本煤层固液耦合流体壁式密封技术开发及应用

针对本煤层瓦斯抽采钻孔密封性差、封孔长度不够、钻孔形变较大、钻孔及周围煤体漏风严重等造成抽采瓦斯浓度偏低、衰减速度较快及稳定性差等技术难题,基于"固封液-液封气",受限空间膨胀、渗流力学等理论,进行了钻孔及煤体密封技术的实验模拟与现场验证,研究并开发了固液耦合流体壁式密封新技术及设备。研究表明,采用固液耦合流体壁式密封技术可对抽采钻孔及周围煤体裂隙实施动态密封,最终形成粘液、裂隙及钻孔周围煤体相互耦合的立体封面,有效阻止了因抽采负压增大而导致的巷道空气通过钻孔及周围煤体裂隙向抽采钻孔的漏入,使得瓦斯抽采过程浓度稳定,单孔平均浓度提高4~5倍,显著地提高了本煤层瓦斯的抽采效率。     

径向强力膨胀法封孔提高抽采效果技术研究

通过分析钻孔周围煤体在地应力作用下的变形与裂隙发育规律,结合鹤煤三矿原采用的瓦斯抽采钻孔封孔工艺,发现原采用的瓦斯抽采钻孔封孔工艺存在影响抽采瓦斯体积分数与效果的因素。确定合适的封孔材料需要满足4个主要的性质特征,提出了径向强力膨胀法封孔提高抽采效果技术。使用RFPA3D数值模拟软件研究了孔壁周围煤体裂隙发育范围,据此确定了封孔深度工艺参数,并在鹤煤三矿进行了现场对比试验。结果表明,与原封孔技术相比,应用径向强力膨胀法封孔技术封孔成功率高,抽采瓦斯体积分数和抽采纯量均有大幅度提高。     

基于灰关联分析的顺层钻孔瓦斯抽采有效半径主控因素研究

基于顺层抽采钻孔固气耦合模型,采用COMSOL对钻孔直径、煤层物性参数及抽采参数三类因素进行了模拟分析,并运用灰关联分析方法确定了顺层钻孔瓦斯抽采有效半径的主控因素。研究表明:煤层初始瓦斯压力与煤体初始渗透率为有效半径的主控因素,抽采时间次之,钻孔直径与有效抽采负压的变化对有效半径的影响甚微;提高瓦斯抽采有效半径的首要任务是通过技术手段卸压、增透,其次要把握合理的预抽时间。     

考虑Klinkenberg效应的瓦斯抽采流固耦合模型及其应用

为揭示低渗透性煤层瓦斯抽采渗流机制,在综合考虑Klinkenberg效应、有效应力和解吸收缩对瓦斯渗流及煤体变形影响的基础上,建立描述瓦斯渗流及煤骨架可变形的流固耦合模型。运用该模型,优化某矿29031工作面本煤层顺层钻孔的抽采负压和钻孔间距。结果表明,在抽采钻孔附近,模型考虑Klinkenberg效应比未考虑Klinbenberg效应时瓦斯压力下降更快,距离抽采钻孔越远,Klinkenberg效应的影响越小;在抽采时间一定的前提下,抽采负压对煤层瓦斯压力的下降影响不明显,有效抽采半径与抽采负压之间满足幂函数关系;考虑现场的复杂性和不均衡性,需要增加30%的安全余量,29031工作面本煤层顺层钻孔间距为6 m时,瓦斯压力下降幅度及范围最大,同时可以有效地避免"空白带"和抽采的无效叠加,抽采效果比较理想。     

易失稳瓦斯抽采钻孔加固技术数值模拟研究

针对松软煤层瓦斯抽采钻孔稳定性差、钻孔形变较大、钻孔及周围煤体漏风严重等造成钻孔密封难的技术难题,提出了预先采用加固技术来提高松软煤层瓦斯抽采钻孔的稳定性,合理的解决钻孔高效密封的现实难题。首先,阐述了易失稳瓦斯抽采钻孔加固技术的基本原理。其次,利用FLAC3D模拟软件对比分析了松软煤层、硬质煤层在不同固孔材料固化后钻孔周围位移场变化。研究表明:采取固孔措施后的钻孔相比措施前等值线分布稀疏,梯度较小,不同位置处的煤体的位移量差别较小。钻孔形成后,顶部位移量均大于底部位移量,左右两帮的位移量基本相同,有效的降低钻孔周边煤体的位移变化量,增强钻孔稳定性,为钻孔的高效密封提供了保障。     

