抽采瓦斯过程中煤层温度演化规律的物理模拟试验研究

 煤层瓦斯作为一种非常规天然气,对其进行开发利用具有一举多得的功效,越来越受到各国重视。为了研究煤层瓦斯解吸过程中煤层温度的演化规律,利用自主研发的多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统,开展了不同初始瓦斯压力和不同地应力水平下抽采瓦斯的物理模拟试验。研究结果表明：(1) 煤层瓦斯解吸吸热导致煤层温度下降,且温度和流量具有很好的相关性,都表现出在抽采初期下降较快,后期下降缓慢,其中温度随时间的下降量符合对数函数关系;(2) 距抽采钻孔越近,瓦斯解吸速度及温度下降越快、温度下降量越大,且垂直钻孔方向的温度梯度大于平行钻孔方向的温度梯度;(3) 初始瓦斯压力越大,瓦斯解吸速度及煤层温度下降越快、温度下降量越大,而地应力越大,瓦斯解吸速度及温度下降越慢、温度下降量越小,表明初始瓦斯压力对解吸过程中煤层温度的影响效果较地应力更加显著。     

高瓦斯低透气性煤层不同瓦斯抽采方式的研究

煤层的瓦斯抽采是避免煤矿瓦斯灾害发生的根本防治措施。根据瓦斯解吸理论,提出通过水力割缝及水力冲孔技术,在煤体中人为再造裂隙,增大煤体在空气中的暴露面积,同时形成瓦斯流动通道,达到加快瓦斯解吸,提高瓦斯抽放效果的目的。本文以水力割缝及水力冲孔进行机理分析为基础,根据在阳泉矿区某煤矿回风巷中进行现场实验,对普通钻孔抽放瓦斯、水力冲孔抽放瓦斯以及高压水力割缝抽放瓦斯三种方案进行比较。实验结果表明,相对于高瓦斯矿井中通常采用的普通钻孔抽放瓦斯,水力割缝技术瓦斯抽放量提高了4.11-4.34倍,水力冲孔技术瓦斯抽放量提高了0.46-0.56倍。水力冲孔对提高瓦斯抽放速度作用不明显。     

高压注水煤层力学特性演化数值模拟与试验研究

 为从细观上揭示高压注水过程中煤体裂隙扩展、应力场演化和高压水体在煤体中的渗流规律,利用考虑煤岩介质材料力学性质的非均匀性特点以及煤岩介质变形破裂过程中透气性的非线性变化特性特征并基于煤岩破裂过程固–流耦合动力学模型开发的RFPA2D-Flow软件系统对祁南煤矿721工作面煤层高压注水进行数值模拟,同时进行高压注水现场试验研究。数值模拟结果表明：在高压水挤压作用下,钻孔周围煤体逐渐损伤、破坏,裂隙进一步扩展,渗透能力大大增加,渗透系数最大可以由0.5 m/d增加到1 580.0 m/d,在钻孔附近煤体处平均增加14倍。现场试验结果表明：采取高压注水工艺后,工作面前方煤体卸压带宽度由2.5 m增加到3.5 m,应力集中带向煤体深处推移1.0 m,表明高压注水消突效果比较明显。     

基于瓦斯抽放的顶板冒落规律模拟试验研究

为了给采空区瓦斯抽放高位长钻孔的设计提供依据，采用相似模拟试验与关键层理论分析采空区顶板产生裂隙、断裂、冒落和离层情况及其变化规律。随工作面的推进，关键层的弯曲变形经历从缓慢-剧烈-缓慢-破断的过程：亚关键层的弯曲下沉范围明显小于主关键层。关键层破断后，其下采空区两侧垫层的弹性变形得到恢复，下沉位移出现反弹。关键层的承载作用和岩层力学特性的差异使关键层间顶板的垮落角不同。覆岩关键层的破断使工作面顶板垮落角减小、周期垮落步距和来压强度都增大。依据覆岩关键层的破断形态、顶板的垮落角和周期来压（垮落）步距可以确定瓦斯抽放钻孔的终孔位置和钻场间钻孔的压茬距离，并预测钻孔的抽放瓦斯效果。     

超声热效应促进煤层瓦斯解吸扩散数值模拟

以声场声能转化为热能,提高煤层系统的温度,改善系统的解吸-扩散为基础,将煤样假设为含有大孔隙和微孔隙基质的双重孔隙结构,引入温度对微孔隙扩散系数的影响,提出了利用温度梯度扩散模型建立超声热效应促进煤层瓦斯解吸-扩散的热平衡方程和物质平衡方程,应用Matlab工具实现了声场促进煤层瓦斯解吸扩散的数值模拟。对有无超声作用下,煤层瓦斯解吸-扩散的数值模拟分析得出：超声热效应可以明显地提高煤样的温度,增大微孔隙扩散系数,提高大孔隙游离气的动态百分数,降低微孔隙中吸附气的动态百分数。为超声波促进煤层瓦斯解吸－扩散,     

