基于煤体各向异性的煤层瓦斯有效抽采区域研究

为了探究影响射流割缝钻孔周围有效抽采区域变化的因素,基于煤体的各向异性考虑了瓦斯抽采过程煤体应变场和瓦斯渗流场的耦合作用,探讨了不同垂直地应力、初始瓦斯压力以及初始渗透率等参数对射流割缝钻孔有效抽采区域的影响规律。结果表明:垂直地应力越大,煤体的渗透率越低,有效抽采区域逐渐减小;初始瓦斯压力越大,抽采相同时间后瓦斯压力越难降至0.74 MPa以下,有效抽采区域逐渐减小;初始渗透率越大,煤体裂隙瓦斯流动速度越快,导致在相同抽采负压下有效抽采区域逐渐增大。各向异性煤体的模拟结果与现场测试结果基本相符,证明了各向异性煤层垂直层理方向有效抽采半径是现场布孔的合理指标。     

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。     

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。     

煤层渗透率各向异性对本煤层瓦斯预抽影响规律的研究

针对新景矿8#煤层透气性差,瓦斯抽采困难等问题,采用实验室测定和现场试验的方法,研究其渗透率各向异性对本煤层瓦斯抽采的影响规律。实验室测试结果表明:煤层渗透率沿走向最大,沿倾向次之,沿竖直方向最小,瓦斯渗流的优势方向与煤层走向平行。现场瓦斯抽采试验表明:与煤层走向夹角90°的钻孔平均瓦斯抽采流量达到0.11 m~3/min,夹角30°的钻孔平均瓦斯抽采流量仅为0.015 m~3/min,即钻孔与煤层走向夹角越大,抽采流量越大;抽采60 d后,钻孔与煤层走向夹角大的区域煤层残余瓦斯含量降幅较大。该研究成果对本煤层瓦斯预抽钻孔的合理布置,提高瓦斯抽采效率具有一定的指导意义。     

抽采负压对本煤层瓦斯抽采效果的影响规律研究

对开元煤矿3710工作面前方煤体应力和钻孔瓦斯流量进行了现场实测,根据观测结果,将工作面前方煤体分为塑性变形区和弹性变形区。就抽采负压对不同区域瓦斯抽采效果的影响进行了现场实测,观测结果表明,抽采负压对塑性变形区钻孔瓦斯抽采量影响较大,随着抽采负压的增大,钻孔瓦斯抽采量按照对数函数增加;抽采负压对弹性变形区钻孔的瓦斯抽采量影响较小,弹性变形区的钻孔瓦斯流量随抽采时间按照负指数函数不断衰减。     

羽状千米长钻孔抽采效果考察试验

探讨了羽状千米顺层长钻孔区域性预抽煤层瓦斯的特点和优越性,结合煤层瓦斯抽放理论,分析了钻孔瓦斯流量与负压及钻孔长度的关系,指出千米钻孔工艺是针对高瓦斯矿井区域性防突措施和井下煤层气开采的一种新型抽采技术。在山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司寺河煤矿西轨措施巷1号和2号千米钻孔的应用研究表明：区域煤层瓦斯预抽率可达42%以上,且在煤层透气性系数和抽放负压条件相对不变的前提下,钻孔越长,百米钻孔初始瓦斯流量就越大,衰减系数随之减小,相同的时间内抽采率亦相应升高。     

