钻孔瓦斯涌出的有限差分模型及数值模拟

为研究抽放钻孔中的瓦斯涌出规律,通过分析煤层瓦斯流动的机理和过程,利用达西定律和连续性方程,建立煤层瓦斯非稳定流动模型;利用有限差分法离散解算区域,建立抽放钻孔瓦斯涌出的有限差分方程组;利用Visual Basic语言编制解算软件,对钻孔瓦斯涌出的过程进行数值模拟.研究结果表明:模拟结果与实测数据的变化趋势基本吻合;所建立的瓦斯流动方程符合实际钻孔瓦斯渗流规律.该研究成果为矿井瓦斯抽采提供理论依据.     

煤岩瓦斯抽放固结数学模型及应用

基于煤岩弹性变形理论和瓦斯渗流理论,建立了煤岩瓦斯抽放的弹性固结数学模型,给出了模型的有限元离散方程,并开发了相应的数值计算程序.利用建立的模型和程序模拟了辽宁某瓦斯抽放井抽放过程,结果表明由于考虑了煤岩应力和变形对瓦斯渗流的影响,瓦斯压和应力分布更符合实际情况,这为煤层瓦斯抽放模拟提供了一个新的手段.但没有考虑煤岩破坏对瓦斯渗流的影响是模型的一个缺陷.     

含瓦斯煤岩流固耦合渗流数值模拟

为研究含瓦斯煤岩体长时效应及变形规律,采用理论推导与数值模拟的方法,利用含瓦斯煤岩变形理论与瓦斯渗流的基本理论,假定煤岩渗透率与体积应变正相关,推导获得体积应变与渗透率理论关系;利用COSOL Multiphysics软件,数值模拟研究了含瓦斯煤岩流固耦合的全过程,得到了含瓦斯煤岩渗流特性.研究结果表明:理论推导的体积应变与渗透率的关系式是合理的;当含瓦斯煤岩处于弹性阶段,煤岩体的渗透率随体积应变的增大而增大.研究结果对煤层瓦斯抽采参数设计具有重要的理论意义.     

本煤层单一顺层瓦斯抽采钻孔的渗流场数值模拟

针对本煤层瓦斯抽采钻孔的合理布置问题,通过建立钻孔抽采瓦斯的渗流场控制方程和煤层变形场控制方程,结合钻孔抽采瓦斯的初始及边界条件,推导出钻孔抽采瓦斯渗流的固气耦合数学模型.以石壕煤矿本煤层单一顺层钻孔瓦斯抽采为工程实例,基于研究区域的煤层瓦斯赋存特征,采用数值模拟计算方法,获得了本煤层单一顺层钻孔周围煤层瓦斯压力、煤层瓦斯渗透率、煤层瓦斯渗流速度和煤层变形的分布规律.确定了本煤层单一顺层钻孔抽采瓦斯的有效影响半径,从而为本煤层单一顺层瓦斯抽采钻孔的优化布置提供了依据.研究结果表明,石壕煤矿本煤层单一顺层钻孔抽采瓦斯的有效半径分别为4 m左右;在延长钻孔抽放时间不到20%的情况下,减少了钻孔工程量50%左右,抽采效果良好.     

全煤厚掘进巷道瓦斯涌出数值模拟

为揭示全煤厚掘进中煤巷瓦斯涌出规律,采用有限体积法对煤巷掘进过程中巷帮瓦斯压力及巷道瓦斯涌出速率进行数值模拟,瓦斯渗流过程控制方程采用C-N隐式时间积分方案离散化.研究结果表明:掘进煤巷巷帮采动应力集中区煤体渗透率减小对巷帮深处瓦斯向巷道方向运移具有明显的抑制作用;掘进煤巷瓦斯涌出主要集中于迎头部位,致使一个掘进循环周期内掘进煤巷瓦斯涌出总速率波动大.     

注热瓦斯抽放数学模型及解法研究

煤层瓦斯抽放既能解决煤矿瓦斯灾害,又能使抽放出的瓦斯用于工业及民用、变废为宝.通过煤层注热技术增加吸附态瓦斯的解吸,增加瓦斯在渗流通道中的运移压力梯度,增大瓦斯抽放量.结合注热瓦斯抽放理论规律,运用瓦斯渗流方程、煤岩体导热方程建立了注热瓦斯抽放的数学模型,对模型中的瓦斯方程进行了线性近似,对瓦斯渗流方程和煤岩导热微分方程的泛函及离散过程进行了详细分析,并列出了注热瓦斯抽放数学模型的数值解算程序框图.     

