不同侧压力系数下瓦斯抽采孔最佳布孔间距数值模拟

为探究不同侧压力系数下瓦斯抽采孔的最佳布孔间距,采用数值模拟的方式,建立基于塑性破坏的流固耦合模型,模拟钻孔周围的塑性区分布以及塑性区连接状态.研究结果表明：瓦斯单孔抽采时,抽采钻孔形成的塑性区半径随侧压力系数呈类指数增长,塑性区半径越大,裂隙分布更广,利于瓦斯流通;多孔抽采时,瓦斯流场范围与侧压力系数呈正相关,抽采时间与侧压力系数呈负相关;由于多孔抽采存在叠加效应,布孔间距大于单孔抽采的塑性区半径的2倍;采用数值软件模拟侧压力系数为2.48时的最佳布孔间距为3.4 m,与嘉禾煤矿2365工作面的实际布孔间距一致.模拟结果具有一定的参考价值,在实际工程中可将瓦斯抽采钻孔布置在侧压力系数高的区域,或者人为增加偏应力以便于瓦斯抽采.     

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。     

常村煤矿顺层瓦斯抽采钻孔抽采半径确定

瓦斯抽采是保证矿井安全生产的重要手段,瓦斯抽采钻孔间距过小则会导致矿井钻孔工程量过大,增加不必要的投入;钻孔间距过大又会产生抽采空白区,给矿井安全生产带来隐患。基于此,采用Comsol软件对常村煤矿顺层瓦斯抽采钻孔的抽采半径进行模拟分析,单孔布置时120 d内的有效抽采半径为1. 83 m,多孔布置时4. 5 m的钻孔间距能满足抽采需要。     

基于流固耦合模型的穿层钻孔瓦斯抽采模拟研究

为研究钻孔瓦斯抽采渗流规律,为钻孔合理布置提供依据,提出了考虑气-水两相流的瓦斯抽采流固耦合模型。在多孔介质的有效应力原理基础上,考虑瓦斯吸附/解吸产生的应力,推导出煤体应力-应变本构关系;分析水和瓦斯运移的气-水两相流过程,以相对渗透率为桥梁,给出水渗流方程和考虑Klinkenberg效应的瓦斯渗流方程;构建作为耦合项的煤层孔隙率和渗透率动态演化方程,结合成庄矿4321工作面进行数值模拟。结果表明:成庄矿4321底抽巷穿层钻孔瓦斯抽采预抽期定为90 d是合理的,抽采过程中瓦斯渗流速度具有阶段性,增大抽采负压对抽采效果影响不明显;穿层钻孔布置方式为终孔间距9 m,钻场间距9 m。工程实践表明,测得的煤层瓦斯压力变化情况与数值模拟结果基本吻合,抽采后煤层瓦斯含量为6.46~7.67 m~3/t,43212巷瓦斯浓度降低了37%,抽采效果良好。     

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。     

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。     

顺层钻孔瓦斯抽采半径的关键影响因素数值模拟研究

为考察顺层钻孔设计参数的差异对瓦斯抽采半径的影响,采用COMSOL数值模拟研究瓦斯抽采半径在不同钻孔布置方式和设计参数下的影响规律。研究发现,消突区域随着抽采钻孔间距的增大而增大,不同钻孔间隔下的布置方式对抽采效果有较大影响。另外,消突区域直径随着钻孔直径的增大也逐渐增大,相比单个顺层钻孔,钻孔耦合时,钻孔直径的变化对瓦斯抽采效果影响不大,因此在顺层多孔耦合的条件下,通过增大钻孔直径的方法来扩大消突区域是不可行的。随着抽采时间的延长,顺层、多孔耦合钻孔的消突区域逐渐增大,其消突区域有一个阈值,一段时间后,再继续抽采瓦斯已经没有效果。随着抽采负压的增大,钻孔抽采影响半径有小范围增大,但增大的幅度远远小于抽采负压的增大幅度,直到稳定在某个定值上。随着抽采时间的增加,顺层钻孔单孔的抽采瓦斯流量逐渐降低,且降低的幅度逐渐减弱,最终逐渐靠近于某一个定值。单孔瓦斯流量与抽采时间之间呈现指数关系,并对此结论进行现场验证,研究结果对煤矿顺层瓦斯抽采钻孔设计具有一定指导意义。     

