基于UDF的煤层注水渗流演化规律的数值模拟研究

为了更好地揭示煤体高压注水渗流演化规律,提高煤层注水抑尘效果;基于三轴压缩和煤矿生产实际,通过煤岩渗透性试验得到煤岩变形与孔隙水压匹配关系;利用用户自定义函数UDF模块将其编译到Fluent中对钻孔注水过程中的流体压力场、速度场及水量分布情况进行模拟,分析不同注水压力下钻孔径向周围煤体内润湿范围以及渗流速度等因素。结果表明：渗流场压力随着孔隙水压的增大而增大,压力变化率随着时间段的增长逐渐降低并趋至稳定,渗流场速度变化展现出相似的变化规律;随着孔隙水压的不断增大,煤体孔隙率随之增大,煤体内部含水率逐渐升高,分布范围从钻孔周围逐渐向两侧扩大,煤层钻孔周围的润湿过程是一个快速增长后缓慢降低达到稳定的状态。     

基于UDEC和D-P准则的煤层钻孔稳定性分析

煤层钻孔的失稳破坏是一个非常复杂也是一个极其常见的问题,煤层钻孔的稳定性对煤层瓦斯抽采以及煤层注水都有着非常重要的意义。基于D-P准则和UDEC数值模拟的方法对钻孔失稳破坏进行研究,研究表明,随着节理密度的增大钻孔周围的剪切位移呈指数增加;钻孔首先在孔壁处发生拉伸破坏,随着煤体沿径向向深部转移,钻孔周围的煤体逐渐发生剪切破坏。     

孔间煤体水力压裂增透技术数值模拟研究

对煤矿中埋藏深度大、瓦斯含量高、透气性低的煤层瓦斯抽采问题进行研究,为了提高煤体透气性,加速瓦斯的流动,通过水力压裂的方法对煤体进行破坏,使煤层中产生利于瓦斯流动的的缝隙,同时通过注水提高煤体的塑性。采用RFPA2D-Flow数值模拟的方法,对煤体水力压裂的过程中钻孔周围煤体应力变化、煤体位移变化、钻孔周围水头压力分布等规律做数值模拟分析。结果表明,在无自由孔条件下,当注水压力逐渐增大时,煤体的裂缝扩张范围逐渐变大;在有自由孔的条件下,当注水压力逐渐增大时,钻孔的卸压范围也跟着逐渐增大。     

考虑流变特性的抽放钻孔应力分布和移动变形规律研究

为了研究抽放钻孔周围煤体的应力分布及移动变形规律，分析了钻孔周围煤体的力学特性，建立了考虑煤的塑性软化和扩容特性的黏弹塑性模型，得到了煤体应力、位移、孔径变化和卸压范围的表达式，对比分析了软硬煤层钻孔的应力分布及卸压效果，研究了抽放钻孔孔径变化规律，解释了软煤层钻孔抽放体积分数快速衰减的原因。研究结果表明：钻孔周围煤体具有塑性软化、扩容和流变特性，软煤层钻孔具有更好的卸压效果，蠕变变形更为剧烈，在短时间内就可能发生失稳破坏，阻塞瓦斯抽放的通道，致使瓦斯抽采体积分数迅速下降；硬煤层钻孔直径虽有缩小但仍处于稳定状态，并不发生堵孔现象，但是到井田深部由于应力增大，蠕变变形加剧，就有可能发生失稳破坏。研究成果与生产实践具有较好的一致性，可以为瓦斯抽采参数的确定提供理论指导。     

松软煤层抽采钻孔护孔技术探讨

分析钻孔周围应力分布及变形情况,利用钻孔周围煤体垮落后应力重新分布,破裂区和塑性区往深部发展,卸压区范围增大等规律,对钻孔进行护孔,解决了煤层钻孔垮孔、堵孔问题,提高了钻孔瓦斯抽采效果。     

基于Hoek-Brown准则的煤层钻孔失稳破坏类型数值模拟研究

高瓦斯松软煤层、软硬复合煤层和突出煤层深孔钻进是公认的世界性难题,已成为制约部分高瓦斯和突出矿井瓦斯治理效果的瓶颈。为深入探讨煤层钻孔失稳机制,引入Hoek-Brown强度准则及地质强度指标GSI,在考虑孔隙率与渗透率动态变化特性的前提下,在弹塑性本构方程中引入塑性流动因子,使瓦斯渗流场方程含有体应变、煤岩体变形场方程含有瓦斯压力项,进而建立了基于H-B准则的含瓦斯煤流固耦合动态模型;采用COMSOL软件对模型进行解算,探讨了不同侧压系数条件下不同煤体结构煤层钻孔周围塑性区分布规律,并对煤层钻孔失稳破坏类型进行了划分。研究表明:无论在何种侧压系数条件下,孔周塑性区分布范围皆随GSI值的增大而逐渐减小,2者遵循幂函数关系;塑性区分布形状因侧压系数、GSI值不同而差别较大;当GSI值较小时,在不同侧压系数条件下,塑性区分别呈扇形、椭圆、"X"状分布;当GSI值较大时,塑性区分别呈圆形、"V"状、"平底锅"状分布;煤层钻孔失稳破坏类型分为应力控制型破坏、结构面控制型破坏、软煤中的喷孔破坏3类,分别发生在高应力硬煤中(60≤GSI≤100)、强度中等的煤体中(30相似文献   

