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。     

五阳煤矿低透气性松软煤层瓦斯抽采参数优化数值模拟

煤层透气性低,煤质松软,抽采难度大,抽采率低是目前五阳煤矿瓦斯抽采存在的主要问题,根据煤与瓦斯的耦合作用机理及煤层瓦斯的运移规律,深入分析五阳煤矿现有瓦斯抽采系统,利用RFPA2D-Flow建立本煤层瓦斯预抽钻孔数值模型,对比分析回采巷道先抽后采过程中平行钻孔预抽时间、钻孔间距和抽采负压对瓦斯抽采效果的影响,最终确定其合理的抽采参数,提高瓦斯抽采率。     

低渗透性煤层卸压瓦斯抽采机理研究

针对高瓦斯、低渗透性松软煤层的赋存条件,通过相关力学理论研究,建立了煤层变形与瓦斯运移耦合的动力学模型,研究了当煤层变形时,瓦斯气体在孔隙内非Darcy渗流的特点,并引入了非Darcy流β因子和加速度系数2个参量,有效地揭示了煤层瓦斯运移规律的客观本质.根据卸压瓦斯渗流及运移特点,在淮南矿区顾桥矿实施了保护层卸压、地面钻井抽采卸压瓦斯的工程实践,初步建立了适合淮南矿区的卸压瓦斯抽采模式.     

近距离突出煤层群水力冲孔卸压瓦斯抽采及效果评价研究

为高效评价近距离突出煤层群水力冲孔卸压瓦斯抽采效果,基于弹性力学、渗流力学和Klinkenberg效应等理论,建立了包含煤岩变形、瓦斯运移、孔隙率和渗透率演化数学方程的低透气性含瓦斯煤气固耦合模型,采用COMSOL Multiphysics数值模拟软件模拟分析了近距离突出煤层群水力冲孔钻孔周围煤体瓦斯压力与孔径之间的时...     

顺层钻孔抽采过程流固耦合研究

为了准确地研究钻孔抽采瓦斯过程瓦斯压力,渗透率等参数变化规律和相互影响机理,结合煤层瓦斯流动和煤体变形理论,考虑钻孔抽采过程中渗透率和孔隙度动态变化,建立了含瓦斯煤体变形的耦合模型,并与非耦合模型进行对比分析。     

低透气性煤层瓦斯涌出规律研究及预抽效果分析

为了研究霍尔辛赫矿区煤层瓦斯涌出规律,采用自主研发的瓦斯流量监测设备对3308工作面后通风眼抽采钻孔的瓦斯涌出量进行监测,并运用COMSOL仿真软件模拟钻孔抽采条件下煤层瓦斯压力和瓦斯流速分布规律,对钻孔预抽方案进行了详细分析。结果表明,50 mm、110 mm钻孔瓦斯涌出规律具有一致性,均以指数函数形式衰减;随着与钻孔距离的增加,煤体瓦斯抽采率呈指数函数关系不断衰减,最终趋于零,在距离钻孔2.5 m处,瓦斯抽采率达到20%以上,印证了现场钻孔布置合理,抽采效果良好;如果将钻孔间距设置为4 m,煤层瓦斯预抽率将达到30%以上,可以很大程度提高低透气性煤层瓦斯抽采效果。     

瓦斯有效抽采半径影响因素的数值模拟研究

抽采半径测量不当会造成瓦斯事故的发生,因此准确计算有效抽采半径具有重要意义。为了研究相关因素对瓦斯有效抽采半径大小的影响,以瓦斯渗流理论为基础,根据达西定律和质量守恒定律,利用COMSOL Multiphysics数值模拟软件建立考虑煤岩变形控制方程的气固耦合数学模型。以阳泉矿区XY煤矿3~#煤层为例,通过提出压力差提高比的概念对比分析抽采负压和瓦斯压力的大小,并进一步通过数值模拟方法得出抽采负压、抽采时间和钻孔半径的大小对有效抽采半径的影响规律。结果表明,抽采负压对有效抽采半径的影响不大,有效抽采半径随着抽采时间和钻孔半径的增加而增大。     

煤层瓦斯多机制流固耦合模型与瓦斯抽采数值模拟分析

为了更好地揭示瓦斯抽采过程中松软低透气性煤层瓦斯运移的本质和规律,基于孔隙-裂隙双重介质的假设,建立了全面考虑有效应力、煤层瓦斯多机制流动、真实气体效应和迂曲度影响的煤层瓦斯多机制流固耦合模型。基于所建理论模型,以郑煤集团(河南)白坪煤业有限公司13181工作面为工程背景,利用COMSOL软件开展煤层瓦斯抽采数值模拟,全面分析了瓦斯压力随抽采时间的动态分布规律,结合现场实测结果验证了数值模拟有效抽采半径的准确性。系统开展了不考虑Klinkenberg效应、不考虑基质瓦斯扩散和不考虑煤层瓦斯多机制流动影响的瓦斯抽采数值模拟,对比分析了不同控制因素对煤层瓦斯运移的影响。研究结果表明：抽采结束后,煤层瓦斯压力以抽采钻孔为中心呈椭圆分布;煤层瓦斯压力和有效抽采半径的变化幅度随抽采时间逐渐减小,并趋于稳定;煤层瓦斯有效抽采半径的数值模拟结果与现场实测结果之间的平均误差为3.65%,验证了所建煤层瓦斯多机制流固耦合模型的有效性与合理性;与考虑煤层瓦斯多机制流动影响的模拟结果相比,不考虑Klinkenberg效应的有效抽采半径和渗透率偏小,而不考虑基质瓦斯扩散和瓦斯多机制流动的有效抽采半径和渗透率则...     