基于D-P准则的煤层钻孔封孔深度分析

为了确定合理的煤层钻孔封孔深度,提高瓦斯抽采效果,基于D-P屈服准则,提出关于中间主应力、煤岩剪膨胀的巷道开挖模型,推出钻孔周围煤体应力应变及钻孔封孔深度表达式。结合工程实例,以煤巷掘进工作面平均瓦斯抽采浓度和钻屑量为基础进行封孔深度的验证。研究结果表明:中间主应力、残余黏聚力、内摩擦角和剪胀角对于封孔深度有重要影响;在一定区间内,钻孔封孔深度随中间主应力的增大而增加,超过某个值后会随着中间主应力的增加而减小;剪胀角越大,扩容系数越大,钻孔封孔深度越大;平均瓦斯抽采浓度和钻屑量测试结果验证了封孔深度的准确性。     

基于蠕变变形的顺煤层钻孔筛管封孔技术研究

针对顺煤层抽采钻孔在抽采过程中由于钻孔断面变形缩小导致抽采流量和浓度低下的问题,采用FLAC~(3D)软件构建基于蠕变规律的钻孔煤体形变模型,对比分析常规和预置筛管钻孔周围煤体的蠕变位移和塑形区变化情况;提出预置筛管抽采封孔技术以提高孔壁支护力、改善钻孔抽采断面,并进行工业验证。研究表明:顺层抽采钻孔完孔后,孔壁受环向压力的影响,钻孔周围煤体呈现出向钻孔方向蠕变挤压特性,而且筛管钻孔相较常规钻孔形变量明显变小;现场采用预置筛管抽采封孔技术后,相较常规封孔技术,抽采65天时钻孔抽采量提高191%,抽采浓度提高137%,抽采效率提高显著。     

易自燃煤层顺层抽采钻孔封孔参数优化研究

针对平煤十矿顺层抽采钻孔封孔不佳导致钻孔自然发火问题,用钻屑法试验研究巷道围岩应力分布特征,深入分析钻孔周围存在的漏气情况及导致钻孔自然发火的条件,并利用Comsol Multiphysics软件,数值模拟不同封孔深度与长度下钻孔周围漏风速度的分布状况,得到最优封孔参数,并探讨其对瓦斯抽采效果的影响。结果显示,距巷道0～7 m为破碎区,8～19 m为塑性区,20～28 m为弹性区;巷道周围破碎区、钻孔周围漏气圈、封孔材料漏风及抽采管路漏风为钻孔漏风区域,为钻孔自然发火提供通风供氧条件。研究表明:当封孔深度为17 m,封孔长度为8 m,最大抽采负压低于30 kPa时为最优封孔条件,既能保证抽采效果又能防止钻孔自然发火;封孔参数优化后单孔瓦斯抽采体积分数达到70%。     

花眼护孔管对顺层钻孔瓦斯抽采效果的影响研究

为探究顺层钻孔内花眼护孔管对瓦斯抽采的作用程度,建立基于裂隙-孔隙双重介质的煤岩瓦斯气-固耦合数学模型,分别对顺层钻孔内花眼护孔管不同长度的布置方式进行瓦斯抽采数值模拟;此外,在潘三煤矿11-2煤层开展现场试验,对比分析钻孔内布置与不布置花眼护孔管的实际抽采效果。结果表明:当顺层钻孔全程使用花眼管护孔时,模拟得到的钻孔周围残余瓦斯压力和含量最低;使用花眼护孔管的钻孔周围瓦斯含量明显下降,并且随着抽采时间的增加,花眼护孔管对瓦斯抽采的促进效果更加显著。     

煤矿顺层瓦斯抽采钻孔长度的确定方式

利用煤岩体变形理论以及煤层瓦斯流动,建立了符合鹤煤十矿的顺层钻孔抽采气固耦合模型,并利用Comsol Multiphysics数值仿真软件模拟了瓦斯在煤体内部运移规律,通过对模拟结果和实测结果对比分析,得出该煤层顺层瓦斯抽采钻孔的合理钻孔长度为70m,为以后瓦斯抽采工作提供了重要依据。     

薛湖矿二_2煤顺层钻孔瓦斯抽放的数值模拟与分析

针对我国煤矿绝大部分煤层属于渗透率低,地质条件复杂、瓦斯抽采效果差的特点,运用了FLUENT仿真软件,结合渗流力学理论,以薛湖矿二2煤层为工程背景,模拟顺煤层钻孔抽采的煤层压力、煤层渗透率、抽采负压、钻孔直径、抽采时间等因素,分析顺煤层钻孔瓦斯抽采规律,为类似顺煤层钻孔抽采设计提供科学依据;通过三种尺寸顺层钻孔工业实验,并从施工难易程度和经济效果以及抽放率的角度,确立了采用Φ75mm钻孔的抽放工艺;同时采用高压注水增大煤层透气性的方式进一步提高煤层瓦斯的抽放量。     

