基于煤体正交各向异性特征的气固耦合模型及应用

为了描述各向异性煤层与瓦斯耦合过程中的渗透演化规律,在煤体结构为正交各向异性假设的基础上,利用吸附作用下煤体变形叠加关系,建立正交各向异性渗透率方程,进一步推导出考虑煤体正交各向异性特征的气固耦合模型,利用该模型分析了九里山矿二1煤不同吸附压力下渗透率变化规律和亭南矿4#煤层钻孔倾角对抽采效果的影响。结果表明：在相同的围压下,面割理、端割理、垂直层理方向渗透率模拟结果随着瓦斯压力的增大而减小,规律与实验结果一致;渗透率模拟结果和实验结果在面割理、端割理、垂直层理方向的平均相对误差分别是2.55%、14.19%、4.26%,误差分析表明气固耦合模型合理;瓦斯抽采量随着钻孔倾角的增大而增加,在钻孔抽采设计时,增大钻孔与煤层层理面之间角度可以提高瓦斯抽采量。     

基于煤体渗透率各向异性的瓦斯抽采特性研究

为了确定合理的有效抽采区域,首先建立了含瓦斯煤岩体的流-固耦合模型,然后建立几何模型,利用COMSOL Multiphysics软件进行数值解算,在考虑渗透率各向异性的基础上,研究钻孔周围不同位置的瓦斯压力变化规律。结果表明:考虑渗透率各向异性之后,瓦斯压力等值线图呈现出椭圆形状;渗透率各向异性会影响瓦斯在煤体中的运移,渗透率越低,瓦斯在煤层中运移越慢;达西速度与渗透率成正比,即渗透率增大,达西速度随之增大,渗透率各向异性使钻孔周围达西速度等值线呈椭圆分布,越靠近钻孔中心,达西速度越大,且随着时间的增加,达西速度最大值在减小;当钻孔周围瓦斯压力达到0.74 MPa时,受渗透率各向异性的影响其有效抽采区域呈现左右大、上下小的分布,瓦斯在渗透率小的地方难被抽采。     

脉冲射流割缝控制压裂技术关键参数研究及应用

为解决常规水压裂缝受地应力影响,导致扩展形态单一、易在裂缝两侧遗留增透空白带等问题,结合脉冲射流破煤岩特点与缝槽-孔隙水压联合诱导裂缝定向扩展作用,研究了煤矿井下脉冲射流割缝控制压裂技术。通过冲击应力波效应分析了脉冲射流充分利用水锤压力高效破碎煤体割缝机理,阐明了脉冲射流割缝控制压裂大幅增加煤层透气性原理,明晰了脉冲射流割缝压力、割缝控制压裂实施压力和压裂钻孔封孔长度等关键参数,探讨了割缝控制压裂技术的工艺流程,并在逢春煤矿开展了割缝控制压裂、常规压裂和钻孔抽采三种现场试验,对比考察了三种方式的煤层瓦斯抽采效果。现场试验结果表明:由于缝槽卸压和孔隙压力场的存在,脉冲射流割缝控制压裂能降低煤层压裂时的实施压力;通过分析压裂后不同距离煤体瓦斯含量和含水率变化规律,得出割缝控制压裂技术比常规压裂的影响范围更远,提高约33%;煤层实施割缝控制压裂后单孔瓦斯抽采纯量为0.034m³/min,较常规压裂和传统钻孔抽采技术提高了3.7倍和10.6倍,瓦斯抽采汇总浓度约为73%,提高了1.7倍和2.25倍。     

基于渗透率各向异性的本煤层瓦斯预抽钻孔合理布孔方位数值模拟研究

为了研究渗透率各向异性对瓦斯抽采效率的影响,建立了基于渗透率各向异性的瓦斯流动模型,运用COMSOL Multiphysics软件对钻孔布孔方位与抽采流量和有效抽采半径之间关系进行数值模拟。结果表明:渗透率各向异性主要受地应力和初始渗透率影响,钻孔与渗透率优势方向夹角越大,瓦斯抽采流量和有效抽采半径越大。     

