顺层钻孔抽采瓦斯有效半径数值模拟与实测研究

为准确地确定顺层钻孔抽采瓦斯的有效半径,结合实际阳泉矿区某矿煤层赋存参数条件,运用FLUENT软件对单个钻孔和多个钻孔抽采下的煤层瓦斯渗流场进行了数值模拟分析。结果表明:该工作面抽采时间60 d的单个钻孔理论瓦斯有效抽采半径为1.73 m;多钻孔抽采条件下相邻钻孔的间距对瓦斯渗流场的影响具有一定的规律;数值模拟结果与实测结果具有较好的一致性。     

新景矿9#煤顺层钻孔瓦斯抽采固-气耦合模型数值模拟

为了探讨顺层瓦斯抽采时的瓦斯渗流运移规律,提高低渗透煤层的抽采效率,运用弹塑力学理论,基于煤体骨架有效应力的变形特性,利用Kozeny-Carman方程进行理论推导,建立了钻孔周围煤体弹性形变与塑性形变的渗透率与孔隙率动态变化模型.结合多孔介质渗流力学理论,建立了钻孔抽采瓦斯渗流固-气耦合模型.针对新景矿9#煤的地质条件,运用COMSOL计算软件,对其耦合模型进行数值计算,得出了布孔间距与单钻孔有效抽采半径之间的关系.模拟结果表明：随着钻孔不断抽采,钻孔瓦斯抽采量初期比较大并能维持一段时间,随后将逐渐减小,最后接近稳定值,同时钻孔有效抽采半径也逐渐变大,但变化的程度越来越小.通过现场实际运用,验证了该模型与关系式的有效性与正确性.     

顺煤层钻孔抽放瓦斯数值模拟与应用

为获取顺煤层钻孔抽放瓦斯的合理参数,依据煤层瓦斯流动理论和质量守恒定律,以顺煤层抽放钻孔周围瓦斯流场为研究对象,建立了钻孔抽放瓦斯流动方程的数学模型. 以新庄孜煤矿5213掘进工作面为例,采用MATLAB对钻孔瓦斯流场进行数值模拟,并与矿井的实际抽放情况进行了比较和分析,得出了适合该矿煤层的瓦斯抽放参数. 抽放参数可以在淮南矿区相近煤层赋存条件下推广应用,以利于矿区高瓦斯矿井的安全生产.     

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。     

厚煤层顺层长钻孔封孔新工艺瓦斯抽采技术

为解决潘三煤矿顺层钻孔封孔不严造成消突效果差和CO超标的问题,结合矿井煤层实际情况,提出了一种新封孔工艺瓦斯抽采技术,此项技术包括选择初凝时间可调、流动性强的速凝膨胀封孔剂,带压封孔以及增加封孔长度等措施。经1762(3)综采工作面现场实践证明,顺层钻孔抽采浓度大幅增加,CO超标现象明显减少,封孔效果良好。     

水射流卸压增渗及抽采瓦斯效果的渗流力学数值解

为提高低渗煤体的瓦斯抽采性能,以重庆天府三矿为研究目标区,采用低温液氮吸附法和压汞法测定了煤层孔隙结构,分析了重庆天府矿区煤体低渗的原因,结果表明,煤体孔隙多为两端开口的平板状、管状孔,孔隙的连通性好,压汞渗透率是原位煤体渗透率的2×105倍,煤体孔隙本身的渗透性较好,煤层低渗为高地应力所致。进行了底板穿层钻孔高压水射流卸压增渗试验,试验表明,卸压后煤层渗透率增加了90倍,抽采率从17%提高到了58%,抽采量增加了4.8倍。建立了瓦斯抽采的渗流力学方程,解算了卸压增渗透前后的不同抽采时间条件下的抽采半径,优化了合理布孔间距、抽采时间,为水射流卸压抽采瓦斯效果评价提供了理论指导。     