连续脉冲冲击震动作用下煤层钻孔瓦斯抽采的试验研究

连续脉冲冲击震动可改变煤体中瓦斯的赋存状态,改善煤层的渗透性,提高瓦斯抽采效率。通过实验室模拟含瓦斯煤体,气体释放速度在连续脉冲冲击震动影响时间内提升30%以上。设计了一种适用于煤矿井下操作,瞬时能量可达60 k J能量的连续脉冲冲击震动装置,在已布置了6个"下向"辐射状穿层负压瓦斯抽采试验孔的煤层中进行试验,结果表明:监测的钻孔气体流量及浓度均有提高,实际瓦斯抽采效率提高了约56%,有效影响衰减时间约54 min。     

基于扩散-渗流机理瓦斯抽采三维模拟研究

根据煤体孔裂隙多重介质特性,分析煤体内瓦斯在基质孔隙和裂隙中不同的运移机理,建立瓦斯流动方程;考虑孔隙压力、吸附膨胀效应对渗透率的综合影响,建立渗透率动态方程;以弹性力学为基础,建立煤体变形控制方程;共同构建能够描述瓦斯扩散-渗流运移机理的耦合模型。以真实煤层赋存参数为例,根据理论模型对COMSOL Multiphysics进行二次开发,建立三维瓦斯抽采模型,模拟研究不同抽采时间下的瓦斯压力、抽采有效半径变化规律;利用压降法进行现场实测考察,现场实测结果与模拟结果基本吻合,验证了扩散-渗流耦合模型及三维数值模拟的可靠性,从而为该矿实际瓦斯抽采工作提供安全可靠的理论技术指导。     

砂土基型浅埋煤层保水煤柱稳定性数值模拟

浅埋煤层间歇开采保水采煤的关键是确定工作面的合理推进距离和煤柱尺寸,通过相似材料模拟已得到工作面的合理推进距离,并为实践所证实。以相似材料模拟所得到的工作面推进距离与覆岩裂隙高度关系为依据,建立了数值模拟模型,以计算工作面合理的煤柱尺寸。运用ALGOR有限元程序,模拟了基岩厚度30m以下、土层20m以下的砂土基型和基岩厚度30m以上、土层20m以上的砂土基型2种类型的工程地质条件,通过煤柱上的米赛斯应力分布、上覆岩层的拉应力分布以及顶板的下沉量等模拟结果分析,判断了煤柱和覆岩的稳定性,得出了不同基岩厚度工作面实现保水开采的合理推进距,这对实现陕北砂土基型地质条件下的保水采煤和矿区荒漠化防治具有重要意义。     

煤层瓦斯抽采爆破卸压的钻孔布置优化分析及应用

 为解决重庆地区低透气性松软煤层瓦斯抽采率低的难题,提出煤层底板预裂爆破卸压增透新技术,指出其增透过程分为爆破应力波与爆生气体共同作用形成裂隙贯通区和爆破空腔顶部煤岩体垮落形成卸压带2个阶段。借助数值模拟对不同孔距爆破应力波的动态演变规律进行研究,发现预裂爆破影响范围分为粉碎区和贯通区,其中粉碎区范围约为爆破孔直径的6倍,而贯通区的形成则主要受大直径控制孔反射形成的拉伸波作用,最终得到预裂爆破形成贯穿裂隙且保持与控制孔同高破坏区间的最优孔距为0.9 m,并将该技术应用于重庆–煤矿K4煤层底板巷预抽瓦斯工程。应用结果表明：瓦斯抽采纯量提高2.8倍,瓦斯抽采浓度提高3.75倍,而且在爆破完成20～30 d后瓦斯抽采效果明显提高。     

煤层采动底板破坏规律动态观测研究

煤层采动后顶底板应力状态发生改变,会产生一定范围的变形与破坏,不同煤层采动过程中的底板破坏具有一定的规律.对于受底板水害威胁的煤层,正确确定底板采动破坏深度是精确预测底板阻水能力的首要条件,因此通过实测法获得该破坏深度值及规律是矿井物探研究的一个方向.多年来,我国对煤层底板破坏规律的观测研究方法较多,但受技术条件所限,真正有效适用的技术方法较少.采用震波CT探测技术,结合煤层工作面中孔-巷间形成的探测剖面,进行不同时期震波CT数据采集、反演与资料处理,可获得煤层采动过程中底板破坏的动态发育规律及特征.开采探测实践表明,震波CT技术对底板破坏规律探测具有连续的动态效应,其适用性强,应用效果显著.     

