勃利盆地影响瓦斯抽放的地质因素

针对勃利盆地随生产矿井开采深度增加,进入瓦斯事故高发阶段,为治理瓦斯,需采用超前抽放,然而,能否达到预期的效果,受诸多的地质因素影响,因此,有必要开展影响瓦斯抽放地质因素研究;通过影响瓦斯抽放的煤层孔隙性、渗透性、瓦斯压力、围岩储层物性特征和地质构造特征的分析,得出勃利盆地煤层孔隙多以微小孔为主,煤层吸附瓦斯量较多,游离瓦斯较少,瓦斯释放困难;煤层渗透率不高,瓦斯压力较小,瓦斯运移困难,不利于瓦斯抽放;围岩储层瓦斯含量低,渗透率低,瓦斯抽放效果不理想,综合得出勃利盆地的地质条件不利于瓦斯抽放.因面割理走向为NWW向、一组构造节理为NNW向,在现今应力场下表现为张扭性,为治理瓦斯采用超前抽放,在加密布置抽放孔的同时,抽放孔应沿着NE-SW向钻进,才能获得良好的效果.     

影响鸡西盆地煤层气赋存的地质因素

为了掌握鸡西盆地煤层气赋存的影响因素和规律,利用鸡西盆地钻井资料、瓦斯解吸资料、矿井瓦斯涌出量、瓦斯突出事故资料和大量样品测试资料,通过对盆地煤层煤化程度、埋藏深度、储层特征及地质构造分析,得出鸡西盆地内煤层埋藏较深、煤化程度高、生气量较大,煤层储层以微小孔为主、渗透率相对较差、不利于煤层气运移,瓦斯压力接近静水压力、围岩封闭条件较好、节理不发育、故煤层含气量大;构造对煤层气的赋存的影响主要表现在:一级构造单元中的隆起部位不利于煤层气富集,坳陷部位有利于煤层气富集,若坳陷内次级背斜核部缺失穆棱组上部地层含气量小,反之则变大.该成果对鸡西盆地煤层气开发具有一定的参考价值和指导意义.     

低透气性煤层的渗透率试验与瓦斯抽采技术

为揭示渗透率及孔隙率结构对低透气性煤层瓦斯抽采的影响,采用理论分析和试验研究方法,针对集贤煤矿9#煤层西二采区四片工作面瓦斯异常涌出与浓度超限的问题,在对工作面瓦斯的来源和向斜构造对瓦斯赋存的影响分析的基础上,实验室采用自压式三轴渗流测试装置测定了不同方向煤样试件的渗透率,应用低场核磁共振测试系统对孔隙结构分布规律进行研究,采用径向流量法对透气性系数进行测定.研究结果表明:煤层渗透率随瓦斯压力增大而降低,且表现出各向异性特征;煤层孔隙发育程度低,则渗透率降低,瓦斯渗透能力较差,吸附瓦斯含量较大,揭示了渗透率对低透气性煤层瓦斯抽采和抽采率影响较大.研究结论对低透气性煤层卸压增透措施和瓦斯抽采钻孔参数的选择具有理论指导意义.     

煤层钻孔瓦斯抽放数值模拟

为了寻求合理的钻孔抽放参数,采用数值模拟的方法,应用计算流体力学软件fluent6.3建立了钻孔瓦斯抽放流动模型,通过气体渗流理论模拟抽放过程瓦斯流动规律,分析了抽放负压和煤层渗透率对瓦斯抽放效果的影响规律。结果表明:瓦斯抽放有效半径为2 m左右,抽放负压对抽放半径的影响不是很明显;瓦斯抽出量随抽放负压的升高而增加;煤层渗透率对瓦斯抽放量的影响比较大。模拟的抽放影响半径与现场实测结果基本一致。该模型可以对现场瓦斯抽放提供理论指导。     