低渗煤层大直径钻孔瓦斯抽采参数优化研究

针对低渗煤层瓦斯抽采存在预抽难度大的问题,提出大直径钻孔预抽能够降低低渗煤层瓦斯含量的方法。但由于低渗煤层对气固耦合效应影响敏感,抽采中渗透率变化过程不明确,导致大直径钻孔抽采参数设计依据不足。首先分析了低渗煤体渗透率演化的主控因素,建立了煤层瓦斯运移理论模型,模拟研究了大直径钻孔不同工况下对低渗煤体的瓦斯抽采效果,对比分析不同孔径、负压、孔间距下煤层瓦斯渗流规律。结果表明钻孔孔径越大造成的煤体卸压区越大,瓦斯抽采量越高,瓦斯残余含量也越小,但抽采效果增加幅度逐渐降低。负压越大瓦斯抽采量越大,但差别较小,因此负压对提升抽采效率影响较小。受渗透率演化的影响,不同钻孔间距下瓦斯抽采总量差别较大,在间距为3 m时,40～120 d阶段内抽采量最高,后期抽采量缓慢下降。间距5 m时抽采总量最高,抽采范围内的瓦斯残余含量降低较多。现场优化抽采后的瓦斯抽采纯量与模拟结果一致,表明了研究结论可靠。该研究结果可为煤矿井下大直径钻孔瓦斯抽采参数设计提供理论依据与应用参考。     

瓦斯涌出衰减特征法测定水力冲孔抽采影响半径

确定水力冲孔瓦斯抽采影响半径参数对于提高瓦斯抽采效率,消除钻孔间防突空白带,保证煤矿安全生具有重要的现实意义。在研究分析钻孔周围煤体松动对瓦斯涌出的影响,负压抽采下排放钻孔瓦斯流动、涌出特点,发现排放钻孔瓦斯涌出可分为前期、后期2个阶段,应用钻孔瓦斯涌出量负幂指数方程分别计算前期瓦斯排放量和后期瓦斯极限排放量,两者加和为钻孔瓦斯极限排放量Qj,提高了计算求解的准确性;指出负压抽采影响下排放钻孔周围煤体瓦斯流向抽采钻孔,是排放孔后期瓦斯涌出衰减系数突变性减少原因,造成排放孔百米钻孔瓦斯极限排放量与未受抽采影响的显著差异性;根据受负压抽采影响出现的排放钻孔瓦斯涌出衰减系数突变性、排放钻孔百米瓦斯极限排放量显著差异特征,提出了瓦斯涌出衰减系数特征法测定水力冲孔抽采影响半径的方法;运用此法在鹤壁中泰煤业公司进行了现场测试,结果表明,煤孔平均冲出煤量1.3 t/m,抽采时间60 d,抽采影响半径为5.1 m。     

钻孔瓦斯抽采效果影响因素的响应面分析北大核心

为了探究不同因素对钻孔瓦斯抽采效果的影响,进行了试验矿区地应力现场测试,建立了煤体基质裂隙系统瓦斯运移理论模型;基于现场数据构建数值模型,研究不同抽采条件下的有效抽采半径变化规律;采用响应曲面法,分析不同因素的交互作用及对有效抽采半径的影响,得到各因素与有效抽采半径的响应曲面模型。结果表明:煤层初始渗透率对抽采半径的影响程度最大,抽采时间、抽采负压和钻孔孔径的影响程度依次变小;响应曲面模型显著性较好,决定系数为0.995 7;煤层初始渗透率与抽采时间的响应曲面扭曲程度最大,说明两者对抽采半径的交互影响显著;抽采时间与抽采负压的响应曲面扭曲程度最小,说明两者的交互影响作用最不显著。     

深孔控制预裂爆破增透试验研究

为增加煤层透气性、提高瓦斯抽采效率,试验研究了深孔控制预裂爆破技术。介绍了深孔控制预裂爆破的增透机理及效果考察方案,从钻孔瓦斯抽采量、钻孔附近煤体透气性系数、百米钻孔瓦斯流量、百米钻孔瓦斯抽采率和工作面掘进速度等方面,现场考察、比较了预裂抽放钻孔、普通顺层预抽钻孔的抽采效果,结果表明:实施深孔控制预裂爆破措施后,前12天钻孔瓦斯抽采量明显增加,煤层透气性系数增加了6.9倍,百米钻孔瓦斯流量提高了4.218倍,百米钻孔瓦斯抽采率提高了1.88倍,工作面掘进速度有了明显的提高。     

