煤层瓦斯抽采过程中煤岩变形的物理模拟实验

利用自主研发的多场耦合煤层瓦斯抽采物理模拟实验系统,研究了抽采过程中煤体内不同位置变形演化规律,探讨了抽采位置、地应力和气体压力对抽采过程中煤体变形的影响。结果表明：煤体变形受地应力、抽采位置、时间和煤层气体压力等因素的共同影响,且抽采初期的煤体变形速率较大;煤体σ1方向的变形普遍大于σ2和σ3方向的变形,σ3方向的变形与煤体所受的地应力大小σ3呈正比;由于最先产生变形的煤体引起的泊松效应限制了距离抽采位置较远煤体的变形量,所以距离抽采位置越近,抽采过程中煤体变形速率和最终变形量越大;煤层中的气体压力越大,煤体变形速率越快,在气体压力降低并趋于稳定后,煤体变形达到一个稳定状态。     

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。     

采动条件下顺层低渗透瓦斯抽采数值模拟研究

为了研究煤层在采动条件下,工作面顺层低渗透瓦斯钻孔抽采效果的关键影响因素及煤体瓦斯抽采渗流规律,通过煤层瓦斯渗流控制方程、煤体孔隙率和煤体应力变形控制方程,构建了煤体瓦斯抽采条件下瓦斯流固耦合数学模型;基于多物理场数值分析软件（COMSOLMultiphysics）建立瓦斯抽采数值模型,分析了单孔钻孔距回采工作面不同距离和多孔排布回采工作面不同推进距离下抽采瓦斯压力和消突区域分布。结果表明,抽采钻孔周边瓦斯压力逐渐降低,最终趋于稳定,钻孔距回采工作面越近,瓦斯压力下降速度越快,抽采效率越高,且消突区域随着开采推进距离增大而增大。研究结果为工作面瓦斯抽采钻孔参数的设计优化提供了有益的参考。     

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。     

煤矿区煤层气抽采的多物理场耦合模型及应用

基于考虑煤岩膨胀应力作用的有效应力原理,建立了考虑由瓦斯压力引起的煤基质变形和有效应力耦合效应下的煤储层渗透率动态变化模型,以煤岩变形的应力场方程和煤层瓦斯渗流方程为桥梁,构建了煤层气抽采的多物理场耦合模型。以沁水盆地南部二叠系山西组3#煤层为地质模型进行应用分析,运用Comsol Multiphysics多物理场数值模拟软件,对不同煤层参数及不同工况条件下煤矿区煤层气抽采的孔隙压力场变化规律进行分析,研究发现:煤层气抽采主要受煤层埋藏深度、煤层孔隙度和渗透率影响较为明显,而受抽采负压大小的影响较小。     

基于Klinkenberg效应的水力冲孔有效半径数值解算方法

根据瓦斯渗流场、地应力场与煤体变形场之间的耦合关系,建立了考虑Klinkenberg效应的瓦斯运移气固耦合模型。进行了不同出煤量条件下水力冲孔耦合模型的数值模拟研究,结果表明:水力冲孔有效半径随抽采时间与出煤量的增加而增加;Klinkenberg效应对低透气性煤层中瓦斯的运移起促进作用,随着抽采时间的增加其促进作用愈加显著;煤层瓦斯压力的降低促使煤体骨架受到的有效应力增加,煤体内孔隙被压缩,导致孔隙率与渗透率的降低。     

高位钻孔瓦斯抽采的数值模拟

针对高瓦斯矿井采空区上隅角中瓦斯聚集问题,提出了在回风巷布置高位钻孔,向煤层顶板裂隙带施工钻孔抽采采空区瓦斯的治理方案。基于对煤层瓦斯一系列假设的基础上,引入煤体孔隙变形与透气性变化的耦合作用方程,运用多物理场耦合分析软件对高位钻孔抽放下的采空区裂隙带内瓦斯渗流进行了模拟。得出了抽采过程中模拟区域的瓦斯压力、钻孔瓦斯抽出量和总抽出量的变化,模拟结果可为实际瓦斯抽放工程提供理论指导。     

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。     

钻孔抽采过程中有效抽采半径变化规律数值模拟

根据煤层瓦斯流动方程、煤体变形方程以及孔隙率渗透率变化方程建立钻孔抽采耦合数学模型,通过COMSOL Multiphysics对原始瓦斯压力1.5 MPa和瓦斯压力下降到1 MPa钻孔抽采过程中瓦斯压力变化和渗透率变化规律进行模拟,利用模拟结果得到煤层在瓦斯抽采过程中钻孔有效抽采半径的变化规律。     

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。     

采动条件下煤体渗流特性试验及应用

为准确判断高瓦斯低透气性煤层瓦斯采动卸压抽采的有效区域,进一步提高瓦斯抽采效果,采用渗流试验和理论分析的方法,研究了煤层采动过程中煤体渗透率随应力的变化规律。结果表明:在受采动影响不同阶段,含瓦斯煤体渗透率随应力变化呈现明显的阶段差异性。在煤体弹性变形阶段,煤体渗透率随应力的增加逐步降低;在煤体达到屈服点至煤体破坏阶段,随着应力的升高,煤体发生塑性变形,煤体内产生采动裂隙,渗透率开始缓慢提升;在煤体破坏后,煤体处于卸压状态,煤体渗透率随着应力的降低大幅提升。最后,通过现场本煤层瓦斯抽采效果分析验证了采动煤体渗流特性试验结果的正确性。     