某矿相邻钻孔预抽瓦斯耦合效应数值模拟分析

为分析瓦斯抽放钻孔布置方式对瓦斯的耦合效应,以某矿3#煤层为例,结合Comsol Multiphysics软件对单孔抽采影响半径、相邻钻孔耦合抽采影响半径进行了数值解算,根据钻孔内瓦斯压力随抽采时间的变化规律,确定了瓦斯钻孔抽采影响半径,可为确定合理的瓦斯抽放钻孔参数提供参考。     

采动条件下瓦斯抽采钻孔有效范围及瓦斯运移规律

为了确保矿井的安全抽采,分析了采动条件下瓦斯抽采钻孔有效范围及瓦斯运移规律,理论研究了含瓦斯煤体的有效应力控制方程及煤层瓦斯扩散控制方程,基于此,建立了COMSOL Multiphysics数值模型,分析了距离钻孔不同位置处煤层瓦斯压力分布、不同开采条件下单孔瓦斯抽采瓦斯压力分布以及不同钻孔布置瓦斯压力分布。研究为矿井抽采钻孔参数设计提供了借鉴。     

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。     

煤矿顺层钻孔瓦斯抽采合理布孔间距研究

为确定顺层钻孔瓦斯抽采合理布孔间距,基于实际煤层赋存条件,采用压降法对钻孔抽采半径进行试验研究。通过Comsol Multiphysics数值模拟软件建立三维抽采钻孔模型,根据单孔模拟结果,得到了钻孔的抽采有效半径r、抽采影响半径R的变化规律,与压降法实测结果高度吻合,验证了三维模型的可靠性。通过分析钻孔周围瓦斯流态及抽采叠加效应的作用机理,模拟研究不同布孔间距下的瓦斯抽采效果,得到顺层瓦斯抽采合理的布孔间距为:2r≤L≤R。在实际瓦斯抽采工作中可根据矿井采掘计划,确定合理的布孔间距,在降低抽采成本的同时确保矿井安全生产。     

水力大直径分级造穴卸压效果数值模拟研究

为了提高低透气性煤层瓦斯抽采效果,利用水力大直径分级造穴技术,研究低透气性煤层卸压增透效果。通过对煤体受力平衡方程、瓦斯渗流方程以及耦合方程,分析了煤体中的瓦斯吸附、解吸、渗流过程以及同应力之间的耦合关系。利用COMSOL Multiphysics软件,构建了零透气性边界的抽采、造穴三维计算模型,研究了不同抽采时间和不同造穴半径(0.3 m、0.6 m、0.9 m)条件下的卸压抽采效果。研究结果表明,煤层造穴后随着瓦斯不断抽采,钻孔周围瓦斯压力随之下降,随着抽采时间逐渐增加,瓦斯压力降低区逐渐扩大,卸压范围不断增大。半径0.9 m的造穴孔腔模型瓦斯压力下降速度更为明显,能在更短时间内对煤层进行卸压增透,实现煤层消突。     

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。     

考虑煤层含水率的穿层钻孔布置参数优化研究

针对于含水率较大煤层的瓦斯钻孔抽采半径受含水率影响较大的问题,借助含水率与煤体渗透率的动态关系,结合误差对比分析,对瓦斯压力值进行参数拟合,得出了适用于水-瓦斯-煤三相耦合的Klinkenberg效应方程及煤体孔隙率-含水率关系的方程。在上述模型基础下,结合现场实际条件,模拟了穿层钻孔最佳的抽采半径,并在现场运用,钻孔间距10 m时瓦斯抽出在73.2%左右,抽采效果良好。     

