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。     

含水煤层瓦斯抽采的气-液-固耦合数值模拟

为解决含水煤层条件下瓦斯不易解析、煤层渗透率低而造成的瓦斯抽采困难的难题,基于煤层的孔隙-裂隙双重介质模型结构,分别建立了煤层的孔隙渗透率和裂隙渗透率动态变化模型,得到了含水煤层瓦斯抽采的气-液-固多相耦合方程组,并通过数值模拟研究了在水平应力、煤质硬度和煤层含水等因素影响下的瓦斯抽采效果。研究结果表明:水平地应力越大时,煤体中裂隙的张开度较小,瓦斯抽采量就降低;煤层残余水分越多,渗透性越差,瓦斯抽采量越小。该模型可用于分析瓦斯抽采过程中的影响因素分析,也可用于煤层瓦斯抽采量的预测与预计。     

卸压增透下底板定向拦截钻孔瓦斯抽采模拟研究

杜儿坪矿68311工作面在回采时下邻近层瓦斯涌入量较多,为此采用在底板打定向拦截钻孔并进行瓦斯抽采的方法。为体现工作面回采对底板造成的卸压增透以及合理设计瓦斯抽采参数,首先使用FLAC^3D模拟工作面回采不同距离下的底板有效应力变化,将其转换为渗透率变化并导入至COMSOL中,再通过建立流-固耦合数学模型完成不同抽采参数下的瓦斯抽采模拟。研究结果表明：工作面回采距离越大,卸压增透效果越好;钻孔层位由6 m降低至2 m,瓦斯抽采有效半径提高15.10%;钻孔直径由φ60 mm增加至φ120 mm,瓦斯抽采有效半径增加15.03%。     

基于流-固-热耦合的深部煤层气抽采数值模拟

为了提高深部煤储层产气规律预测准确性、减小气井设计误差,分析了深部煤储层特征参数随埋深的变化规律,针对目前煤层气研究忽略了温度、地下水等因素问题,基于已建立的深部煤层气抽采流-固-热耦合模型,进行深部煤层气抽采数值模拟,分析不同地应力、初始渗透率、储层压力和温度等深部特征参数以及不同埋深条件下煤层气抽采的储层参数和产气演化规律。结果表明:渗透率变化为地应力增加、温度降低和煤层气解吸引起的煤基质收缩效应与储层压力降低引起的煤基质膨胀效应的综合竞争结果;随着煤层气和水被采出,储层温度降低和煤层气解吸占主导,储层渗透率升高;地应力对深部储层渗透率比例的变化起着主要作用,初始渗透率对产气速率起着控制作用;当煤层埋深小于临界埋深时,产气量随埋深逐渐增加,达到临界埋深后,产气量随埋深逐渐降低;低渗透率是制约埋深超千米的气井高产的关键。     

区域瓦斯抽采空白带耦合模拟研究

贵州某突出矿井11034工作面采取了预抽煤层瓦斯区域防突措施,钻孔抽采负压随着钻孔深度的增加而衰减导致措施区域内出现预抽空白带,为确定空白带的区域范围,建立了煤层流-固耦合模拟方程,运用软件COMSOL Multiphics结合MATLAB进行数值模拟得到了预抽钻孔轴向、径向的瓦斯压力等值线切片图,通过对模拟结果分析确定了抽采空白带范围。     

不同数量钻孔瓦斯抽采有效区域数值模拟分析

为了研究钻孔数量对煤层瓦斯压力及有效抽采区域的影响,采用三维数值模拟方法,计算并分析了单排不同数量钻孔抽采条件下煤层瓦斯压力及有效抽采区域的空间分布特征。结果表明：煤层瓦斯压力变化具有显著的时空响应特征,抽采初期钻孔数量对抽采半径之外的煤层瓦斯压力影响较小,但随抽采时间的增加,钻孔数量对其影响逐渐显现,抽采影响半径增大,瓦斯压力下降趋势加大;钻孔有效抽采区域空间分布形态及其范围受到钻孔数量与抽采时间的影响;有效抽采区域体积与抽采时间基本呈y=ax^b函数关系,且钻孔有效抽采区域体积与钻孔数量并未呈线性关系;在瓦斯抽采过程中钻孔之间会产生叠加效应,随抽采时间的增加叠加效应更加明显。     

煤层瓦斯抽采钻孔抽采半径考察技术研究

采用FLAC3D数值模拟软件研究了抽采钻孔周围应力、位移及瓦斯压力的分布特征,并在现场进行了抽采半径的实测,验证了数值模拟结果的正确性。研究表明:采用数值模拟和现场测试相结合的方法,能够方便、快速地确定抽采钻孔的合理布置间距,对节省抽采半径的考察时间和合理布置抽采钻孔有一定的指导意义。     

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。     

基于微波注热的煤层瓦斯抽采数值模拟研究

为研究微波注热下煤层瓦斯运移采出规律,基于瓦斯微波注热抽采电磁-热-流-固耦合模型,进行了微波注热下瓦斯抽采数值模拟研究,分析了不同微波频率、微波功率和初始渗透率下煤层温度和产气演化规律。数值模拟结果表明：微波注热时,注热处煤层温度快速升高,热量通过热传递和热对流作用向低温区域传递,高温范围不断由注热处向气井扩展;对比0.915 GHz和2.45 GHz两种不同微波频率,低频微波更有利于增强微波热效应;对比0, 500, 1000, 1500 W四种不同微波功率,相对于常规开采,微波注热能极大促进瓦斯解吸和运移,瓦斯含量大幅度降低,增大微波功率对提高瓦斯产量有积极作用;采用增渗措施提高初始渗透率并配合微波注热,可以进一步提高瓦斯抽采率。     