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COMSOL的瓦斯抽采半径数值模拟

以山西某矿为试验矿井,采用COMSOL软件对瓦斯抽采半径影响因素进行了研究,研究结果表明:煤层的渗透率越大,抽采半径越大,当增大到某值时,可以不进行抽采,瓦斯可自由逸散;抽采半径随着负压的增大而增大,但影响较小,在进行瓦斯抽采时,可以不予考虑负压的影响;当地应力每增加3 MPa时,半径的减少幅度较小,地应力对抽采半径影响较小;随着钻孔直径的增大,抽采半径逐渐增大,前期,钻孔直径影响不大,中后期,钻孔直径对抽采效果影响较大。     

工作面前方承压抽采钻孔瓦斯渗透规律及其层理效应研究

通过在义煤集团新安煤矿14171采煤工作前方布置与层理方向呈不同角度的3个瓦斯抽采钻孔,考察其瓦斯抽放浓度、流量、抽放纯量指标来揭示随工作面推进过程中钻孔不同承压状态下的瓦斯渗透规律;建立数值模型分别对3个抽采钻孔的瓦斯渗透率进行模拟,模拟结果与现场考察较为相似。研究结果表明:工作面前方7~11 m为瓦斯抽采效果最好的区域,且与煤层层理呈平行角度布置钻孔瓦斯效果最佳,工作面前方4~6 m为瓦斯抽采设备拆除的合理区域。     

基于瓦斯涌出量衰减特征的钻孔抽采影响半径测定方法

根据煤层瓦斯流动理论,运用RFPA数值软件对钻孔负压抽采及排放过程中瓦斯流动与涌出特征进行了数值研究,确定受抽放负压影响的排放孔的瓦斯涌出量衰减率大于不受抽放孔影响的排放孔,并且根据钻孔周围煤体松动对瓦斯涌出的影响,得出钻孔瓦斯涌出具有分段性特征;提出了用钻孔瓦斯涌出量衰减系数作为考察指标,通过比较衰减系数突变情况和百米钻孔瓦斯极限排放量确定抽采影响半径,运用此方法测定了平煤五矿己15煤层顺层钻孔抽采影响半径。结果表明,钻孔瓦斯涌出量衰减特征法能够准确、方便地测定出该煤层钻孔抽采影响半径。     

顺层钻孔瓦斯抽采半径的关键影响因素数值模拟研究

为考察顺层钻孔设计参数的差异对瓦斯抽采半径的影响,采用COMSOL数值模拟研究瓦斯抽采半径在不同钻孔布置方式和设计参数下的影响规律。研究发现,消突区域随着抽采钻孔间距的增大而增大,不同钻孔间隔下的布置方式对抽采效果有较大影响。另外,消突区域直径随着钻孔直径的增大也逐渐增大,相比单个顺层钻孔,钻孔耦合时,钻孔直径的变化对瓦斯抽采效果影响不大,因此在顺层多孔耦合的条件下,通过增大钻孔直径的方法来扩大消突区域是不可行的。随着抽采时间的延长,顺层、多孔耦合钻孔的消突区域逐渐增大,其消突区域有一个阈值,一段时间后,再继续抽采瓦斯已经没有效果。随着抽采负压的增大,钻孔抽采影响半径有小范围增大,但增大的幅度远远小于抽采负压的增大幅度,直到稳定在某个定值上。随着抽采时间的增加,顺层钻孔单孔的抽采瓦斯流量逐渐降低,且降低的幅度逐渐减弱,最终逐渐靠近于某一个定值。单孔瓦斯流量与抽采时间之间呈现指数关系,并对此结论进行现场验证,研究结果对煤矿顺层瓦斯抽采钻孔设计具有一定指导意义。     