顺层钻孔抽采煤层瓦斯固气耦合模型的建立与应用

将煤体看作双重孔隙单渗透率的特殊多孔介质,考虑煤层变形引起的孔隙率及渗透率变化,瓦斯的渗流扩散及吸附瓦斯解吸过程,建立了煤层瓦斯抽采固气耦合数学物理模型。利用COMSOL软件,模拟研究了钻孔抽采过程中煤层瓦斯的运移规律。研究结果表明:煤层中某一位置的渗流速度变化曲线会随着其与钻孔距离的变化而变化,距离钻孔越远渗流速度达到最大值所用的时间越长,渗流速度最大值也越小。研究结果对治理煤层瓦斯具有重要意义。     

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。     

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。     

钻孔周围瓦斯压力分布及抽放参数研究

为了分析钻孔抽采瓦斯运移规律,理论分析了煤岩体瓦斯运移规律计算方程,依据此建立了钻孔抽采瓦斯模型,然后数值模拟了不同抽采时间下瓦斯压力分布、不同理论下钻孔瓦斯有效抽采半径以及不同抽放时间下煤层渗透率变化规律。研究为矿井瓦斯抽放提供了借鉴。     

顺层钻孔抽采瓦斯影响因素分析

为了研究影响顺层钻孔抽采瓦斯的因素,采用理论分析和数值模拟的方法,分析了煤体有效应力,建立了顺层钻孔抽采三维几何模型,数值模拟了不同抽采时间下顺层钻孔周围瓦斯含量分布情况、不同抽采负压下顺层钻孔周围煤体孔隙率变化规律以及不同钻孔直径下顺层钻孔周围瓦斯含量分布情况。研究为顺层钻孔抽采瓦斯的钻孔设计提供技术支持。     

钻孔预抽煤层瓦斯运移规律研究

为了研究钻孔预抽煤层瓦斯运移规律,首先采用分源预测法,对某煤矿工作面瓦斯进行预测,得出回采工作面瓦斯涌出以开采层瓦斯涌出为主。分析了瓦斯抽放可行性和未卸压瓦斯抽放难易程度,确定该矿煤层为可以抽采煤层。然后,采用Fluent数值模拟软件分析了不同抽采时间的抽采影响范围。研究得出:钻孔抽采负压对煤层抽采半径的影响不大;抽采时间和钻孔直径对煤层的抽采影响较明显。研究为煤矿瓦斯抽放钻孔参数设置提供了理论指导。     

基于坚硬煤层条件的顺层钻孔增透技术研究

为了解决低透气性坚硬煤层顺层钻孔抽采影响范围小、抽采效果差等问题,分析了坚硬煤层高压水射流破坏过程,采用数值模拟的方法研究了超高压水射流环形割缝卸压增透机制,研制了新型超高压水力割缝成套装置,并现场考察了坚硬煤层煤巷条带顺层钻孔超高压水力割缝应用效果。结果表明:采用超高压水力割缝后,坚硬煤层透气性提升约20倍,钻孔平均抽采瓦斯纯量提高2.0~2.5倍,抽采达标时间缩短67%以上,月掘进速度提高约50%,掘进期间无瓦斯异常现象,实现了坚硬煤层煤巷条带安全、快速掘进。     

复合储层层间窜流对瓦斯抽采的影响机制研究北大核心

为了考察复合储层中围岩特性对穿层钻孔瓦斯抽采的影响,分析了煤层和岩层内瓦斯的渗流规律,基于建立的复合储层和单一储层瓦斯抽采流固耦合模型,模拟研究了不同倾角的穿层钻孔对复合储层和单一储层的瓦斯抽采效果,以及多钻孔耦合下的穿层钻孔瓦斯抽采效果。结果表明:相同钻孔抽采不同储层的煤层瓦斯时,复合储层比单一储层抽采瓦斯的抽采影响半径和有效半径大,抽采效果更好;不同倾角的钻孔对复合储层的瓦斯抽采影响不同,瓦斯抽采影响范围随夹角的增大呈降低趋势,层间窜流的影响也随之呈减弱趋势;在多钻孔耦合抽采下,复合储层中下部煤层的瓦斯压力明显低于单一储层中相同位置的瓦斯压力。     

基于COMSOL钻孔有效抽采半径测定的数值模拟研究

为了准确测定霍尔辛赫煤矿3308工作面煤层钻孔有效抽采半径,合理布置钻孔间距,结合现场实测的煤层瓦斯压力和渗透率等参数,运用COMSOL-Multiphysics仿真软件对3308工作面钻孔的瓦斯涌出规律和有效抽采半径进行了模拟分析,并进行了现场实测验证。结果表明:有效抽采半径随着抽采时间的推进不断增大并最终趋于恒定值,整体呈正指数函数关系;瓦斯预抽率随着与钻孔距离的增加而不断减小并最终趋于恒定值,整体呈负指数函数关系;数值模拟和现场实测结果较为一致,钻孔有效抽采半径略大于1.5 m,现场每间隔3.0 m布置1个钻孔可大大提高煤层瓦斯抽采效果。     

块裂介质岩体变形与气体渗流的耦合数学模型及其应用

在详细论述岩体基质岩块与裂缝变形,气体渗流及相互作用物理机制的基础上,提出了块裂介质岩体变形与气体渗流的耦合数学模型及其数值解法,这是岩体介质固气耦合数学模型的重要发展,以含裂缝煤层瓦斯抽放为例,通过数值分析,揭示了含裂缝煤层瓦斯在基质岩块和裂缝中运移,传递和交换,伴随的岩体裂缝和基质岩块变形和应力分布,及其对瓦斯气体运移的相互作用影响规律。     

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。