抽采钻孔直径与采空区瓦斯抽采效果关系研究

通过COMSOL数值模拟软件,对经坊煤矿3-802工作面不同钻孔直径下瓦斯压力的变化情况、相同直径下瓦斯压力随时间的变化情况以及多钻孔耦合作用下瓦斯压力的变化情况进行研究,得出本工作面瓦斯抽采最佳钻孔直径为65mm,并得出钻孔间距的确定原则。     

基于ABAQUS的高位抽放钻孔数值模拟

以乌兰煤矿Ⅱ020703综采工作面为研究对象,采用ABAQUS数值模拟软件,建立三维数值模型,首先沿工作面倾向对顶板上覆岩层的"三带"移动规律进行模拟,得出裂隙带高度范围为18²3 m,在距离风巷1023 m,在距离风巷10¹5 m处,裂隙带裂隙发育程度最大;然后沿工作面走向对上覆岩层的弯曲下沉量及离层裂隙带范围进行模拟,得出推进距离为80、120、160 m时,"O"形圈半径为分别为50、80、100 m。根据模拟结果,设计出合理的高位钻孔抽放参数,并进行了现场试验,试验表明,所设计抽放钻孔有效解决了综采工作面瓦斯浓度超限问题。     

瓦斯抽采钻孔布孔参数数值模拟

为研究合理的瓦斯抽采钻孔布孔参数,采用FLAC3D数值模拟的方法,分析了在巷道影响下钻孔破坏的过程。研究结果表明,平行布孔的钻孔孔壁应力集中程度一致,各个钻孔内部的应力分布相似。钻孔间距小于5倍开孔半径时,孔周煤体产生大范围塑性变形,导致孔壁稳定性差。布孔方式以及布孔间距对孔壁应力集中有较大的影响,采用平行布置方式比倾斜布孔方式的钻孔更为稳定,能够更为有效地保障瓦斯抽采。     

基于数值模拟的钻孔抽采影响半径测试研究

为了解决抽采影响半径现场测试工作量大、耗时长的问题,结合煤层赋存条件和现场抽采情况,建立了煤层瓦斯抽采基本模型,通过数值模拟试验研究了抽采影响范围随时间的变化关系,得到了抽采周期对应的抽采影响半径。经压降法验证,数值模拟测试结果较为可靠。     

基于COMSOL Multiphysics的超长钻孔瓦斯抽采数值模拟研究

利用COMSOL Multiphysics对马兰矿南5采区9#煤层采用的千米钻孔煤层预抽瓦斯来掩护集中回风巷掘进的工程,进行瓦斯抽采钻孔深度不同、抽采负压不同、抽采时间不同条件下瓦斯压力分布规律和抽采瓦斯总量的数值模拟研究。得出结论:瓦斯抽采初期,瓦斯抽采重点区域在径向距离较小以及钻孔较浅区域,随着抽采时间的增加,瓦斯抽采重点区域向径向距离较大以及钻孔深处转移;钻孔深度越大,瓦斯抽采难度越大,适当提高瓦斯抽采负压能够有效提高钻孔深处瓦斯抽采效率;抽采负压为13 k Pa,钻孔总深度为600 m时,抽采瓦斯有效时间为500 d左右;抽采负压为13 k Pa,钻孔总深度为700 m时,抽采瓦斯有效时间为600 d左右。     

平山煤矿采空区高位钻孔瓦斯抽放数值模拟

针对平山煤矿首采煤层11011工作面采空区瓦斯浓度较高和上隅角瓦斯超限问题,提出高位钻孔瓦斯抽放的治理方案。基于采空区高位钻孔参数布置方程,计算分析了11011工作面采空区瓦斯抽放问题,并通过Fluent软件模拟了高位钻孔下采空区瓦斯浓度分布,直观展现了瓦斯浓度的分布变化。把高位钻孔布置在双"U"的外"U"中,离回风巷平距20 m处开孔,开孔高度为4 m。现场实验数据显示,该抽放技术使得上隅角瓦斯浓度低于0.5%。     

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。     

穿层钻孔有效抽采半径的数值模拟及效果预测

为了研究三软不稳定单一厚煤层底抽巷穿层钻孔的有效抽采半径以及相应的预抽期,建立起钻孔周围煤体瓦斯流动方程,并利用COMSOL-Multiphysics软件对郑州矿区某矿二1煤的穿层钻孔进行数值模拟。     

瓦斯抽采钻孔有效抽采半径的数值计算方法

以重庆天府三矿为例,结合现场实测、实验室参数测定和理论计算,研究了不同布孔方式(顺层抽采钻孔、穿层抽采钻孔)的有效抽采半径,并提出了利用变系数非线性瓦斯渗流方程来快速精确测定瓦斯抽采半径的数值计算方法。结果表明,此方法能够方便、快速确定钻孔间距和抽采时间,对节省抽采半径的测定时间和合理布置钻孔有一定的实际意义。     

基于瓦斯抽采钻孔的瓦斯地质异常勘探

基于探明地质异常对煤层瓦斯均衡抽采和消除煤与瓦斯突出危险的重要性,通过具体实例,指出了利用瓦斯抽采钻孔开展生产地质勘探的必要性和可行性,提出了应用瓦斯抽采钻孔提供的单杆钻屑量、岩屑性质和瓦斯参数变化规律等瓦斯地质信息,及时发现异常,开展瓦斯地质预测的方法,阐述了由疏到密、均匀布设、优先施工煤层顶底板控制孔和完善施工记录...