铁法矿区地面钻孔抽放采空区瓦斯技术及应用

为了解决铁法矿区现有的6 对高突矿井,煤层瓦斯含量大,煤层透气性系数低,瓦斯抽放难度大的问题,传统的瓦斯抽放方法难以满足长壁开采生产的要求.解决低透气性煤层瓦斯抽放问题的根本途径是增加煤层的透气性.采用地面钻孔法抽取采空区瓦斯, 有效利用开采引起的缷压增加透气性.针对铁法矿区的地质条件和生产工艺特点,阐述了地面垂直钻孔法抽取采空区瓦斯的适用条件,钻孔参数的合理优化,地面钻孔抽放效果等.通过地面钻孔抽放瓦斯,不仅解决了低透气性煤层瓦斯抽放困难,高瓦斯涌出量对矿井安全生产造成威胁等难题,而且有效地利用了煤层气资源.     

基于同步运移理论的瓦斯抽采气固耦合数值模拟

以煤层瓦斯扩散渗流同步运移理论为基础,综合考虑瓦斯抽采过程中煤体变形引起的孔隙率、渗透率变化,建立了瓦斯抽采气固耦合动态数学模型。以晋城某矿为例,结合该矿煤层赋存特征,借助Comsol multiphysics软件进行了数值模拟,模拟结果表明在瓦斯抽采过程中有效抽采半径与抽采时间符合幂函数关系;随着煤层埋藏深度增加,上覆应力增大,煤层孔隙率和渗透率降低,是导致瓦斯抽采难度增加的主要原因,为此如何能提高煤层的渗透率和孔隙率是增加瓦斯抽采率的关键;单纯增大抽采负压对提高瓦斯抽采率影响不大。该研究结论为优化瓦斯抽采工艺参数提供了理论依据。     

三轴应力作用下煤渗透率变化规律实验

通过变化的围压扣孔隙压力的作用,进行含瓦斯煤三轴压缩的实验,系统地研究了含瓦斯煤在变形过程中渗透率的变化规律;并根据大量的实验数据,拟合得到含瓦斯煤的渗透率随围压和孔隙压力变化的经验方程.研究结果表明,该经验方程可应用于双层系统煤层变形与煤层气越流耦合模型的数值分析,使邻近层(采空区)孔隙压力分布或瓦斯抽放率的数值模拟更逼近实际观测结果.     

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.     

变温条件下深部煤层瓦斯分布规律的数值模拟

深部煤层瓦斯运移过程及分布规律与温度场、瓦斯渗流场及应力场耦合密切相关.基于深部煤层瓦斯运移的热流固耦合模型,结合实际的煤层条件和实测数据,开展了煤层瓦斯赋存规律的数值模拟,研究了瓦斯压力和瓦斯含量分布规律的影响因素.结果表明:煤层渗透率是影响瓦斯压力分布的主要因素,其中煤体的有效应力系数、初始孔隙率、弹性模量以及吸附应变系数均对渗透率有着重要的影响;煤层瓦斯含量受瓦斯压力和煤层温度的共同影响,不考虑煤层温度预测得到的瓦斯含量结果偏大.     

钻孔抽放瓦斯流固耦合分析及数值模拟

钻孔抽放瓦斯是中国利用和治理煤层瓦斯最主要的方法。随着开采深度的加深,地应力场等因素对瓦斯渗流的影响越来越明显。基于对煤层瓦斯一系列的假设的基础上,考虑了地应力、煤层瓦斯压力变化对煤体骨架产生的变形的影响,推导出了孔隙率、渗透率的表达式。运用多孔介质渗流的基本定理和流固耦合的基本理论得出了瓦斯流固耦合控制方程。运用多物理场耦合分析软件对钻孔抽放下的瓦斯渗流场进行了模拟分析。得到了钻孔抽放条件下瓦斯压力的分布、不同的埋藏深度下以及不同的钻孔参数（抽放负压、钻孔半径）对瓦斯渗流场的影响。分析模拟结果可以对现场     

短孔瓦斯抽放技术的研究应用

为提高埋藏深、低透气性、动力现象显著煤层工作面的瓦斯预抽效果,对工作面瓦斯抽放新技术进行了研究.根据矿山压力分布规律和工作面前方煤体受采动影响卸压后透气性显著提高、煤层压力显著降低的特点,研究了卸压区短孔瓦斯抽放技术,研究结果表明该抽放技术可行、系统可靠,能有效提高超前排放钻孔瓦斯排放效果、显著降低煤与瓦斯突出危险性,这对解决低透气性、高地应力煤层的快速、安全掘进和生产具有实际意义.     