顺层瓦斯抽采钻孔封孔工艺优化选择

根据岩石力学、弹塑性力学理论建立了顺层钻孔周围煤体塑性区应力分布数学模型,分析了顺层抽采钻孔施工过程中周围煤体破坏规律及应力分布状态。数值模拟了采用水泥砂浆封孔、聚氨酯封孔、胶囊封堵-压力注浆封孔三种工艺下钻孔周围煤体应力分布规律,三种封孔工艺分别通过改变钻孔支护阻力、钻孔周围煤体物性参数等方式进行模拟。结果表明:胶囊封堵-压力注浆封孔工艺可有效封堵裂隙,加固钻孔周围破碎煤体,对钻孔周围煤体应力分布的控制效果优于现有的封孔工艺,对于顺层瓦斯抽采钻孔封孔工艺有一定的指导意义。     

顶板高抽钻孔抽采瓦斯的应用

为了解决青龙煤矿采空区及邻近煤层瓦斯的涌入而造成的工作面上隅角瓦斯超限的问题,提出了运用顶板走向高位钻孔瓦斯技术,对该矿21604采空区及邻近煤层瓦斯进行抽采,进而解决上隅角瓦斯超限的问题。结合矿井具体情况,得出了合理的高位钻孔参数,为该矿在此煤层开采过程中解决瓦斯超限问题积累了经验,同时也为矿井开采其它相邻煤层治理瓦斯提供参考依据。     

顺煤层深孔施工技术——长顺层抽采钻孔施工工艺

随着矿井开采深度的增加,矿井煤体的瓦斯含量增加,煤体预抽技术越来越重要。工作面顺层抽采钻孔是煤体预抽的重要手段,但推广长壁采煤法后工作面长,顺层孔施工深度也相应变深。作者通过实践摸索出一套煤层长顺层抽采孔的施工工艺,取得了良好的应用效果。     

基于瓦斯渗透异性的煤层抽采钻孔合理布置

基于煤层瓦斯渗透各向异性特征,在九里山煤矿煤层进行了180d井下瓦斯抽采有效影响半径测试,同时,建立煤层瓦斯各向渗透异性的气-固耦合渗流模型,数值模拟了瓦斯抽采有效半径的时变规律,分析了抽采钻孔的合理布置方式。研究结果表明:煤层平行层理方向的渗透率是垂直层理方向的渗透率的2.6倍左右。煤层钻孔不同方向有效抽采半径均随抽采时间增加而增大,且与预抽时间满足幂指数关系,数值模拟结果与井下现场测量一致。有效抽采距离在平行层理方向最大,垂直层理方向最小,有效抽采区域为椭圆形。据此确定了不同预抽时间煤层抽采钻孔的合理间距,并针对九里山煤矿二1煤层计算分析了预抽时间与百米钻孔数的关系。     

煤体采动裂隙场演化与瓦斯渗流耦合数值模拟

对FLAC3D的自带Mohr-Coulomb模型进行了修改,利用VC++6.0编译出Frac.dll。利用现场煤体采动裂隙观测结果作为初始裂隙状态,对采动裂隙扩展、交叉过程进行全程模拟。同时对此过程中的瓦斯流动情况进行研究。通过与现场实测数据对比,模拟结果与实测值不仅在数值上符合较好,而且分布规律和变化趋势也很一致。     

变形场、煤化度和外加电场对甲烷在煤层中渗流的影响

研究了变形场、煤化度和外加电场对煤物质中甲烷气体渗流的影响.结果表明,外加应力(应变)越大,渗透系数越大;当外加应力相同时,煤化程度越高,渗透系数越小;外加电场越强,渗透系数越大.得到地应力和电效应下的一维达西定律修正式.     

具突出危险原煤瓦斯渗流特性试验

采用自主研制的三轴瓦斯渗透仪进行了原煤试件在固定瓦斯压力下,不同围压和轴向压力的瓦斯渗流实验。实验结果表明,随着围压的增加,原煤煤样的渗流速度呈下降趋势,这种影响对原始损伤严重的煤体更加明显,并建立了渗流速度围压二次函数关系的一般表达式。原煤煤样的渗流速度应变关系类似于应力应变关系,因此,可以利用原煤渗流速度的变化间接反映煤体的受力损伤演化过程,有效应力对原煤煤样的渗流速度影响总体上可以分为敏感阶段和平缓阶段,在敏感阶段,煤样的渗流速度变化大,而在平缓阶段,煤样的渗流速度变化小。在不同的应力条件下,煤体中孔隙裂隙发育程度和开闭程度不同,影响煤体内的瓦斯内能和弹性变形能,也影响煤体的破坏形式。     