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。     

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。     

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。     

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。     

气—水两相流耦合模型及瓦斯抽采模拟研究

针对目前进行瓦斯抽采模拟时大多忽略煤层含水的问题,建立了考虑气—水两相流的瓦斯抽采流固耦合模型。在瓦斯单相作用的基础上,考虑煤层水渗流及孔隙水压力所产生的影响,推导出相应的应力场方程和渗流场方程,并建立渗透率动态演化模型作为耦合模型,据此分析瓦斯—水运移规律。研究结果表明:考虑气—水两相流,产气速率具有峰值点;若不考虑水的影响,则将高估瓦斯抽采量;距钻孔越远,水对瓦斯运移的抑制作用越明显,且抑制作用大于因煤体自身有效应力减小、渗透率增大所带来的促进作用;煤层初始渗透率对瓦斯抽采具有决定性作用;煤层温度越高,瓦斯压力越不易降低,由温度增高引起的瓦斯解吸效应大于煤层自身的吸附应变效应。     

瓦斯抽采过程中钻孔位置对煤层参数演化影响的试验研究

利用自主研发的“多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统”,开展了煤层非均布应力状态下不同钻孔位置条件的煤层瓦斯抽采物理模拟试验,以探讨抽采过程中的瓦斯流动特性及钻孔位置的影响规律和作用机制。对结果进行分析表明：抽采过程中瓦斯压力降低先快后慢,变化形式符合weibull分布函数,温度变化趋势与瓦斯压力基本一致;与钻孔距离越近,瓦斯压力和温度降低越快,瓦斯压力梯度也越大,相反,瓦斯压力梯度则越小;应力集中区对煤层瓦斯流动有一定的屏障作用,不利于气体流动和抽采效率的提高,而渗透系数较高的卸压区有利于瓦斯气体的流动;对拟合所得的Weibull参数分析发现,钻孔位置对瓦斯抽采效率有明显影响,卸压区抽采时位置参数和尺度参数都相对较小,标示着较大的瓦斯压力降低速度和较好地抽采效果,且抽采量也是最大,因此认为采用单一钻孔时,卸压区抽采是相对优化的方式,研究结果对煤层瓦斯抽采提供了参考。     

碎软煤层条带定向长钻孔水力压裂强化瓦斯抽采技术研究

为解决艾维尔沟矿区碎软突出煤层瓦斯抽采难的问题，阐述了定向长钻孔水力压裂消突机理，建立数值模型研究了水力压裂渗流场和应力场耦合规律及水力压裂效果的影响因素。研究表明：煤层注水压裂过程中，渗流引起煤炭内部有效应力场改变、煤体骨架发生变形，改变了煤体的物理力学性质，又进一步影响了水的渗流过程，渗流场和应力场相互作用、相互影响；注水压裂时间、注水压力、地应力和渗透率对水力压裂效果都有明显影响；煤的浸润过程靠压裂孔中的高压水来支撑，注水压力越高，压裂初期孔隙压力增长速度越快，较长的压裂时间和较高的注水压力有助于提高煤体孔隙压力、降低有效应力；地应力的增大会导致煤体颗粒受到压迫、颗粒间隙变小、煤体渗透率降低，需要提高注水压力才能取得较好增透效果。现场应用过程中，4号煤层采取水力压裂措施抽采109 d后，预抽率达14.4%,残余瓦斯含量下降了5.2%～34.6%,水力压裂影响半径为20～25 m,有效影响半径为18～19 m。     

水力大直径分级造穴卸压效果数值模拟研究

为了提高低透气性煤层瓦斯抽采效果,利用水力大直径分级造穴技术,研究低透气性煤层卸压增透效果。通过对煤体受力平衡方程、瓦斯渗流方程以及耦合方程,分析了煤体中的瓦斯吸附、解吸、渗流过程以及同应力之间的耦合关系。利用COMSOL Multiphysics软件,构建了零透气性边界的抽采、造穴三维计算模型,研究了不同抽采时间和不同造穴半径(0.3 m、0.6 m、0.9 m)条件下的卸压抽采效果。研究结果表明,煤层造穴后随着瓦斯不断抽采,钻孔周围瓦斯压力随之下降,随着抽采时间逐渐增加,瓦斯压力降低区逐渐扩大,卸压范围不断增大。半径0.9 m的造穴孔腔模型瓦斯压力下降速度更为明显,能在更短时间内对煤层进行卸压增透,实现煤层消突。     

地面井预抽瓦斯应力-渗流耦合数值模拟研究

基于弹性力学、渗流力学等理论,建立了地面井预抽瓦斯应力-渗流耦合模型,在此基础上结合工程实例,分析了地应力对瓦斯抽采效果的影响。计算结果表明:在地面井抽采作用下,煤层瓦斯压力不断减小,且地应力越大,瓦斯压力下降速度越慢;随着抽采的持续进行,造成煤体的有效应力增加和渗透率降低,同时由于瓦斯解吸,煤层孔裂隙重新变大和渗透率增加,2种效应共同作用下煤层渗透率总体呈现非线性增加趋势;地应力对地面井抽采效率影响显著,两者呈现负相关关系,即随着地应力的增加,煤层中的基质孔隙率下降和裂隙趋于闭合,造成煤层渗透性下降,最终导致了瓦斯抽采量的下降。