高压水射流割缝钻孔抽采影响半径研究

钻孔抽采影响半径是确定钻孔布置的基础参数,但关于高压水射流割缝缝槽形态及缝槽形态与钻孔抽采影响半径的影响关系目前尚无系统研究。根据缝槽形态实验结果将缝槽形态简化为圆盘,基于淹没射流结构理论分析缝槽圆盘尺寸,采用COMSOL软件研究不同条件煤层的割缝钻孔抽采影响半径,并进行现场测试试验。结果表明:割缝钻孔抽采影响半径与缝槽圆盘、渗透率、抽采时间、瓦斯压力等因素均呈幂函数关系,因素影响显著程度依次为渗透率、抽采时间、瓦斯压力、缝槽圆盘;高压水射流割缝缝槽体积与理论分析确定的缝槽圆盘体积的相对差值为8.33%,在抽采时间130 d时的实测钻孔抽采影响半径与数值模拟的相对差值为6.20%。     

工作面采动煤体卸压增透效应研究与应用

为研究采煤工作面前方煤体卸压增透效应,提高煤体卸压瓦斯抽采量,分析了采煤工作面前方采动煤体变形破坏与渗透率变化过程的相关性,在工作面前方卸压区,煤体发生滑移破坏,有明显的扩容及卸压增透效应。现场实测了工作面前方煤体应力及钻孔瓦斯流量随工作面推进过程的变化规律,确定了支承压力区、卸压区分布范围。在卸压区内,因煤体渗透率增大,钻孔瓦斯平均流量提高2~3倍。基于工作面前方煤体卸压增透效应,根据不同钻孔失效距离及卸压区宽度,给出了不同偏角(钻孔与垂直煤壁方向夹角)下的预抽钻孔卸压瓦斯抽采量计算式。分析结果表明:钻孔偏角越大,卸压瓦斯抽采量越大。结合某矿N2105工作面现场条件进行计算,得出钻孔偏角最大可为21.4°,相比原垂直煤壁钻孔,单孔卸压瓦斯抽采量可增加978.5 m3,预期可有效提高本煤层瓦斯抽采率。     

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。     

抽采过程中含瓦斯煤渗透率动态变化特征

基于孔隙率的定义,建立了考虑孔隙瓦斯压力、瓦斯吸附膨胀和地应力作用的含瓦斯煤渗透率模型,并研究了抽采过程中含瓦斯煤渗透率的动态变化特征。结果表明:含瓦斯煤的渗透率随地应力的增加呈指数形式降低,随瓦斯压力的减少呈现出先减小后增大的变化特征;瓦斯抽采过程中煤体弹性模量越小和吸附常数越大越有利于煤体渗透率的改善,而泊松比的变化对煤体渗透率的影响较小,对于合理地选择瓦斯抽采区域、布置瓦斯抽采工程和采取瓦斯抽采措施具有一定的指导意义。     

结构异性煤层顺层钻孔方位对有效抽采半径的影响

为了提高煤层顺层钻孔瓦斯抽采效率,有效抽采半径的确定是关键。基于各向异性煤层瓦斯渗透率测试结果,建立了煤层瓦斯各向渗透异性的气-固耦合渗流模型,数值模拟了不同钻孔方位时瓦斯抽采有效半径的时变规律,分析了钻孔方位对抽采效果的影响。研究结果表明：煤层面割理和端割理方向渗透率均大于垂直层理方向渗透率;钻孔有效抽采半径随抽采时间增加呈幂指数增大;煤层有效抽采区域是以抽采钻孔为中心,最大抽采距离(平行层理方向)为长轴,最小抽采距离(垂直层理方向)为短轴的椭圆。平行层理沿端割理方向抽采孔的瓦斯抽采效果优于平行层理沿面割理方向的抽采孔。     