煤/瓦斯突出过程中煤介质局部化破坏的损伤机理

提出了一种煤／ 瓦斯突出过程中煤介质失效破坏局部化的损伤机理的数值分析模型。模型的理论基础是将损伤力学与煤层中瓦斯气迁移的理论通过局部化处理相结合。模型中考虑了气体流动,瓦斯吸附,煤介质的变形及煤层中损伤的发展与传播间的相互影响。该模型被用于有限元分析。通过数值模拟阐述了以局部化损伤模型为基础的煤／ 瓦斯突出机理。     

含瓦斯煤岩固气耦合动态模型与数值模拟研究

首先在多孔介质的有效应力原理中引入瓦斯吸附的膨胀应力,推导出了适用于含瓦斯煤岩的有效应力计算公式。通过分析含瓦斯煤岩的孔隙度和渗透率在不同变形阶段的变化特点,在前人的研究成果基础上,建立了含瓦斯煤岩的孔隙度和渗透率的动态模型。假设含瓦斯煤岩是一种各向同性的弹塑性材料,同时考虑瓦斯吸附的影响,得出了含瓦斯煤岩的应力场方程和渗流场方程,建立了能描述固气耦合情况下煤岩骨架可变形性和瓦斯气体可压缩性的含瓦斯煤岩的固气耦合模型。最后通过给定模型的定解条件和相关参数,利用有限元方法建立了相关的数值计算模型,并得出了含瓦斯煤岩固气耦合模型的数值解。研究成果对进一步充实和完善含瓦斯煤岩固气耦合理论有一定意义。     

有效应力对煤样变形和渗透性的影响研究

 为了研究渗透率随有效应力的变化特征,利用含瓦斯煤热–流–固耦合三轴伺服渗流装置,在外部应力不变、降低进口气体压力,外部应力、进气口压力同步降低2种实验条件下,观测了赵各庄煤矿9号煤层样品的应变和气相(氦气)渗透率,研究有效应力对煤样变形和渗透性的影响。实验结果显示,随着有效应力升高,煤样的收缩应变加剧,有效应力为5.2～6.5 MPa,收缩体积应变与有效应力之间符合线性关系,有效应力大于6.5 MPa或小于5.2 MPa,应力–应变曲线发生偏折,部分煤样出现扩容现象;气体渗流速度随进口气体压力的降低而降低;升高或降低有效应力,煤样渗透率均随着进口气体压力的降低而增大。由此可见研究有效应力变化条件下的渗透率变化特征,应适当考虑气体滑脱效应的影响。     

第三方载荷作用下埋地输气管道动力响应的数值模拟

强夯是导致埋地输气管道第三方破坏的主要载荷形式之一.强夯下埋地输气管道动力响应问题的本质是夯锤-土-埋地管道组成的体系在冲击荷载下的整体动力响应.利用LS-DYNA有限元商业软件,基于非线性动力学基本理论和动态算法,在半无限土介质中,通过对动力参数和接触参数的合理设置,在验证某工程实例的基础上,选取适当的本构关系,从夯击能量的大小、夯锤和管道之间的间距和管道表面复土深度三个方面对强夯冲击荷载作用下埋地输气管道的动力响应问题进行了数值模拟研究,得出了埋地输气管道在夯击荷载下的动力响应规律.结果表明,采用数值模拟方法对研究强夯冲击荷载作用下埋地输气管道的动力响应是可行的,其计算结果对埋地输气管道的风险评估、设计和施工具有一定的参考价值.     

基于非平衡状态的煤层中气体运移规律研究

煤层气开采过程中,由于裂隙与基质渗透率性能差异性较大,导致储层在长时间内都将处于非平衡的动态调整阶段。然而,目前大多数的试验和渗透率模型只考虑某一固定气体压力的影响,这极大地限制了对非平衡状态下储层气体流动的研究。为此,基于储层为双重孔隙介质的概念,考虑开采过程中基质–裂隙不同的孔隙压力、解吸变形和力学作用对裂隙开度演化的影响,提出了一种预测气体在非平衡状态下的渗透率模型,并用现场数据进行了验证。进一步将渗透率模型代入气体流动方程,采用有限元软件分析了岩芯内基质–裂隙的孔隙压力和渗透率随时空的演变规律。研究结果表明：在岩芯解吸过程中,(1)岩芯内裂隙气体压力受扰动范围大于基质气体压力;(2)基质–裂隙气体压力和渗透率沿岩芯长度呈现非线性分布;(3)基质–裂隙渗透率变化趋势相同。     

Comparison of numerical methods for steady-state simulation of gas networks

A comparative analysis between two methods for steady-state simulation of high-pressure gas networks has been made. Computation time has been taken as a criterion for comparison assuming that sensible accurate results are given. Investigations have shown that one of these methods is very much better in all cases considered.     