基于瓦斯抽采关键封孔参数及新型封孔材料应用研究

针对煤层瓦斯抽采封孔参数选取不合理,传统封孔材料封堵钻孔周边裂隙效果差等主要问题,采用数值模拟、实验室试验及工程实践等多种手段,分析不同封孔方式的漏气效果,研究封孔时效性对瓦斯抽采的影响,完成最优实验配比及性能测试,验证了现场瓦斯抽采效果。结果表明:全封孔方式抽采效果优于半封孔,合理控制封孔时效性,钻孔周边围岩破坏减少,封孔效果提高;正交试验确定材料最优配比即复合早强剂0.3%、复合缓凝剂0.5%、膨胀剂0.03%、水灰比1.2;试样周围充斥着交叉、贯通的“网状结构”钙矾石,且呈现多而密的粗棒状结构;材料具备塑性变形特性,持续变形量大;与矿方原封孔材料相比,新型封孔材料封孔后瓦斯抽采浓度提高193.3%,抽采周期明显延长,抽采效果显著提高。     

西沟煤矿注CO2促抽煤层瓦斯模拟研究

为了提高瓦斯抽采效果,以西沟煤矿5315工作面注气瓦斯抽采方案为工程背景,开展注CO₂促抽煤层瓦斯模拟研究。通过对注CO₂驱替煤层瓦斯机理研究,结合注气瓦斯抽采过程中的气体运移场和煤体变形场的耦合关系,建立了注CO₂促抽瓦斯固气耦合模型;利用COMSOL Multiphysics软件模拟了工作面注气瓦斯抽采,对比分析了注气瓦斯抽采与本煤层顺层钻孔抽采的瓦斯抽采效果,论证了煤层注CO₂促抽煤层瓦斯工艺的可行性与有效性。研究结果表明:在工作面瓦斯抽采90 d后注入CO₂,对瓦斯抽采的促抽效果明显,煤层瓦斯压力降至0.46~0.49 MPa,瓦斯含量降低至4.22 m3/t;在90 d后注入CO₂促抽煤层瓦斯,在瓦斯抽采至第180 d时,抽采效果较钻孔瓦斯抽采明显提高,煤层瓦斯压力降低了7.84%~9.26%,残余瓦斯含量减少了18.63%。通过工程实测可知,5315工作面在注入CO₂促抽煤层瓦斯抽采后的瓦斯压力与瓦斯含量分别降低至0.48 MPa和4.76 m3/t,有效降低了煤与瓦斯突出的危险性。     

钻孔瓦斯抽采气固耦合模型及其应用

为研究钻孔瓦斯抽采过程中瓦斯运移机制,基于瓦斯渗流扩散方程,探讨钻孔周围不同区域煤体变形和渗透率动态变化,推导出钻孔周围卸压区和非卸压区瓦斯流动耦合方程。根据某矿己15-31010工作面煤体物性参数建立几何模型,利用COMSOL Multiphysics有限元分析软件对耦合方程进行数值求解。结合模拟结果分析煤体形变、渗透率动态变化、钻孔周围瓦斯压力之间的耦合关系。对相关参数模拟结果进行现场抽采效果验证。结果表明,在瓦斯抽采过程中,煤体瓦斯压力随着时间推移逐渐降低,沿钻孔中心向四周方向,瓦斯压力在卸压区迅速增加,在非卸压区增速逐渐变缓,最终趋于稳定;煤体渗透率在钻孔周围呈现非对称V字型变化规律;卸压区的煤体变形较大,变形量在远离钻孔的方向上逐渐减小;模拟结果与现场抽采效果基本吻合。     

考虑水渗流作用的顺层抽采模拟及参数优化研究

为研究水渗流作用对顺层钻孔抽采的影响，为抽采工艺参数优化提供理论依据，建立了考虑水渗流场的气水两相流固耦合方程，并利用COMSOL Multiphysics软件对赵庄矿1309工作面顺层钻孔的抽采负压与钻孔间距进行参数优化。研究结果表明:随着抽采时间增加，煤层水压与水相相对渗透率均快速下降后趋于稳定不变，气相相对渗透率先升高后不变，煤层瓦斯压力在抽采过程中逐步降低；抽采负压改变对煤层相对渗透率几乎无影响；在相同预抽时间里，抽采影响半径与抽采负压呈指数函数关系，抽采负压由15 kPa提高到27 kPa，可降低煤层瓦斯压力，有效影响半径扩散明显，超过27 kPa变化不再明显；钻孔间距设置为4.5 m可在预抽期内满足抽采要求且节约施工成本。     