结构异性煤体渗透率特性

 煤渗透率是研究瓦斯渗流特性及运移规律的关键参数, 而煤体结构各向异性导致渗透率具有明显的方向性。利用煤岩瓦斯渗流试验系统, 对不同变质程度煤样试件在面割理和端割理方向上, 进行不同瓦斯压力下的渗透率测试, 并根据等效驱替原理, 建立各向异性煤体渗透率的计算模型, 数值分析了煤体渗流的定向性特征。结果表明:在煤体面割理和端割理方向, 渗透率均随瓦斯压力增大成负指数减小;面割理方向的瓦斯渗透率与端割理方向相差可超过1 个量级, 且煤的变质程度越高, 差别越明显。随瓦斯压力增大, 煤的瓦斯渗流定向性系数峰值增大, 煤层瓦斯渗透定向性增强。在相同瓦斯压力下, 煤的变质程度越低, 煤层瓦斯渗透定向性越弱。     

抽采钻孔损伤机理分析及高效封孔材料研制

为明晰钻孔破裂区漏气的本质原因,考虑煤岩的非均质性及瓦斯渗流作用,采用理论分析和数值计算方法,构建煤层钻孔围岩损伤数学模型,探讨煤层瓦斯抽采钻孔的损伤破裂机理.研究结果表明:提出的数学模型可较好地描述煤岩的损伤破裂;由于煤岩的非均质性,钻孔周边的损伤区域并非均匀分布,渗透率损伤区域呈现类似裂隙发育的形态;孔内支护压力可提高钻孔稳定性,减少钻孔围岩损伤区域,渗透率的损伤情况显著得到抑制.研制一种膨胀型高效封孔材料,与传统水泥材料相比该材料可产生显著的膨胀力.工业试验表明:采用该封孔材料可使得瓦斯抽采浓度提高约10%.研究结论显著改善了瓦斯抽采效果.     

短孔瓦斯抽放技术的研究应用

为提高埋藏深、低透气性、动力现象显著煤层工作面的瓦斯预抽效果，对工作面瓦斯抽放新技术进行了研究。根据矿山压办分布规律和工作面前方煤体受采动影响卸压后透气性显著提高、煤层压力显著降低的特点，研究了卸压区短孔瓦斯抽放技术，研究结果表明该抽放技术可行、系统可靠，能有效提高超前排放钻孔瓦斯排放效果、显著降低煤与瓦斯突出危险性，这对解决低透气性、高地应力煤层的快速、安全掘进和生产具有实际意义。     

声震法提高煤储层渗透率的实验与机理

为了提高低渗透煤层的渗透率,采用自制的可控声震法煤层气渗流实验系统,实验研究了不加声场和加声场作用下煤样的渗透特性。实验研究得出:当轴向应力和孔隙压力一定时,随围压的增大煤样的渗透率减小;当围压和孔隙压力一定时,在煤样应力应变曲线的初始压密和弹性阶段,渗透率随轴向应力增大而减小。在应变硬化阶段,因试件体积膨胀渗透率随轴向应力增大而增大;在相同轴向应力、围压、孔隙压力条件下,声场作用能提高煤样的渗透率,且渗透率随作用时间的增长而增加。研究结果表明:渗透率与平均有效应力呈负指数关系,声震法提高煤储层渗透率的机理主要源于声波的机械振动和热效应,研究成果为低渗透煤层提高煤层气抽采率探索出一条新的技术和方法。     