型煤试件在应力场中的瓦斯渗流特性分析

应用实验室自行研制的瓦斯渗流实验装置,通过保持轴向压力不变而改变围压和保持围压不变而改变轴向压力2种加载方式,对型煤试件的瓦斯渗透特性进行了实验研究.通过对实验结果的分析,认为试件的渗透率与其所受的应力状态有密切的关系,随各种应力的增加渗透率降低,围压对试件渗透率的影响比轴向压力大,试件渗透率与各种应力成负指数关系.根据达西定律,结合实验研究结果,推导出煤层瓦斯渗流方程,该方程能够模拟采场周围煤层瓦斯的渗流,对于利用采动应力场提高瓦斯的抽放效率具有现实指导意义.     

基于ANSYS温度场的煤层瓦斯压力模拟可行性

煤矿采掘施工会破坏瓦斯在煤层中的平衡状态。为研究瓦斯在煤层中的流动规律,采用ANSYS有限元软件对煤层钻孔抽采瓦斯进行数值模拟,研究一定时间内钻孔周围的瓦斯压力分布,以及测点随时间变化的压力变化趋势。结合桃山煤矿42035工作面的实测数据与模拟结果进行对比。结果表明：钻孔周围测点的实测数值与模拟结果基本吻合,说明利用ANSYS温度场进行瓦斯渗流模拟可行。     

低透气性原煤瓦斯渗流各向异性试验研究

为研究低透气性煤层中瓦斯渗流的各向异性,以同一煤岩平行层理方向和垂直层理方向制取煤样,利用自主研制的试验装置进行含瓦斯煤三轴伺服渗流试验。结果发现平行层理煤样的渗透率远大于垂直层理煤样。在峰值破坏前,平行层理煤样随着轴压增加,渗透率在应力屈服点达到最小值,垂直层理煤样在弹性阶段初始时达到最小值;峰值破坏后,两个方向煤样的渗透率均呈非线性增长。     

气烧石灰竖窑内温度场的数值模拟

气烧石灰环型竖窑内气体燃料在石灰石固体颗粒间流动燃烧是典型的多孔介质内燃烧传热问题.本文建立了三维多孔介质模型湍流非预混燃烧数学模型,对某厂日产300 t/d的气烧石灰环型竖窑内的温度场进行了仿真模拟研究.结果表明,不同的窑高对温度场的影响很大,通入煤气量一定的条件下,窑炉越矮,高温区距离出口处越近,出口处平均温度越高,烟气带出的热量越多,热量损失越大.建议该气烧竖窑应改造成16m高料柱的窑体结构,煅烧石灰石使用的高炉煤气总体积流量最佳控制约为14 875m3/h.     

旋风分离器内部流场及分离效率的数值仿真

为了研究旋风分离器内部气体和固体的运动状况与其分离机理,采用FLUENT软件对一旋风分离器内部气相流场和颗粒的运动状况进行三维数值仿真模拟.在仿真过程中,采用RNGk-ε方程来模拟其中的气相湍流流动,采用Lagrange方程模拟颗粒的运动.仿真结果表明,分离器内部的流动空间可分为内、外两个流动区域,在不同的流动区域中,气体压力、速度场的分布有较大的差异;固体颗粒的运动较为复杂,且带有一定的随机性;固体颗粒的分离效率与其进入分离器的具体位置有关.     

地下工程渗流场与应力场耦合的相似材料模拟

针对工程岩体中存在的渗流场与应力场耦合问题,在研制固液耦合实验材料的基础上制作了固液两相相似材料模拟模型,通过地下煤炭开采中渗流场与应力场耦合的相似材料模拟,得到了水在工程破坏岩体中的渗流以及岩体在渗流场作用下的破坏规律,确定了上湾保水采煤工作面的合理推进距离及基岩保护层的厚度。实验得出的结论和现场实践所取得的结论一致,进一步证实了实验的可靠性,这一实验的成功为以后研究渗流场与应力场的耦合开辟了新的途径。