基于COMSOL Multiphysics的钻孔抽采有效半径影响因素研究

钻孔抽采有效半径是瓦斯抽采设计的基础参数及钻孔布置间距确定的重要依据,其影响因素众多。为理清各影响因素,文章建立了顺层钻孔周围瓦斯流动规律的固气耦合模型,运用COMSOL Multiphysics从煤层赋存参数、抽采参数两个方面对模型进行解算。结果表明:煤体赋存参数中,煤层初始渗透率起主控作用,其次是煤层初始瓦斯压力,煤层埋深通过压实煤体减小煤层渗透率影响抽采有效半径;抽采参数中,在同一煤层,有效预抽期内抽采时间很大程度上控制着抽采有效半径,钻孔直径影响程度相对抽采时间减小,抽采负压影响不明显。     

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。     

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。     

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.     

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。     

煤体钻孔瓦斯有效抽采半径判定技术

为研究瓦斯矿井本煤层准确测定瓦斯有效抽采半径问题,提出了利用吨煤瓦斯抽采量计算钻孔瓦斯有效抽采半径的测定方法.基于瓦斯钻孔衰减负指数规律建立钻孔瓦斯抽采模型,解算出吨煤瓦斯抽采量,并与其煤层原始瓦斯含量对比,得出煤层残存瓦斯含量Wc和抽采率η,以此判断钻孔瓦斯有效抽采半径,只有同时满足{Wc≤8m3/t∩η≥30%},才为钻孔瓦斯有效抽采半径.研究结果表明:随着预抽时间延长,钻孔瓦斯有效抽采半径逐渐增大,直至极限抽采半径.通过工程实践,分析了不同时间的有效抽采半径,为瓦斯矿井抽采工作提供了可靠的抽采参数,具有实际应用价值.     

水力割缝煤体多场耦合响应规律研究

针对水力割缝钻孔周围的扰动裂隙范围以及合理的布孔间距问题,文中建立了水力割缝煤体多场耦合模型。以杨柳矿特定的地质条件为基础,考虑应力场、裂隙场以及渗流场耦合效应,开展了水力割缝钻孔周围瓦斯流场演化数值模拟研究。结果表明:水力割缝钻孔周围存在半径约为2 m的扰动裂隙圈,割缝孔周围瓦斯压力变化曲线存在"陡坡"现象。水力割缝钻孔瓦斯抽采的有效影响半径约为4.6 m,最适布孔间距约为7 m,与现场测试结果相吻合。多孔协同抽采30 d后,钻场控制区域均已消突,抽采效果理想。     

瓦斯抽采终止条件最佳钻孔参数的确定

为得到更加精确的预测瓦斯的抽采时间及钻孔孔距,达到最佳抽采效果,采用大同煤矿集团轩岗5#煤层现场及实验室的数据,基于有限元理论,结合热力学与渗流力学,建立了瓦斯抽采的有限元模型.通过Ansys软件分析,并依据《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》确定了模拟控制条件,分析了钻孔间距与抽采瓦斯达标所需时间的关系,分析结果表明,当布孔间距为2 m时,抽采时间为105 d,满足生产接续要求.     

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     

急倾斜含瓦斯煤层THM多场耦合机理及应用

以揭示急倾斜含瓦斯煤层温度场(Thermal)、渗流场(Hydrological)及应力场(Mechanical)的耦合影响作用为目的,通过借助多物理场数值分析软件(COMSOL),建立急倾斜含瓦斯煤层THM多场耦合数值计算模型,计算得出单孔抽采瓦斯过程中急倾斜煤岩体渗透率、温度及瓦斯压力随时间变化关系,并依托现场瓦斯抽采实践,提出合理的急倾斜煤层瓦斯治理措施与建议。结果表明:单孔抽采过程中随着时间延长,抽采影响范围越大,瓦斯压力逐渐减小;随着瓦斯抽采钻孔深度增加,单孔内部瓦斯压力增大,但压力变化梯度逐渐减小,孔壁温度小于其附近煤体温度;依据单孔瓦斯抽采过程中煤岩体温度、压力及时间的非线性关系,制定了采空区埋管抽采、顶板走向高位钻孔抽采及卸压拦截抽采3种技术方案,工程应用效果显著。     

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。     

软、硬煤残余瓦斯含量差异性研究

针对具有软煤分层的突出煤体,为了更加准确地检验瓦斯抽采效果,必须研究瓦斯抽采后软、硬煤残余瓦斯含量之间的差异性.基于抽采条件下的瓦斯渗流场分析,考虑了煤层中存在软煤条件下对瓦斯流动及煤层的综合影响,通过建立瓦斯流固耦合方程,并结合钻孔抽采瓦斯的初始条件和边界条件,运用多物理场耦合分析软件模拟了抽采条件下软、硬煤的残余瓦斯含量的差异性.数值模拟结果表明:在相同的抽采时间内,软煤的残余瓦斯含量始终高于硬煤,软煤瓦斯含量降到8 m3/t需要180 d,硬煤瓦斯含量降到8 m3/t需要162 d.     

