始瓦斯压力越大,抽采相同时间后瓦斯压力越难降至0.74 MPa以下,有效抽采区域逐渐减小;初始渗透率越大,煤体裂隙瓦斯流动速度越快,导致在相同抽采负压下有效抽采区域逐渐增大。各向异性煤体的模拟结果与现场测试结果基本相符,证明了各向异性煤层垂直层理方向有效抽采半径是现场布孔的合理指标。     

马兰煤矿顺层抽采钻孔瓦斯渗流数值模拟

抽采时间、煤层渗透率和钻孔孔径是影响顺层抽采钻孔周围瓦斯渗流分布的主要因素。为此,应用流体力学软件Fluent模拟抽采钻孔周围瓦斯渗流分布情况,研究抽采过程中煤体瓦斯的渗流规律。通过改变模型参数及边界条件得出不同因素对抽采钻孔周围瓦斯渗流的影响规律,为抽采有效半径的测定提供理论指导。     

煤层钻孔瓦斯抽采有效半径影响因素分析

为了揭示不同因素对煤层钻孔瓦斯抽采有效半径的影响,更准确地预测煤层瓦斯抽采有效半径,提高瓦斯抽采率,基于瓦斯在煤层中的运移、渗流与Klinkenberg效应等理论,构建了瓦斯抽采数学模型;采用COMSOL软件模拟了初始瓦斯压力、渗透率、抽采负压、孔径和抽采周期等5个因素对煤层瓦斯抽采有效半径的影响.结果表明:煤层瓦斯抽...     

艾维尔沟矿区抽采半径影响因素及其影响程度分析

为了掌握艾维尔沟矿区突出煤层瓦斯抽采半径的影响因素及其影响程度,采用Fluent14.0对抽采钻孔周围瓦斯流动的压力场和速度场进行数值模拟研究,并分析了钻孔直径、抽采负压及煤层渗透率对抽采半径的影响及影响程度。结果表明,钻孔周围煤体中瓦斯压力分布从钻孔中心向外增大,瓦斯流动速度分布从钻孔中心向外减小;钻孔直径、抽采负压和煤层渗透率对抽采半径具有影响,影响程度从大到小依次为煤层渗透率、钻孔直径、抽采负压。     

顺层钻孔瓦斯抽采半径及布孔间距研究

为合理确定本煤层瓦斯抽采钻孔的布孔间距,通过煤层瓦斯渗流场控制方程、煤体孔隙率和渗透率耦合方程及煤层变形场控制方程,建立了钻孔抽采条件下瓦斯渗流固气耦合数学模型;采用数值模拟计算方法,得出顺层瓦斯抽采钻孔的抽采半径,并推导出瓦斯抽采钻孔布孔间距与单钻孔抽采半径的关系式。以黄岩汇矿15107工作面为应用实例,通过在该工作面进行单钻孔和多钻孔瓦斯抽采试验,求算并验证了抽采半径及布孔间距与抽采半径关系式的正确性,为现场瓦斯抽采提供科学依据。     

基于各向异性单孔瓦斯抽采数值模拟研究

针对煤层的各向异性单孔瓦斯抽采进行数值模拟研究,结果表明:沿钻孔的半径方向,瓦斯压力逐渐增高;对于各向异性煤层进行瓦斯抽采时,钻孔周围的瓦斯压力等值线为椭圆,椭圆的长轴为渗透率较大的方向,椭圆的短轴为渗透率较小的方向;瓦斯抽采影响半径与时间满足幂指数的函数关系,渗透率对瓦斯的抽采有效影响半径较大。研究结果为合理布置煤层瓦斯抽采钻孔提供理论支撑。     

考虑煤渗透性变化的抽采渗流耦合模型研究及应用

为揭示煤岩变形对煤层瓦斯抽采渗流特性的影响,开展了煤层瓦斯抽采气固耦合问题研究。首先,考虑煤吸附解吸变形、孔隙压力及渗透性变化对瓦斯抽采的影响|然后,根据达西定律,建立以有效应力及吸附应变为耦合媒介的煤层瓦斯渗流和煤岩变形气固耦合方程|最后,以沙曲矿24208工作面为工程背景进行抽采煤层位移、吸附应变和瓦斯渗流数值模拟,并对比分析煤层瓦斯压力、煤层渗透率和瓦斯抽采量的耦合效应。结果表明：抽采后钻孔周围煤体位移呈增大趋势,煤体因瓦斯解吸收缩变形,距抽采孔越近应变量越大|抽采初期煤层瓦斯压降梯度大|煤层渗透率随抽采时间呈增大趋势,距孔越近增幅越大|初期钻孔瓦斯抽采量较大但降幅较快,后趋于稳定,对比发现模型抽采量计算结果与实际抽采数据较为一致。     