厚煤层无煤柱切顶成巷碎石帮变形机制及控制技术研究

为解决厚煤层切顶卸压自动成巷碎石帮控制难题,采用力学分析、数值模拟和工程试验相结合的研究方法,对厚煤层切顶成巷碎石帮变形机制和控制技术进行深入研究。通过建立动力学模型,探索成巷过程中矸体冲击的采高效应,明确厚煤层碎石帮变形受力机制和控制重点,进而提出动压防冲、缓压让位和恒压稳控的多层次控制思路。研究表明,采高增大后,空区矸体作用在挡矸结构上的冲击力和冲击能均会增加,从而形成了挡矸结构横向弯曲的启动条件,在顶板下压和侧向挤压作用下产生大变形,造成传统挡矸结构失效;工作面架后6 m范围内为主要冲击区,架设自移式动压防冲结构可将挡矸结构的个体受冲转换为集体承压,有助于耗散冲击能;矸体压实阶段为缓压过程,提出采用抗弯性更强的滑移式让位护帮结构。室内承载试验表明,该结构可保持恒载力实现与围岩协同变形,从而降低损坏率;为进一步提高碎石帮整体稳定性,设计制造波式多阻护帮结构,现场拉拔试验表明该结构性能满足支护要求,滞后工作面越远,固帮效果越显著。现场监测结果表明,新技术下围岩变形得到有效控制,碎石帮变形降低了约72%,挡矸结构损坏率降低了约85%,不仅解决了厚煤层切顶成巷碎石帮难控问题,且经济效益显著。     

大型储煤筒仓进料过程煤尘浓度分布及煤尘爆炸数值模拟

采用Fluent模拟进料过程中仓内煤尘浓度场分布,在此基础上基于OpenFOAM平台开展煤尘爆炸过程数值模拟,以指导大型储煤筒仓安全设施的布置。结果表明：仓内竖向空间越小,煤尘竖向浓度梯度越明显,空间内平均浓度越高,空仓、半仓条件下筒仓竖向几何中心线上煤尘质量分数分别达到30%、40%以上 ; 仓内竖向空间越小,筒仓内最大爆炸温度越高, 但最大爆炸超压越小 , 空仓 、半仓条件下最大爆炸温度分别可达2 000、3 000 K,最大爆炸超压分别为1、0.82 MPa;建议在筒仓顶部及侧壁靠上部位设置煤尘浓度监测及预警装置,并在筒仓顶部设置有效的泄爆装置,以有效防范筒仓爆炸风险、降低筒仓爆炸损失。     

灰坝辐射井排渗系统立体设计方法与数值仿真分析

设置辐射井排渗系统是降低粉煤灰坝坝体浸润线的有效手段,已经在多个工程中应用,效果显著。决定辐射井的排渗效果的关键在于辐射管的布设,特别是在已成工程中设置辐射井时,由于灰面以下地形复杂,辐射管长度、角度均受制于地层情况和库底地形条件,传统的平面设计方法很难充分考虑这些因素,常常会导致辐射管布设不合理、排渗效果不理想。基于三维立体建模技术和布尔运算的灰坝辐射井排渗系统三维立体设计方法能有效地避免以上问题,达到精确设计并指导施工的目的,并可以与渗流仿真分析无缝结合,是进行辐射井设计和验证的先进而有效的手段。结合灰坝辐射井排渗工程实例,提出了辐射井三维立体设计方法,并采用数值仿真分析验证了设计的合理性,证明三维立体设计方法的可行性。     

吸附瓦斯含量对煤与瓦斯突出的影响与能量分析

煤层中高压瓦斯主要以吸附态为主,为了研究吸附瓦斯含量对煤与瓦斯突出的影响,利用吸附性依次增强的氦气、氮气、甲烷和二氧化碳模拟相同气压下吸附瓦斯含量的不同。将0.75 MPa的上述4种气体充入物理力学性质相同的型煤并充分吸附,模拟游离瓦斯含量相同、吸附瓦斯含量不同的煤体,考虑4种不同强度型煤开展16次瞬间揭露试验。试验发生9次持续时间1 s左右的突出现象,对于低强度型煤试验不吸附的氦气也发生突出现象;试验结果表明随吸附气体含量增加,型煤发生突出的风险增大,吸附气体含量越大其突出强度越大。提出吸附气体膨胀能的测定方法,根据突出能量公式计算发生突出的煤体弹性能、吸附及游离气体膨胀能等突出潜能和煤体破碎功、抛出功等突出耗能,突出潜能与突出耗能基本相等验证吸附气体膨胀能测定方法的合理性。能量分析表明参与突出过程的吸附气体膨胀能占总气体膨胀能的7.9%~32.3%,占突出潜能的6.5%~25.6%,且其占比随吸附气体含量增大而增大。研究成果为揭示、量化吸附瓦斯含量在突出中的作用提供参考和依据。