急倾斜特厚煤层高压水力“割-压”钻孔周围煤体润湿范围演化规律研究

为了明确急倾斜特厚煤层高压水力“割—压”钻孔间距的合理布置问题,采用数值仿真结合现场实测的方法,对单孔、双孔及六孔高压水力“割—压”钻孔周围煤体润湿范围进行分析。研究结果表明：在注水压力40 MPa、注水时间16 d左右时,六孔高压水力“割—压”钻孔饱和状态的注水湿润半径达15.3 m,可以更大范围地湿润煤体;与普通高压注水技术相比,采用水力割缝技术辅助湿润煤体时,钻孔周围煤体的注水润湿范围更大、注水效果更显著;在乌东煤矿北区+500 m水平45^#煤层现场实施高压水力“割—压”技术时,其“割—压”钻孔的布置间距选择30 m较为合理。     

深部围岩遇弱结构瓦斯抽采钻孔失稳分析与成孔方法

针对煤岩长钻孔过泥岩、构造带和软煤层成孔难的实际问题,根据现场实测煤岩力学参数,采用大变形FLAC3D软件对丁集煤矿-910 m水平11-2回风平巷抽采钻孔进行计算机数值模拟,解算出钻孔的应力场、位移场和塑性破坏区变化规律,得到的钻孔围岩二次应力弹、塑性分布特征与理论计算结果完全一致。当侧压系数不等于1时瓦斯钻孔二次应力分布、塑性区、钻孔径向位移不再呈圆环状分布,钻孔顶、底部孔壁位移量约为两侧孔壁位移量的2倍,随着岩体侧压系数的升高,钻孔围岩应力集中程度升高,钻孔径向位移增大,围岩塑性区半径增大,钻孔稳定性降低。随钻孔围岩强度强化区范围的增加,钻孔二次应力影响范围减小,塑性区半径减小,孔壁径向位移减小,钻孔更容易达到稳定平衡状态。基于注浆固化成孔新理论,对丁集煤矿1412（1）工作面巷道抽采钻孔围岩弱结构破坏失稳进行了有效控制,并用工程实例进行了验证。     

深部松软煤层钻孔孔周煤体变形产渣特征研究

针对煤矿井下高瓦斯软煤顺层长钻孔排渣困难、成孔率低、施工困难等问题,通过数值模拟实验研究了井下深部软煤体变形破坏特征,分析了顺层长钻孔孔周松软煤体变形特征及应力变化,以揭示顺层长钻孔孔周松软煤体变形产渣规律。研究表明:深部高瓦斯软煤顺层钻孔孔周煤体的应力平衡临界条件破坏后将发生大体积突然垮落;钻孔水平最大变形位移为1.22mm,垂直方向最大变形位移为10.7mm;径向孔周煤体垂向变形呈现逐渐减小趋势,且垂向变形明显大于钻孔水平变形。在水平方向上,钻孔孔周煤体应力分布呈现先增大再逐渐减小的变化规律,径向距离对水平应力分布的影响逐渐减小;随着径向距离的增加,钻孔孔周煤体应力分布逐渐降低,钻孔孔壁处煤体的应力出现最大值,且垂直方向处应力值最大。     

侧压系数及埋深对巷道围岩应力分布的影响

运用FLAC3D数值模拟软件,分别对埋深600、800、1 000 m和侧压系数0.5、1、1.5情况下煤层底板岩巷顶底板和两帮的垂直、剪切应力分布规律进行了模拟分析。结果表明:随着侧压系数的增加,巷道帮部围岩垂直应力呈递减状态,剪切应力、顶底板围岩垂直应力呈增大趋势;随着煤层埋深的增加,巷道围岩垂直、剪切应力集中区范围不断增大,峰值点位置逐渐向巷道围岩深部移动。研究结果对巷道合理支护选择具有指导意义。     

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。     

煤层注水致工作面前方集中应力前移的机理分析

针对新兴矿煤层注水消除工作面冲击地压和煤与瓦斯突出过程中集中应力前移的问题,分析了注水润湿煤体并使其支撑能力下降而导致集中应力前移的机理;结合新兴矿地质条件,对钻孔注水过程进行了数值模拟,着重分析了注水后集中应力前移、煤壁位移增大和注水钻孔周边渗流场分布情况;数值模拟结果与理论分析结果相一致。另外推导出在注水时间一定时,注水钻孔的渗透半径及应力前移距离公式。     