高压水射流割缝揭穿煤层关键参数研究

针对高瓦斯低透气性煤层石门揭煤过程中瓦斯抽采难的现状,提出了高压水射流割缝提高煤层透气性方法。在理论分析射流轴向速度的分布规律基础上,得出射流冲击力与煤体力学性质耦合作用关系;通过分析煤体颗粒运动、受力状态,得出钻孔倾角、水量与煤体颗粒流速之间的关系;基于连续损伤力学分析出煤体产生损伤破坏的临界值,确定了高压水射流割缝煤体有效半径;并将该技术在平顶山某矿-380 mS4〖KG-*6〗石门进行现场试验,试验结果表明钻进工程量减少了38.2%,瓦斯预抽率提高了2.86倍,预抽时间缩短了57.1%,预抽面积增加     

顺层瓦斯抽放钻孔渗流场数值模拟及应用

切实可行的瓦斯抽放方式是预防煤矿瓦斯事故灾害的重要方法之一。为了能准确合理地确定顺层瓦斯抽放钻孔的布置参数,基于煤层瓦斯流动理论,建立钻孔抽放瓦斯渗流场数学模型,运用有限元分析软件COMSOL-Multiphysics,以董家河煤矿22518工作面为例,对工作面顺层钻孔瓦斯抽放过程进行数值模拟,研究抽放钻孔周围瓦斯渗流场分布规律,确定22518工作面顺层瓦斯抽放钻孔的布置方式。结果表明:瓦斯抽放初期,瓦斯抽放量较大,持续时间较长,抽放瓦斯卸压作用使得钻孔周围一定范围内的煤体渗透率显著提高,在钻孔中心位置,瓦斯渗流速度达到最大值,煤体孔隙率随着抽放时间的推移逐渐降低,设计钻孔直径90 mm,抽放负压20 k Pa,钻孔有效抽放半径确定为3~4 m时抽放效果较好。该研究结果对提高瓦斯抽放效率,预防瓦斯事故灾害,保障煤矿安全生产具有重要的指导意义。     

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。     

鹤煤九矿瓦斯抽采钻孔布置数值模拟及应用

钻孔预抽煤层瓦斯是目前治理矿井瓦斯的主要措施。以瓦斯渗流理论为基础,以钻孔抽采周围流场为径向流场,建立了钻孔周围瓦斯流动数学方程;并结合鹤煤九矿3104工作面具体抽采条件,利用COMSOL Multiphysics软件对钻孔预抽煤层瓦斯在不同抽采时间、不同抽采负压和不同钻孔直径下周围瓦斯压力分布进行数值模拟。并将上述模拟结果确定的抽采钻孔布置参数在3104采煤工作面进行煤层瓦斯预抽实践;抽采后经效果检验,残余瓦斯压力、残余瓦斯含量等均与《煤矿瓦斯抽采基本指标》中的相关规定相符合,3104工作面已经消除了煤与瓦斯突出的危险性。     

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。     

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。     

基于抽采瓦斯量测定地面钻孔有效半径研究

为了准确考察保护层开采条件下被保护层地面钻孔有效抽采半径,从而为合理布置地面钻孔提供依据,对现有测定地面钻孔有效半径存在的问题进行了分析。基于瓦斯流动理论和煤层瓦斯抽采量、抽采率等在防治煤与瓦斯突出等瓦斯灾害以及煤层气开发和利用的要求,在保证煤层瓦斯预抽率大于等于30%和煤层瓦斯含量小于等于8 m3/t条件下,提出了基于考察地面钻孔抽采瓦斯量测定地面钻孔有效半径的新方法,接下来应用该方法对地面钻孔有效抽采半径进行了计算。研究结果表明:基于钻孔瓦斯抽采量测试新集一矿北中央采区131105工作面地面1#、2#、3#和4#钻孔有效抽采半径分别为85 m、55 m、75 m和115 m,并验证了示踪技术法测定的地面钻孔有效抽采范围内抽采指标不达标。     

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。