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。     

顺层钻孔瓦斯抽采流固耦合模型及数值模拟应用研究

基于构建的顺层钻孔瓦斯抽采流固耦合模型,利用COMSOL模拟软件,结合某矿3901工作面的实际情况,开展本煤层顺层钻孔不同瓦斯抽采时间、钻孔间距的数值模拟研究。结果表明,有效抽采半径随着抽采时间的增加先快速增加后逐渐变缓,有效抽采半径与抽采时间呈对数函数关系,当抽采时间超过180 d时,抽采时间对有效抽采半径的影响较小,考虑采掘接续确定该工作面合理的抽采时间为180 d;抽采钻孔间距对煤层瓦斯压力的下降和抽采效果影响显著,布孔间距越小钻孔之间瓦斯压力下降幅度越明显,为了有效避免了“空白带”和抽采的无效叠加,结合3901工作面的实际情况,确定瓦斯抽采180 d后最合理的钻孔间距为6 m。     

基于流固耦合模型瓦斯抽采钻孔参数优化研究

确定合理的顺层钻孔参数是提高煤矿瓦斯抽采效率的重要手段。考虑了瓦斯抽采过程中煤体变形产生的基质收缩以及瓦斯压力变化,借助COMSOL模拟软件,以瓦斯压力小于0.74 MPa的抽采区域为有效抽采半径区域,分析了不同钻孔间距下双孔及三孔瓦斯抽采效果,并在9306巷道进行瓦斯抽采试验。结果表明：双孔布置下瓦斯抽采效果随钻孔间距增加呈现出两个阶段,钻孔间距小于3 m,抽采时间较短时抽采效率高但后期下降较快,间距大于3 m,抽采效果均低于钻孔间距d=3 m的抽采效果,三孔布置下钻孔间距d=3.5 m时抽采效果最佳。此外,制定了每个钻孔有效抽采区域面积量,通过比较得出了三孔布置且间距d=3.5 m时瓦斯抽采效果最好,在9306巷道进行了瓦斯抽采试验,试验结果与模拟值相差约2.8%,证明该模型在试验矿井具有良好的适用性,可为钻孔的设计和优化提供一定的理论依据。     

司马煤矿3号煤层瓦斯抽采半径优化与实践

司马煤矿井下瓦斯抽采缺乏理论以及实践支持，导致矿井3号煤层的瓦斯抽采效果时常达不到预期。因此，文章利用了COMSOL Multiphysics数值模拟软件对3号煤层瓦斯抽采半径进行了模拟优化，并利用瓦斯压力降低法，在1208运巷进行了工程验证，最终得到该3号煤层的最佳瓦斯抽采天数为60～80 d,同时选择抽采半径为2～3 m时较为合适。综合考虑抽采成本和抽采标准要求，最终确定抽采时间为60 d,钻孔间距为4～5 m, 1208工作面的煤层瓦斯压力可以降至原始压力的60%以下。     

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。     

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。     

基于不同孔间距数值模拟的钻孔瓦斯抽采有效半径确定方法

为了测算本煤层顺层钻孔抽采有效半径,通过在实验室数值模拟和现场测试不同孔间距时瓦斯抽采效果,得出钻孔压力、瓦斯浓度与抽采有效半径之间的关系。实验表明:煤层透气性系数和抽采时间是决定抽采半径的主要因素;抽采负压与抽采时间协调一致非常重要;平煤八矿15#本煤层顺层钻孔最大孔间距为3~4 m。     

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。     

基于压降法确定本煤层钻孔有效抽采半径

本煤层瓦斯抽采中钻孔抽采半径是确定瓦斯抽采效果好坏的重要数据,为了测定七一新发煤业现行抽采条件下本煤层抽采钻孔的有效影响半径,在不同钻孔间距条件下采用压降法,根据瓦斯压力变化测定了抽采钻孔有效抽采半径。确定了七一新发煤业采用孔径94 mm的钻孔进行本煤层瓦斯抽采20 d时,有效影响半径为1.5 m,这与以往测试结果相符,这对该矿的瓦斯抽采及防治工作具有重要意义。     

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。     

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“一抽一测”压降法的钻孔有效抽采半径测定

为解决本煤层准确测定瓦斯抽采有效半径问题,对传统压降法钻孔布置方式进行了改进,提出了"一抽一测"的钻孔布置方法。在同一水平高度,分组布置间距不等的抽采孔与测压孔,通过观察测压孔压力变化情况,结合压降曲线确定瓦斯抽采有效半径。现场试验结果表明:随着抽采时间延长,钻孔瓦斯抽采有效半径逐渐增大,抽采12 d时有效半径为1.5 m,20 d时达到2 m,60 d时,有效半径可达3.5 m,抽采90 d时,接近4 m,此后抽采影响范围不再扩大。     