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。     

高压水力割缝技术工程实践及瓦斯抽采影响因素探讨

针对低渗煤层瓦斯抽采难度大、抽采效率低以及抽-掘-采衔接不紧密等难题,以大佛寺煤矿4#煤层为研究对象,开展了顺层钻孔高压水力割缝现场试验,考察了水力割缝效果。结果表明：（1）当割缝压力为70 MPa,割缝时间为10～15 min时,等效割缝半径为1.16～1.41 m;(2)受水锁效应影响,割缝钻孔瓦斯抽采参数随时间的变化过程可分为抽采初期、抽采稳定期和抽采衰减期3个阶段,其单孔平均抽采浓度、纯流量分别是常规钻孔的1.81～2.36倍和1.93～4.50倍,且割缝间距越小提升效果越显著,衰减越慢;（3）随着负压的增大,割缝钻孔的抽采浓度加速降低,抽采纯流量和混合流量不断升高,但抽采纯流量的增长幅度远小于混合流量的增幅,且差距逐渐拉大。由此可见,高压水力割缝能够增强煤层渗透率,提高瓦斯抽采效率。     

高压水射流割缝对煤体扰动影响规律研究及应用

基于高压水射流割缝层内卸压增透技术,运用ANSYS软件建立模型,模拟了高压水射流割缝后不同割缝宽度条件下煤体位移、应力的变化,根据模拟结果分析了割缝煤体受扰动影响的变化规律;同时在平煤集团十三矿进行了现场的试验和应用,并对割缝钻孔和普通钻孔进行了单孔抽采流量考察。ANSYS模拟研究表明,割缝宽度不同造成周围煤体位移和应力显著变化,割缝宽度增大煤体受扰动影响范围增大,加大了煤体裂隙扩展,提高了割缝煤体的卸压效果;经现场试验和应用,煤体进行高压水射流割缝后,割缝钻孔起始瓦斯抽采量是普通钻孔的2.5倍,且在考察时间内割缝孔的抽采流量远大于普通孔,提高了瓦斯抽采效率。     

艾维尔沟矿区抽采半径影响因素及其影响程度分析

为了掌握艾维尔沟矿区突出煤层瓦斯抽采半径的影响因素及其影响程度,采用Fluent14.0对抽采钻孔周围瓦斯流动的压力场和速度场进行数值模拟研究,并分析了钻孔直径、抽采负压及煤层渗透率对抽采半径的影响及影响程度。结果表明,钻孔周围煤体中瓦斯压力分布从钻孔中心向外增大,瓦斯流动速度分布从钻孔中心向外减小;钻孔直径、抽采负压和煤层渗透率对抽采半径具有影响,影响程度从大到小依次为煤层渗透率、钻孔直径、抽采负压。     

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。     

冲煤率对煤层卸压增透及瓦斯抽采的影响规律研究

合理确定水力冲孔冲煤率,是保障水力冲孔措施取得良好卸压增透效果的关键,对指导不同煤层瓦斯赋存条件下,煤层瓦斯在规定预抽期内实现抽采达标具有重要意义。根据孟津煤矿的煤层瓦斯地质条件,运用数值模拟和现场试验的手段,研究了冲煤率对煤层卸压增透及瓦斯抽采效果的影响规律。结果表明：水力冲孔技术能够有效提高钻孔周围煤体的卸压范围,且随着冲煤率的增大,钻孔间煤体所处的应力状态,由邻近钻孔煤体处于卸压区、中部煤体处于增压区,逐渐过渡至两钻孔间所有煤体均处于卸压区。水力冲孔冲煤率越高,钻孔间煤体的卸压程度越大,引起煤体渗透率呈数量级的增大,邻近钻孔煤体的渗透率增大了上千倍,从而造成了抽采后煤层瓦斯含量的降低幅度越大,煤层瓦斯的预抽效果越好。应根据煤层的瓦斯赋存条件,选择合理水力冲孔冲煤率的煤层瓦斯预抽方案,对于厚煤区和瓦斯富集区,应加大水力冲孔冲煤率。采用预抽—水力冲孔—2次抽采的工序,可降低冲孔前钻孔周围煤体的瓦斯含量和瓦斯压力,使得水力冲孔期间钻孔发生喷孔的次数及强度显著降低,利于防治水力冲孔时发生喷孔及瓦斯的异常涌出。预抽时间越长,煤层的残余瓦斯含量越低,但随着抽采时长的增大,煤层残余瓦斯含量的降...     