水力压裂增透技术在煤巷掘进中的应用

针对高瓦斯低透气性突出煤层,若直接采用钻孔抽放瓦斯,则存在抽采效果差、抽放时间长、抽放率不高的问题。为提高低透气性煤层的抽放效率,达到预防瓦斯突出的效果,运用水力压裂增透技术在同华煤矿K1半煤岩巷掘进工作面进行了试验。试验结果表明,采用水力压裂能够增加煤层透气性,提高单孔瓦斯抽采浓度和流量,减少防突施工对掘进工作的影响,提高预抽瓦斯效果,减少掘进面生产期间的安全隐患。使掘进面瓦斯日抽采量增加120%以上、日掘进进度增加80%以上。     

各向异性和非均质性对煤层抽采钻孔瓦斯渗流的影响作用机制

为提高深部煤层瓦斯抽采效率,研究抽采钻孔周围煤体的瓦斯渗流规律十分关键。文中基于煤体的各向异性和非均质性,考虑煤体应力变形场和瓦斯渗流场的交叉耦合作用,分析了煤层抽采中水力割缝钻孔周围瓦斯压力以及渗透率的时空演化规律。结果表明:煤体的各向异性和非均质性影响割缝钻孔周围的瓦斯渗流规律。对于瓦斯压力的变化,平行层理方向瓦斯压力降幅大于垂直层理方向,抽采影响范围分布呈现"椭圆形",煤体各向异性表征明显。对于渗透率的变化,平行层理方向的煤层渗透率高于垂直层理方向,抽采初期渗透率的增加幅度较快,随后逐渐减缓,渗透率变化曲线呈现不规则"锯齿形",煤体非均质性表征明显。将数值模拟结果与杨柳矿4~#钻场瓦斯抽采的实际监测情况相互对比,现场实测的瓦斯抽采情况与模拟得到情况基本吻合,从而验证了数值模拟的合理性及工程适用性。     

多分层煤层渗透率及压裂钻孔位置确定

从煤层在地质历史形成过程中所具有的多分层特点出发，论证了多分层煤层的总渗透率不仅取决于各分层渗透率的大小，还取决于分层厚度在煤层总厚度中所占的比例。进而分析得出，在采用钻孔注水压裂法提高煤层渗透率和增加瓦斯外排量时，注水压裂钻孔的合理布置位置应位于相对渗透率小、厚度相对比较大的分层中。该分析结果对预防煤与瓦斯突出及瓦斯抽放均具有现实的指导意义。     

渭北盆地韩城开发区煤层气储层特征分析

以韩城开发区高煤级煤储层为例,分析了该区煤储层生气地质条件、煤储层物性特征。研究结果表明,本区煤层气赋存条件良好,煤级高,生气能力大,勘探开发潜力大;煤储层物性条件良好,储集性能好;煤层内生裂隙发育,连通性较好,孔隙以微孔占据主导地位,孔径介于1～100nm的占总孔容71.44%～88.15%,孔隙度普遍小于7%;煤比表面积、孔容等孔隙参数表现出强烈的不均匀性;煤储层压力以欠压为主,局部存在高压储层,渗透率分布具有典型的非均质性;煤层吸附能力大,含气量较高。总体上,该区地质和储层特征参数有利于煤层气富集和高产。     

瓦斯抽采钻孔有效影响半径的理论模型及数值分析

基于现场测定瓦斯抽采有效影响半径的工作周期长、工程量大、实施成本高且成功率低的弊端,建立了考虑瓦斯孔隙压力和吸附膨胀应力作用下含瓦斯煤岩体的固-气耦合运移方程,同时提出以临界瓦斯压力pc和临界瓦斯含量wc联合确定有效影响半径的准则,克服了传统单一指标下有效影响半径估计时经常偏大的问题。采用该理论模型可以计算不同预抽期内,煤层瓦斯压力、瓦斯含量和瓦斯预抽率等动态渗流参数的变化,并基于计算结果揭示了瓦斯抽采有效影响半径与预抽时间成正指数函数的关系,可以方便地确定不同预抽期内瓦斯抽采钻孔的有效影响半径,为钻孔参数的合理设计和布置提供了理论参考依据。