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。     

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。     

低渗透性煤层预抽瓦斯钻孔时效特性研究

抽采钻孔有效影响半径是指在规定的时间内钻孔抽采瓦斯的有效影响范围,是进行抽采方法选择、确定钻孔布置参数以及评价抽采效果的重要依据,其大小与煤层透气性、瓦斯压力、抽采负压及抽采时间等因素有关。采用钻孔瓦斯压力变化指标测定钻孔抽采有效影响半径是一种简单有效的测定方法,通过在长平煤矿低渗透性3#煤层试验得出:施工孔径125 mm的钻孔,在抽采28 d后抽采有效影响半径为2.50 m,与数值模拟结果相近。     

白坪矿煤层瓦斯钻孔有效抽采半径研究

煤层瓦斯钻孔有效抽采半径的确定对于选择合理的布孔间距和预抽煤层瓦斯具有重要意义,采用相对瓦斯压力指标法对白坪矿二1煤层钻孔的有效抽采半径进行了研究。结果表明:相对瓦斯压力指标法测定煤层瓦斯有效抽采半径是一种有效的方法,并依此确定了白坪矿采用孔径为94 mm、抽采时间3个月时,其有效抽采半径为1.41 m,为抽采钻孔的设计提供了科学依据。     

基于COMOSOL的顺层钻孔有效抽采半径的数值模拟

为了能够准确地确定顺层瓦斯抽采钻孔的有效抽采半径,以煤层瓦斯赋存及瓦斯流动理论为基础,根据达西定律和质量守恒定律,以钻孔周围煤体瓦斯流动场为研究对象,建立了顺层瓦斯抽采钻孔的瓦斯流动方程,并以沁新煤矿为例,利用COMOSOL软件对抽采钻孔在不同的抽采负压和抽采时间下的瓦斯流动方程进行了数值模拟,确定出了合理的抽采负压、抽采时间及有效抽采半径。     

基于抽采评判指标的有效抽采半径确定方法

为合理确定顺层瓦斯钻孔有效抽采半径,依据煤层瓦斯流动达西定律、菲克扩散定律和质量守恒定律,建立了钻孔周围煤体瓦斯流动方程,分析了不同评判指标下有效抽采半径确定方法,并基于景福煤矿瓦斯衰减系数测算值采用抽采率指标法进行了有效抽采半径的计算,结果表明:有效抽采半径随时间增加而增大,逐渐趋于极限有效抽采半径1.4m;抽采时间为86d时,有效抽采半径增大速度减缓,抽采半径达1.33m,为极限半径的95%。     

高瓦斯厚煤层顺层钻孔有效抽采区及参数优化研究

为研究顺层抽采时不同参数对高瓦斯煤层抽采效果的影响,以Fick扩散、Darcy定律、理想气体状态方程和Langmuir方程为基础,结合煤体的裂隙-孔隙双重孔隙介质结构、瓦斯和水的运移特性,建立了瓦斯-水的气水两相流的流-固耦合数学模型;利用COMSOL Multiphysics软件对漳村煤矿3#煤层顺层抽采进行数值模拟研究。结果表明：在一定范围内钻孔直径越大,抽采效率越高;抽采负压变化对瓦斯有效抽采区域和瓦斯压力变化的影响非常微弱,对抽采效率的提升不大;减小钻孔间距可以有效提高抽采效率,但并不是钻孔间距越小越好;在抽采初期,各钻孔的有效抽采区域处于相互独立状态,随着抽采进程,各钻孔有效抽采区域逐渐增大并与相邻钻孔的有效抽采区域汇合叠加,形成整体有效抽采区域;当要求抽采100 d内达标时,漳村煤矿3#煤层单排布孔最佳方案为钻孔直径94 mm、抽采负压20 kPa、钻孔间距3 m。     

基于COMSOL Multiphysics模拟的瓦斯抽采钻孔合理间距研究

为考察坪上煤业主采3号煤层的合理抽采钻孔间距,利用瓦斯在煤层中的运移和渗流规律,结合实测煤的参数条件,在相同的抽放负压、抽放时间等影响条件下,运用COMSOL Multiphysics有限元软件模拟了不同钻孔间距时所抽煤层在抽采时间为400 d时钻孔影响范围内煤体瓦斯含量变化规律,得出了满足抽采时间条件下的合理钻孔间距为5 m。结合矿井2305（上）回采面巷道内开展了不同钻孔间距实测,在相同的瓦斯地质参数及抽采系统条件下,连续抽采且观测时间达到400 d时各钻孔的瓦斯抽采纯量和钻孔浓度变化。确定了在抽采时间达到400 d时,抽采钻孔间距为5 m时的钻孔瓦斯浓度为35%、流量为0.04 m3/min,受抽采系统影响明显;而间距在6 m的钻孔的流量和浓度仍保持自然衰减特征。模拟和现场实测均验证了该矿瓦斯抽采钻孔间距布置以5 m最佳,该研究为实际生产过程中确定合理的钻孔间距提供理论依据,为矿井瓦斯抽采布局及瓦斯治理提供了技术保障。