结构异性煤层顺层钻孔方位对有效抽采半径的影响

为了提高煤层顺层钻孔瓦斯抽采效率,有效抽采半径的确定是关键。基于各向异性煤层瓦斯渗透率测试结果,建立了煤层瓦斯各向渗透异性的气-固耦合渗流模型,数值模拟了不同钻孔方位时瓦斯抽采有效半径的时变规律,分析了钻孔方位对抽采效果的影响。研究结果表明：煤层面割理和端割理方向渗透率均大于垂直层理方向渗透率;钻孔有效抽采半径随抽采时间增加呈幂指数增大;煤层有效抽采区域是以抽采钻孔为中心,最大抽采距离(平行层理方向)为长轴,最小抽采距离(垂直层理方向)为短轴的椭圆。平行层理沿端割理方向抽采孔的瓦斯抽采效果优于平行层理沿面割理方向的抽采孔。     

基于动态流固耦合模型的瓦斯抽采半径及孔间距研究

为了确定瓦斯抽采半径和钻孔布置间距,基于上覆岩层压力、地应力、煤层瓦斯压力的分布情况,同时考虑煤体剪胀性对于煤体孔隙率、渗透率动态变化方程的影响,建立了关于钻孔瓦斯抽采的渗流动态流固耦合模型。基于所得渗流流固耦合模型,将其嵌入到Comsol Multiphysics进行模拟计算,同时利用11528工作面进行的单孔和多孔的瓦斯抽采试验进行现场验证。研究结果表明:沿直线布置的抽采钻孔的瓦斯压力变化主要沿着该直线降低,沿着三角形顶点布置的钻孔瓦斯压力降低范围充满整个半圆面;单孔瓦斯抽采半径为2.05 m,双孔抽采和布置在一条直线多孔抽采布控间距为单孔抽采半径的1.8倍;布置在三角形顶点的多孔抽采布控间距为单孔抽采半径的1.6倍。     

顺层水力导向压裂增透技术在低透气性松软煤层的应用研究

针对低渗高瓦斯松软煤层面临的瓦斯抽采率低的难题,提出运用顺层钻孔水力导向压裂增透技术改造煤层原始瓦斯赋存状态以提高瓦斯抽采率。理论分析了煤层水力压裂增透机理,并推导得出了距离水力压裂钻孔R处的煤体渗透率方程,分析发现压裂钻孔周围煤体渗透变化规律以及渗透率与压裂时间的关系。数值模拟研究得出常规顺层钻孔水力压裂增透半径为3 m,而运用水力割缝后进行导向水力压裂增透半径达到了6 m。现场试验表明,运用水力导向压裂增透技术能够有效提高低渗高瓦斯松软煤层的渗透性,从而提高本煤层瓦斯抽采效果。     

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。     

基于多物理场耦合的瓦斯抽放半径确定方法

为了确定合理的瓦斯抽放半径,建立了考虑煤的流变特性、渗透率动态变化和吸附特征的渗流-应力耦合模型,对比分析了软硬煤层钻孔孔径变化规律,研究了抽放过程渗透率的动态演化规律,确定了软硬煤层的有效抽放半径,找出了瓦斯抽放半径的影响因素。研究结果表明：由于含瓦斯煤的流变特性,软硬煤层钻孔均会随时间发生缩孔现象,软煤层钻孔在短时间内就可能被堵塞,硬煤层钻孔直径虽有缩小但仍处于稳定状态,并不堵塞瓦斯抽放通道,在确定抽放半径时,应首先分析钻孔的孔径变化规律以确定有效抽放时间;瓦斯抽放过程煤的渗透率会随时间逐渐增大;煤体硬度、埋藏深度、初始瓦斯压力、初始渗透率和钻孔孔径等是影响瓦斯抽放半径的主要因素。     