煤巷掘进过程中煤层瓦斯流动的分析解

通过对煤巷掘进过程中煤层瓦斯流动及涌出规律的研究．提出了煤巷掘进时煤层瓦斯压力分市分析解．以及巷道煤壁瓦斯涌出量的解析式．给出了煤层中瓦斯近于单向流动时的煤巷已掘出长度的计算式。导出的结果是对煤巷掘进长度较短时瓦斯涌出规律研究的补充。     

布尔台矿综采工作面瓦斯分布规律和构成特征

为解决布尔台矿综采工作面瓦斯局部短时超限问题,通过理论分析和现场实测等方法,研究了布尔台矿42101综采工作面煤层瓦斯涌出特征和瓦斯体积分数分布规律,分析了瓦斯的涌出来源和主要构成.结果表明:布尔台矿综采工作面瓦斯涌出量随时间变化呈指数函数降低趋势;综采工作面瓦斯含量85.5%来源于本煤层,卸压邻近层煤层瓦斯涌出量占14.5%.研究结论为综采工作面的安全生产和瓦斯综合治理提供了依据.     

基于初采瓦斯涌出确定上保护层走向卸压角

本文针对保护层开采卸压范围现场考察困难的现状,提出了基于初采瓦斯涌出规律确定上保护层走向卸压角。并结合青东煤矿上保护层开采实践,通过数值模拟分析了工作面初采过程中底板卸压规律;理论计算及现场统计分析了初采期间瓦斯涌出规律,并根据初采瓦斯涌出数据确定了被保护煤层初始卸压时上保护层工作面的推进位置,以此计算了上保护层走向卸压角。通过现场合理布点,测试了上保护层工作面回采过程中被保护煤层瓦斯压力动态变化规律,同时测试了走向卸压边界区域瓦斯压力及含量的分布规律,根据实测结果确定了走向卸压角。对比分析可知,基于初采瓦斯涌出确定的上保护层走向卸压角与现场实测结果相吻合,验证了该方法的准确性。     

半无限大煤体瓦斯涌出时温度分布规律的研究

温度变化对瓦斯解吸和涌出的影响非常复杂,根据已有的开采煤层中瓦斯渗流运动特征及瓦斯流动传热理论的文献资料,建立起开采煤层瓦斯涌出时煤体温度分布的数学模型,得出半无限大煤体瓦斯涌出时温度分布规律,为进一步讨论瓦斯解吸及涌出与煤体摩擦产热而引起煤体内部温度的变化打下基础。     

远距离下保护层开采保护范围扩界研究

基于张集煤矿1311(1)工作面远距离下保护层开采,利用数值模拟试验对比相似材料模拟试验,分析得出被保护层在保护层法向投影至理论卸压角范围内为扩界区,理论卸压角范围内为充分卸压区。为直观、准确地考察扩界保护范围,在被保护层施工煤巷,分别考察了扩界区域煤层膨胀变形率、巷高变形率、瓦斯自然排放量和透气性系数。研究结果表明张集煤矿11-2煤层的卸压角可由锐角扩大为90°,实现了被保护层工作面等长等宽布置。     

大倾角煤层回采巷道断面适应性

基于大倾角煤层回采巷道围岩应力显现规律,采用数值分析方法对不同类型断面巷道的围岩塑性区及应力非对称分布特征进行研究,并建立异形断面巷道围岩破坏力学模型,确定其合理的支护方式.结果表明,大倾角煤层回采巷道围岩塑性区沿煤层倾斜方向演化,顶底板破坏深度大于两帮,且两帮破坏程度差异大;巷道断面形状不同,导致巷道围岩应力集中程度、塑性区及变形量等有很大差异;拱形巷道围岩变形适应性好,异形巷道两侧的顶角煤易发生剪切破坏,但考虑回采巷道掘进、设备运行及服务年限等需求,常用异形巷道;采用"锚网+钢带+锚索"的支护形式,加强异形巷道顶板帮及坡顶煤的支护,满足支护阻力大于F1和F2,可明显减少巷道围岩变形,保持巷道的稳定性.     

深部矿井倾斜煤层采空区下回采巷道布置的数值模拟

为减少深部矿井倾斜煤层采空区下回采巷道的变形量和卧底量,降低回采巷道的返修率,以某矿为例,分析采空区下布置回采巷道的矿压显现规律及回采巷道位置参数,并采用FLAC^3D快速拉格朗日差分分析法进行数值模拟计算。结果表明：两层煤联合开采的下层位煤层回采巷道,应布置在上层位煤层已经稳定的采空区下;回采巷道与上层位煤体边缘之间的水平距离可通过取其在下层位煤层应力降低区域与下层位煤层小变形区域的取值范围的交集获得。该研究为采空区下回采巷道的位置选择提供了可靠的理论依据。     