瓦斯抽采钻孔周围煤体中瓦斯流动的探讨

为了给矿井瓦斯抽采钻孔的合理布置提供依据,分析抽采钻孔附近煤体中瓦斯的流动,将煤体视为仅有裂隙的介质,在仅考虑瓦斯的渗流的条件下进行研究。为了方便对钻孔周围煤体中瓦斯流动进行数值分析,基于一定假设建立了煤体裂隙的等效面积模型,运用流体力学和高等数学的知识建立了微元体内的瓦斯流速的方程,进一步计算出了钻孔周围煤体半径为,钻孔长为的范围内的瓦斯流量。得出了瓦斯流量和煤层渗透率之间的关系式,为矿井瓦斯抽采提供一定的参考。     

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。     

低渗煤层瓦斯抽采顺层钻孔水力造穴卸压增透效果研究

为了揭示水力造穴参数对钻孔瓦斯抽采效果的影响规律,指导煤层水力造穴增透技术施工参数的合理选择。建立了煤层损伤-应力-渗流耦合模型,分析了不同造穴参数下煤层卸压增透效果,展开了顺层钻孔水力造穴现场工程试验,考察了不同造穴参数下钻孔瓦斯抽采效果,结果表明：采用水力造穴技术形成的孔穴能够有效降低其周围煤体应力,提高煤层渗透率,增加瓦斯钻孔抽采效果;造穴半径越大煤层的卸压程度越大,进而煤层渗透率增幅就越大,但在实际工程中过大的造穴半径会使得孔穴稳定性差,钻孔塌孔堵塞瓦斯涌出通道会使得钻孔瓦斯抽采量有所降低,试验矿井最优造穴半径为0.6 m;造穴间距对它们之间的应力降低区范围有着较大的影响,在一定距离条件下孔穴卸压有着明显的叠加效应,造穴间距越近叠加效应越明显,煤层应力越小,卸压增透效果越好。试验钻孔穴间距由8 m减小到6 m时,单孔平均瓦斯抽采纯量增加389.16%。     

突出煤层瓦斯抽采钻孔有效半径与孔壁变形关系研究

为了能够更加准确、合理地确定钻孔有效抽采半径,以钻孔孔壁内煤体的渗透率为主要研究对象,结合孔壁煤体应力场弹塑性分析及渗流场分析结果,构建了综合考虑有效应力变化、煤基质解吸收缩效应的渗透率动态模型。在此基础上运用多孔介质渗流的基本理论,修正了抽采钻孔的瓦斯渗流微分方程,并以沙曲矿4号煤层为例,运用Comsol Multiphysics软件进行数值模拟,得到了煤层渗透率和瓦斯压力的分布规律,并根据防突规定,以瓦斯压力0.74MPa为临界值,确定了模拟条件下180d时钻孔有效抽采半径为1.65m,该结果可为实际生产提供理论参考。     

基于固气耦合模型顺层孔抽采半径及孔间距研究

为了研究马兰矿瓦斯抽采钻孔合理的孔间距,基于太沙基有效应力和弹性力学的基本原理,建立了10505工作面瓦斯抽采的固气耦合模型,通过数值模拟软件分析了单一钻孔的抽采情况并进一步确定了有效抽采半径为1.52 m,根据采掘接替的要求,分析了预抽期为180天时孔间距分别为2.6 m和3 m时孔周的瓦斯压力分布情况。研究表明:马兰矿10505工作面顺层钻孔合理的孔间距应为2倍的有效抽采半径,即3 m.     

李雅庄矿本煤层瓦斯预抽钻孔布置参数研究

本煤层瓦斯预抽钻孔参数设置对于矿井预抽期内实现瓦斯抽采达标至关重要,以现场实测法和数值模拟法确定封孔深度和钻孔布置间距2个指标:一方面通过实测钻屑量和钻屑瓦斯解析指标Δh2结合钻孔围岩裂隙场模拟确定封孔深度;另一方面通过模拟不同抽采时间下实现瓦斯抽采目标压力的抽采半径确定合理钻孔间距。通过开展这2项参数的研究,在提高钻孔利用率的同时大幅度提高了瓦斯单孔抽采效果,对类似矿井借鉴意义重大。