双排水力割缝钻孔参数优化研究与应用

为了实现工作面快速消突,提出布置双排瓦斯抽采钻孔,并实施水力割缝。通过数值模拟,研究不同割缝深度、孔间距、布孔方式对抽采效果的影响。结果表明：单孔有效抽采半径随割缝深度的增加而增加,但增速逐渐放缓,根据数据拟合结果,确定割缝深度为1.5 m;双孔抽采时,钻孔间距越小,瓦斯压力越低,最终确定钻孔间距为7 m;正方形布孔和菱形布孔均可以实现消突目的,正方形布孔覆盖面积大,选择该方式。现场试验表明,水力割缝正方形双排钻孔抽采效果良好,可以达到消突的目的。     

抽采瓦斯过程中煤层瓦斯压力演化规律的物理模拟试验研究

利用自主研发的多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统,开展了不同地应力水平下抽采瓦斯的物理模拟试验,对抽采瓦斯过程中煤层瓦斯压力演化规律进行了探讨。结果表明：① 在抽采瓦斯过程中,煤层瓦斯压力在初期降低较快后期降低缓慢,并且距钻孔越近,瓦斯压力下降速度越快,而与距钻孔出口的距离无关;② 在与抽采钻孔垂直的断面瓦斯压力场中,等压线以钻孔为中心呈现圆环形分布,在与抽采钻孔平行的纵面和层面瓦斯压力场中,等压线则以钻孔为对称轴呈现漏斗形分布,且距钻孔及钻孔出口越近瓦斯流速越大;③ 地应力的增加降低了煤层渗透率,阻碍了瓦斯的运移,使抽采过程中瓦斯压力的降低速度变慢,瓦斯流速减小。     

鹤煤八矿顺层钻孔有效抽采半径影响因素分析

抽采半径影响因素很多,现场测试法测试繁琐,难以考虑众多因素。本文针对这一问题建立了描述煤层瓦斯流动瓦斯抽采固-流耦合模型,结合鹤煤八矿实际情况,分析了抽采负压、抽采时间、钻孔孔径等因素对鹤煤八矿顺层钻孔有效抽采半径的影响。研究表明:①钻孔有效抽采半径与抽采时间、钻孔孔径和煤层初始渗透率之间的关系均符合幂指数函数关系;抽采时间越长、钻孔孔径越大、煤层初始渗透率越大,钻孔有效抽采半经越大;②煤层初始渗透率对钻孔有效抽采半径影响很大,抽采时间和孔径对其的影响较大,抽采负压对其的影响基本可以忽略不计,现场可以通过实施增透措施、延长抽采时间、增大孔径以提高瓦斯抽采效果。研究结果对鹤煤八矿顺层钻孔有效抽采半经确定及保障瓦斯抽采效果有着重要的实际指导意义。对不同煤矿可调整物理参数进行模拟,以得到合适的抽采半径。     

百米钻孔瓦斯流量数值模拟研究及应用

百米钻孔瓦斯流量是瓦斯抽采工程一项重要指标,目前这项指标只能从现场测得。为了指导瓦斯抽采设计,基于瓦斯渗流理论对瓦斯抽采中瓦斯含量数值模拟,利用数值积分和曲线拟合求得百米钻孔瓦斯流量的表达式。依据焦作演马庄矿27131工作面煤层瓦斯参数,研究了抽采负压、钻孔布置方式以及渗透率对百米钻孔瓦斯流量的影响并与现场实测值进行对比。结果表明:抽采负压对百米钻孔瓦斯流量影响很小;渗透率对百米钻孔瓦斯流量有显著影响,渗透率越大初始流量越大;钻孔的布置数量对钻孔流量有明显影响,钻孔数量越多初始流量越低。     

超高压水力割缝增透卸压规律研究与应用

运用FLAC3D软件模拟不同割缝压力和割缝间距条件下,钻孔周围煤体应力分布特征,分析了穿层钻孔水力割缝煤体卸压规律。通过在赵固二矿实施超高压水力割缝增透技术工艺,有效解决了单一低渗坚硬厚煤层瓦斯抽采技术难题,增大了抽采钻孔卸压范围,大幅提高了煤体透气性。