注气驱替煤层甲烷的有效影响半径研究

为了确定井下煤层注气有效影响半径,以煤层瓦斯渗流理论、瓦斯扩散理论、多元气体竞争吸附、能量守恒以及理想气体状态方程为基础,以钻孔周围煤体瓦斯流动场为研究对象,建立了井下注气驱替煤层甲烷的数学模型,并以石港煤矿的实测参数为计算依据,利用Comsol软件对抽采钻孔在不同注气时间、不同注气压力下瓦斯流动进行了数值模拟,发现注气有效影响半径随注气时间和注气压力的增大而增大,为现场注气提供依据。     

蠕变-渗流耦合作用下不同埋深有效抽采半径研究

为了研究不同埋深有效抽采半径,建立了钻孔周围煤体黏弹塑性模型,研究了不同埋深钻孔孔径变化规律及有效抽采时间,建立了蠕变-渗流耦合作用下的瓦斯运移模型,确定了不同埋深钻孔的有效抽采半径。研究结果表明:深部煤层有效抽采半径受到煤体蠕变变形加剧、渗透率降低及瓦斯压力升高的综合作用;试验矿井埋深400及600 m煤体蠕变变形较为平缓,钻孔缩孔幅度有限,仍维持较好的抽采通道,所有抽采时间均为有效抽采时间,但是埋深800 m煤体蠕变变形愈加剧烈,钻孔缩孔速度快速增加,仅30 d就会堵塞抽采通道,其有效抽采时间仅为30 d;埋深400,600和800 m钻孔3个月的有效抽采半径分别为2.88,1.62和0.82 m,数值计算结果与现场实测相吻合,研究成果可为抽采钻孔的优化布置提供参考。     

时空效应下水力冲孔有效影响半径研究

为提高煤体渗透率和瓦斯抽采效率，合理确定布孔参数的问题，采用数值模拟、现场试验的方法对水力冲孔有效影响半径进行分析，考察冲煤量、冲煤时间对有效影响半径的影响。研究结果表明：冲煤量越多，渗透率明显提高，其有效影响半径也逐渐增加，冲煤量0.8 t/m时为最优冲煤量，由压力分布曲线可知，在半径2 m范围内，瓦斯压力变化幅度大，随着影响半径的增加，瓦斯压力逐渐增加并趋近于原始煤层瓦斯压力，抽采90 d后其有效影响半径达8 m，研究结果可为煤层瓦斯抽采钻孔布置提供重要参考。     

考虑时效影响的深部煤层瓦斯运移特性

为了考虑长期抽采过程中时间效应对煤体渗透率的影响,结合平均有效应力建立了时间效应和气体解吸效应耦合作用下的深部煤体孔隙率及渗透率演化模型。运用COMSOL Multiphysics对钻孔周围瓦斯运移过程进行了定量计算,结合现场数据对是否考虑时间效应的瓦斯渗流场变化规律进行了对比分析,并对长期抽采过程中深部煤层瓦斯运移规律进行了模拟分析。结果表明:煤层渗透率随瓦斯压力的下降呈指数型上升趋势;考虑时间效应的孔隙率、渗透率模拟结果明显小于未考虑时间效应模型的结果,且随着抽采时间的增长,蠕变本构中的黏弹性元件使得煤体更为致密,深部煤层的时间效应越发明显,考虑时间效应的孔隙率、渗透率模拟结果与未考虑时间效应的结果差值逐渐增大;考虑时间效应的模拟结果与现场数据匹配度较高,更符合深部煤层孔隙率和渗透率的实际演化特征。在同一抽采时刻,随着距钻孔中心距离的减小,渗透率呈现升高的趋势,压力呈现降低的趋势,当模拟抽采时间为1 d时,临近钻孔中心处渗透率较大、瓦斯压力较小;在不同抽采时刻,当抽采时间逐渐增长时,相同位置处的渗透率逐渐增大,瓦斯压力逐渐减小,当抽采时间由1 d增至30 d时,临近钻孔中心处的渗透率增长近1. 4倍,瓦斯压力降低近3. 8倍,且模型内渗透率与瓦斯压力的演化趋于平衡状态。     

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。