综采面浅孔煤壁注水防突机理与有效范围

文章对浅孔煤壁注水防突机理和范围进行了论述,考察认为注水有驱赶煤壁瓦斯的作用,还可降低煤层瓦斯放散速度和使煤层应力集中峰向煤层深部推移。在综采工作面单孔注水压力达7848 kPa 以上,钻孔深度为3m 时,有效防突范围为深1.6m 以内。     

回采工作面水力卸压抽采技术应用

煤层注水防突主要体现在注水使煤体的力学性质产生变化,增加塑性,使煤体弹性和强度减小,转移巷道应力集中区至煤体深部;大大降低煤体透气性,减少解吸瓦斯,使煤层瓦斯涌出初速度大幅降低。试验采用现场观测、数值计算和数据对比分析等进行综合研究,确定了回采工作面动压区本煤层注水钻孔的施工工艺及参数,有利于实现安全高效生产。     

气体压力对软煤钻孔周围煤体应力及变形的影响实验研究

为了研究不同气体压力对软煤钻孔周围煤体应力及变形的影响,通过采集煤样、压煤成型、布设压电膜、钻孔实施及窥探等实验步骤,分析不同充气压力条件下钻孔周围应力变化及钻孔内部破坏变形情况及规律,得出随着充气压力的增大,钻孔周围应力集中逐渐向外围迁移,卸压带范围逐渐扩大;其中,在未充入气体时,实验钻孔周围卸压带约22 mm,在0.9 MPa气体压力作用下,其卸压范围增大到约60 mm;随着充气压力的增加钻孔内壁的破坏变形逐渐加剧。     

煤层钻孔损伤区半径理论研究

煤层瓦斯抽采钻孔塌孔问题严重制约瓦斯抽采效率,进而影响煤矿安全生产。文章基于弹塑性理论,建立了煤体钻孔力学模型,推导了煤体钻孔损伤区半径的解析解,根据5种不同普氏系数煤样的力学测试参数,计算并分析了普氏系数、地应力和侧压系数对钻孔损伤区半径的影响规律,结果表明:钻孔损伤区半径随着煤体普氏系数增大呈负指数减小,随着地应力增大线性增大;侧压系数小于1.0时,水平方向的损伤区半径大于垂直方向损伤区半径,而侧压系数大于1.0时,水平方向的损伤区半径小于垂直方向损伤区半径。此研究将为煤体钻孔损伤区半径的理论预测及防治塌孔而采取必要措施提供理论依据。     

基于FLAC数值模拟的突出煤层钻冲设计优化

采用穿层钻孔钻冲耦合抽采模式,实现普通钻孔和钻冲一体化钻孔的耦合分布,使得区域瓦斯治理由穿层钻孔的个体分散式抽采转变为区域煤体的整体卸压式抽采。通过不同种类抽采钻孔的耦合分布,有效破解了单个钻孔形成的局部应力集中;有效减少了高瓦斯突出煤层中穿层钻孔的喷孔、堵孔现象,增大了单孔影响范围,实现了区域煤体的整体卸压增透,减少了预抽钻孔数量和长度,提高了煤层瓦斯预抽率。     

下向穿层钻孔综合水力化防突技术研究

针对近距离、低透气性、极松软突出煤层群区域防突难题,提出了下向穿层钻孔综合水力化防突技术。理论分析了下向穿层钻孔综合水力化防突技术防突机理。模拟了注水润湿前后不同孔径钻孔周围煤体应力分布规律。结果表明:水力冲煤孔径增加,钻孔卸压范围增加;相同孔径,注水软化同时增加卸压范围;增加水力冲煤孔径的卸压效果优于注水软化的卸压效果;卸压影响范围与水力冲煤半径负倒数存在指数函数关系。根据技术原理,研发了下向穿层钻孔综合水力化技术工艺,建立了技术防突效果指标考核体系。该技术在青东煤矿得到成功应用,为该条件下区域防突提供新的技术途径。     

超长钻孔高压注水防片帮技术机理与应用

淮南矿业集团张集煤矿1312(1)智能化工作面轨道巷布置有顺层预抽钻孔,这为煤层注水提供便利。利用高压水对钻孔周围煤层产生切割及致裂作用,达到压碎破坏煤层、使工作面煤壁塑性区范围增大,超前支承压力前移,减缓煤壁片帮发生,降低粉尘浓度,同时降低片落煤体的大块率。     

电磁辐射法监测煤层注水防突效果的研究

理论分析了水对煤体物理力学性质和煤体电磁辐射信号影响的规律。煤层注水过程中由于压力水对注水钻孔周围煤体的压裂,煤体产生的电磁辐射值增大,煤层注水结束后,煤体弹性得以充分释放,电磁辐射值比注水前相对降低。探讨了现场采用电磁辐射监测煤层注水防突效果的实施方案。研究结果表明:电磁辐射法可以用来监控煤层注水过程以及检测煤层注水防治煤与瓦斯突出效果。