本煤层顺层预抽瓦斯钻孔间距数值模拟研究

煤层瓦斯流动存在启动压力,在预抽钻孔抽采瓦斯的后期瓦斯渗流出现非Darcy渗流的现象,同时煤层瓦斯压力、吸附膨胀应力、有效应力等物性参数亦发生改变。为得到为得到启动压力对抽采的影响作用,基于煤岩弹性理论和瓦斯渗流理论,研究了在启动压力作用下非Darcy渗流现象,得到了考虑启动压力的达西定律,建立了考虑启动压力、地应力、吸附膨胀应力、孔隙压力共同作用的煤岩瓦斯流固耦合数学模型。采用建立的模型对漳村煤矿2601工作面瓦斯抽采钻孔间距进行数值模拟研究,研究结果表明:建立的考虑启动压力的煤岩瓦斯流固耦合数学模型具有一定的可靠性,一定负压下启动压力影响钻孔抽采范围。最终给出了漳村煤矿2601工作面预抽钻孔抽采设计参数。     

本煤层顺层预抽瓦斯钻孔间距数值模拟研究北大核心CSCD

煤层瓦斯流动存在启动压力,在预抽钻孔抽采瓦斯的后期瓦斯渗流出现非Darcy渗流的现象,同时煤层瓦斯压力、吸附膨胀应力、有效应力等物性参数亦发生改变。为得到为得到启动压力对抽采的影响作用,基于煤岩弹性理论和瓦斯渗流理论,研究了在启动压力作用下非Darcy渗流现象,得到了考虑启动压力的达西定律,建立了考虑启动压力、地应力、吸附膨胀应力、孔隙压力共同作用的煤岩瓦斯流固耦合数学模型。采用建立的模型对漳村煤矿2601工作面瓦斯抽采钻孔间距进行数值模拟研究,研究结果表明:建立的考虑启动压力的煤岩瓦斯流固耦合数学模型具有一定的可靠性,一定负压下启动压力影响钻孔抽采范围。最终给出了漳村煤矿2601工作面预抽钻孔抽采设计参数。     

数值模拟结合SF_6示踪法确定煤层钻孔瓦斯抽采有效半径

为准确确定煤层钻孔的瓦斯抽采有效半径,实现最优钻孔设计及最佳抽采效果,根据煤层瓦斯流动理论与煤岩体变形理论,建立钻孔抽采煤层瓦斯的气固耦合数学模型。并利用COMSOLMultiphysics软件,模拟SF6气体在瓦斯渗流场内的运移过程。利用SF6气体示踪法进行现场测试。依据相似定律,结合模拟与实测结果确定钻孔抽采有效半径的范围。以黄陵集团一号煤矿306工作面为例进行试验研究。试验结果表明,模拟结果与实测结果基本吻合;在钻孔直径为94 mm,抽采负压为15 kPa的条件下,预抽30天后,试验工作面抽采有效半径为5.88 m。     

穿层预抽钻孔倾角与煤层气抽采效果关系的研究

为研究穿层钻孔倾角与煤层气抽采效果的关系,基于钻孔围岩应力分布规律及瓦斯流动规律的相关研究,分别从孔卸压效果、钻孔瓦斯流动情况及钻孔抽采长度三方面探讨了钻孔倾角如何影响煤层气抽采效果,并给出了钻孔倾角对煤层气抽采影响的数学模型。经理论分析及现场试验对比,结果表明:钻孔围岩应力和钻孔倾角间存在三角函数关系,围岩应力分布的不同导致钻孔周围煤层透气性的改变;随钻孔倾角的减小,煤层段钻孔长度增加,钻孔暴露煤体增大,有助于煤体瓦斯的解析。且钻孔与煤层割理交集变大,瓦斯流通通道增加;钻孔倾角对煤层气抽采效果有着不可忽视的作用。     

抽采钻孔周围煤层瓦斯压力分布理论分析及应用

在煤层瓦斯抽采工艺中,抽采钻孔周围煤层瓦斯压力分布状况决定了最佳抽采时间和抽采半径。为研究抽采钻孔周围煤层瓦斯压力分布情况,通过理论分析和数值模拟,构建抽采钻孔周围煤层瓦斯流量表达式;应用达西渗流定律,推导出抽采钻孔周围煤层瓦斯压力解析表达式;采用瓦斯抽采半径随抽采时间的变化速率作为确定瓦斯抽采最佳时间的依据,给出临界值,并进行工程应用。结果表明:随着测定点与钻孔中心距离的增加,煤层瓦斯压力逐步上升,最终趋于原始值;随着抽采时间延长,瓦斯压力大致呈指数规律下降;瓦斯抽采半径随抽采时间的变化速率临界值可暂定为0.47。