浅埋综采工作面区段煤柱宽度优化

以龙华煤矿3-1煤30203工作面为工程背景,采用现场实测,理论分析和数值模拟的方法进行了区段煤柱宽度优化研究。建立了三维有限差分模型,分析了不同煤柱宽度时煤柱的弹性区宽度,煤柱支承应力分布规律以及巷道围岩变形特征。完成了煤柱松动区数字钻孔成像和煤柱受力特性现场实测方案设计并开展了实测分析,得出了顺槽煤柱松动区范围和塑性区宽度。实测结果表明20 m的区段煤柱宽度有优化的空间。综合分析数值模拟和理论分析的结果,建议龙华煤矿3-1煤综采工作面区段煤柱合理宽度为15 m。最后进行现场工业性试验验证了理论分析和数值模拟的合理性。该研究结果可以提高煤层回采率,增加经济效益,可为类似开采条件下区段煤柱的留设提供参考。     

倾斜煤层采动影响下的挤压变形区移动变形特征分析

以重庆南桐矿区为工程背景,通过三维数值模拟方法,对倾斜煤层在三种不同开采宽度工况下上覆岩层移动挤压变形区特征进行了研究。结果表明:采宽由80 m增加到160 m时,煤层与岩层交接处应力变化较小,挤压变形区地表下沉速度较为缓慢;采宽由160 m增加到240 m时,煤层与岩层交接处应力变化非常显著,挤压变形区地表产生明显下沉;不同的开采工况下,挤压变形区沉陷位移都会出现一个峰值,且位于开采区下山方向,挤压变形区沉陷值受水平应力影响较小,走向和倾向方向的沉陷值以该峰值曲线呈中心对称。     

含瓦斯煤岩破裂过程固气耦合数值模拟

根据瓦斯渗流与煤体变形的基本理论,并引入煤体变形过程中细观单元损伤与透气性演化的耦合作用方程,建立了含瓦斯煤岩破裂过程固气耦合作用模型·应用该模型模拟研究了煤矿开采诱发的煤与瓦斯突出过程、突出前后煤体中瓦斯压力的变化规律以及采动影响下瓦斯抽放过程中煤层透气性的演化和抽放孔周围瓦斯压力的变化规律,这对于进一步深入理解煤与瓦斯突出机理、瓦斯抽放作用机制等并采取相应的预防和控制措施等具有重要的理论和实践意义·     

南庄煤矿综放工作面初采瓦斯涌出异常治理研究

南庄煤矿15#煤层采用综放开采,综放工作面在初期开采过程中,由于受上覆临近煤岩层瓦斯涌出以及综放面初采不放煤的影响,导致工作面初采期间瓦斯涌出异常。经过不断研究和探索,南庄煤矿采用初采高抽巷和钻孔抽放两类三种治理方式,经8816和8818等工作面应用,有效治理了工作面初采期间的瓦斯涌出异常,取得了良好的效果。     

两进一回通风系统邻近层瓦斯运移规律研究

以回采工作面"U+L"两进一回通风系统为研究对象,分析了回采工作面邻近层瓦斯涌出及流动特点。依据瓦斯渗流理论、能量方程和质量守恒定律,建立了采空区瓦斯运移的数学模型,即采空区气体流动方程和瓦斯在采场中的动力弥散方程。运用FLUENT软件对沙曲矿14205工作面"U+L"两进一回通风系统下采空区瓦斯运移过程进行了数值模拟,得出采空区内沿工作面推进方向、垂直方向和宽度方向上的采空区瓦斯浓度分布及变化规律,进而总结出回采工作面邻近层瓦斯运移规律和采空区内高浓度瓦斯聚集区域。为采煤工作面防止瓦斯积聚及选择合理瓦斯抽放点提供了必要的技术支撑。     

极软厚煤层综采面超前支撑压力的分布规律

针对极软厚煤层围岩控制问题,以河南神火集团梁北矿11151工作面煤层赋存条件为依据.采用Flac 5.0数值计算软件模拟分析了煤层采高和煤体强度对工作面超前支撑压力和围岩变形的影响规律,现场实测了梁北矿11151极软厚煤层大采高工作面超前支撑压力的分布规律,实测与数值计算结果相吻合.研究表明:在极软厚煤层大采高开采条件下,工作面围岩变形严重,煤壁破裂区和塑性区显著增大,影响范围和应力值增大,在工作面安全生产过程中应加强对煤壁片帮的控制,加大工作面超前支护范围.     

基于多元回归分析的瓦斯灾害预测

为了解决瓦斯灾害给煤矿带来的安全生产问题。以多元线性回归方法为基础,通过对铁法大刑矿4_(-2)煤层含煤岩系的沉积环境,岩性组合特征,煤层顶、底板岩性及其隔气、透气性能、煤的变质程度、区域地质构造、水文地质条件、火成岩的侵入与覆盖作用、以及煤层埋藏深度影响因素进行分析,对未采区煤层瓦斯涌出量进行预测。研究结果表明,矿井开采煤层瓦斯突出危险区域主要为煤层瓦斯含量较大的地质构造与火成岩体破坏相组合的块段。该成果对大兴矿的安全生产具有重要的现实意义。