顺煤层钻孔抽采半径与预抽期动态耦合规律

针对煤层瓦斯预抽钻孔盲目布置引起矿井采掘安全隐患凸显及瓦斯治理成本激增的问题,基于瓦斯流量法,对不同钻孔间距下青岗坪煤矿4~(-2)顺煤层瓦斯流量、瓦斯抽采总量与抽采时间对应关系进行考察。结果表明:不同间距(2m、3m、4m、5m)下瓦斯流量均随抽采时间成负指数衰减,抽采总量均随抽采时间成负指数增加,间距越小则初始流量越小而衰减系数越大,间距越大则抽采总量极限值越大;不同间距下瓦斯抽采率均存在极限值,间距越小则极限抽采率增幅越大,间距2m时抽采率达到最大值79%;瓦斯抽采半径与预抽期存在动态耦合关系,综合考虑合理预抽期和瓦斯治理成本,科学确定了现行采掘和抽采条件的有效影响半径,为青岗坪煤矿4-2煤层采掘工作面瓦斯抽采设计提供理论依据。     

煤层钻孔瓦斯抽采效果影响因素分析

为研究瓦斯抽采效率的影响因素，考虑吸附瓦斯与游离瓦斯建立了煤层瓦斯流动的流固耦合模型，本文采用COMSOl数值模拟软件，分析了不同初始地应力、初始渗透率以及钻孔直径条件下的瓦斯抽采效果以及抽采有效半径变化情况。研究结果表明：初始地应力、初始渗透率和钻孔直径均会影响瓦斯抽采效果，但其对瓦斯抽采效果的影响程度不同；抽采有效半径对初始渗透率的变化最敏感，钻孔直径次之，对初始地应力的敏感程度最低；在某一钻孔直径范围内，瓦斯抽采效果随钻孔直径的增加变化不明显，而超出此范围后，抽采效果有明显提高，选择合适的钻孔直径对于提高瓦斯抽采效果具有重要作用。     

基于流固耦合的瓦斯抽采有效半径的数值模拟

瓦斯抽采有效半径的准确确定关系到钻孔布置参数的设定、矿井抽采的设计以及矿井的安全生产等诸多方面。本文通过建立流固耦合模型,模拟计算得到不同时间钻孔附近瓦斯压力变化曲线,并总结出瓦斯有效半径的变化趋势;通过参数化扫描对不同抽采负压进行模拟,得到60 d时瓦斯压力分布曲线,发现抽采负压的大小对有效半径的影响有限。通过分析,认为井下钻孔抽采瓦斯存在一定缺陷:钻孔附近由于应力集中,降低了煤层渗透率,不利于提高瓦斯抽采效率。     

不同倾角底板穿层钻孔瓦斯抽采流量衰减规律研究

为了研究钻孔倾角对瓦斯抽采流量演化规律的影响,采用现场试验的方法,根据平煤十二矿底板穿层钻孔布置情况,研究了17种不同倾角下抽采钻孔周围的残余瓦斯压力分布情况,并现场实测了瓦斯抽采流量。研究发现,钻孔抽采流量呈3种演化规律,即负指数衰减、正指数衰减及先增大后呈负指数衰减;此外,靠近两侧倾角较大的钻孔的瓦斯抽采流量较高,而且标高较低的掩护掘进穿层钻孔的瓦斯抽采流量要高于治理下部穿层钻孔的瓦斯抽采纯量。     

基于负压影响因子观点的抽采负压优化

为研究负压在瓦斯抽采过程中的影响,提出了负压影响因子的观点,对其进行了赋值分析,并在赋存条件相同,抽采时间不同的煤层巷道建立若干试验观测点钻孔,通过周期性调整钻孔的负压大小记录其抽采钻孔的瓦斯浓度、流量等值,进行数据分析。研究结果表明,钻孔抽采初期,负压影响系数β较低,高负压抽采对提高抽采浓度和抽采流量意义不大,抽采后期,在煤层透气性系数显著提高时,β值增大,适当提高抽采负压,可大幅度提高钻孔瓦斯流量,提高钻孔抽采的瓦斯浓度,缩短抽采周期。