煤层瓦斯压力测定的合理封孔注浆压力研究

煤层瓦斯压力测定是煤矿安全生产基础参数测定的重要内容之一,测压成功的关键是封孔技术。当围岩裂隙较发育时需要采用压力注浆封孔,注浆压力就成为封孔的技术关键。为了确定一定围岩岩性条件下的合理封孔注浆压力,采用数值模拟的方法对测压钻孔塑性区大小进行了仿真模拟,并根据浆液渗流规律和钻孔围岩性质之间的关系建立了浆液流动数学模型,得出了合理的注浆压力为4MPa,结合新型“两堵一注”囊袋式封孔装置与CPD8M型煤层瓦斯压力自动测定仪进行了现场应用,结果表明4MPa的注浆压力满足平煤十三矿试验现场围岩条件下的封孔要求,对同类条件下瓦斯压力测定具有一定的指导意义。     

下向测压钻孔封孔技术研究

目前复杂煤层赋存条件下下向钻孔测定煤层瓦斯压力普遍面临钻孔封孔效果不理想、煤层瓦斯压力测定失败、钻孔进水损坏压力表等问题。针对此,提出了一种新的测压封孔技术即联合持续增压二级封孔测压技术,阐述了该工艺的基本原理,配制了新型发泡水泥和封孔粘液,并进行了工业性试验。试验结果表明,应用该项技术能够有效地动态封堵发育中的裂隙从而实现准确快速测压。     

瓦斯气体在煤层中的扩散机理及模式

根据气体在多孔介质中的扩散模式 ,结合煤结构的实际特点 ,分析了瓦斯气体在煤孔隙中的扩散机理 ,得出瓦斯在煤体中几种扩散模式 :菲克型扩散、诺森扩散、过渡型扩散、表面扩散和晶体扩散。从微观上看 ,影响瓦斯气体在煤层中扩散的主要因素是瓦斯气体的平均自由程和煤不同尺寸微孔隙的分布情况。根据不同孔隙分布的煤层 ,探讨了各种扩散模式的适用条件     

胶囊-聚氨酯联合封孔测压技术的研究与应用

基于现有封孔测压技术的分析,提出一种胶囊-聚氨酯联合封孔测压技术。该技术利用弹性封孔胶囊和聚氨酯材料形成两级封堵,强化封孔质量,减少钻孔暴露时间。通过现场对比试验,结果表明,该技术能够快速、有效完成钻孔的封堵,实现快速测压,相对于现有的水泥砂浆封孔测压法,其具有测压准确度高、耗时短、成本低等优点,可较好的满足煤层瓦斯压力测定的需求。     

立井揭煤前测定煤层瓦斯压力的方法与实践

为了解决复杂环境下立井揭煤前煤层瓦斯压力的可靠测定,基于揭煤井筒瓦斯地质特征、煤岩体物理力学性质,应用COMSOL软件模拟揭煤工作面在接近目标煤层时,井筒周围煤岩的地应力分布特征,直观展现了目标煤层中的应力分布结果。模拟结果表明,立井工作面距煤层的垂直距离为7 m时,煤层中会形成一个近似于环形的卸压圈,卸压半径为16 m,因此煤层瓦斯压力测试孔的终孔位置应布置在井筒中心线16 m以外的原始地应力区,以保证测压点瓦斯压力不受揭煤井筒卸压区的影响,令测压结果准确可靠,从而更好地预测煤与瓦斯突出区域的危险性。同时,结合立井揭煤工作面的水文地质特征和井筒严重淋水情况,自主研发并应用了瓦斯测压孔"两堵一注"封孔材料及特定的封孔工艺,进一步保障了封孔质量和瓦斯压力测试结果的可靠性。最后,依据测压结束时测压管内的实际水压情况,对测压结果进行修正,并依据实测瓦斯含量,采用间接法对所测得的瓦斯压力进行验证,实测值在反算得到的瓦斯压力值域内,表明此方法有效可行。     

煤层钻孔密封液径向渗流模型及工程应用

针对顺层瓦斯抽采过程中,因钻孔形变较大、封孔长度不足及封孔方法不合理等因素造成抽采钻孔及其周围煤体漏风严重、抽采瓦斯浓度偏低、流量衰减速度较快及稳定性差等技术难题,基于多孔介质渗流理论、流体平衡理论、"固封液-液封气"钻孔密封技术原理,研究了承压密封液在煤层钻孔内的径向渗流规律,建立了不可压缩流体径向驱气稳定渗流物理模型、密封液径向渗流运动数学方程及相关参数计算公式,进而提出了固液耦合壁式密封顺层瓦斯抽采技术。结果表明,采用固液耦合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,使得瓦斯抽采过程浓度稳定,单孔平均浓度提高4~5倍,平均抽采瓦斯体积分数达到89%以上,显著提高了本煤层瓦斯的抽采效率。     

基于时空分布特征的煤层瓦斯测压准确性研究

为获得真实可靠的现场实测煤层瓦斯压力,实现煤层突出灾害等级科学评价和精准防治,通过理论分析、数值模拟和现场验证相结合的方法,以双重孔隙介质为基础,根据煤层瓦斯流动模型和瓦斯压力恢复曲线,分析煤层瓦斯压力测定的时空分布及准确性,并以桃园煤矿Ⅱ1采区10煤层为例,开展工程验证。研究结果表明:当基质瓦斯压力与裂隙瓦斯压力处于动态平衡时,所测得的煤层瓦斯压力最为准确;所构建的用于COMSOL解算的煤层测压瓦斯流动方程,可实现瓦斯压力时空分布的准确模拟;当煤层实测瓦斯压力恢复曲线与模拟分布特征一致且处于工程预测值范围内,可以判定结果为真实值;现场工程验证了实测瓦斯压力恢复曲线与模拟结果一致,测压结果准确。     

本煤层瓦斯抽采渗流模型及数值模拟

在研究煤层瓦斯抽采时,假定煤岩为具有孔隙裂隙的双重介质,在运动方程、连续性方程和辅助方程基础上,以煤岩体应变为耦合媒介建立了考虑裂隙瓦斯渗流、微孔隙吸附瓦斯解吸扩散和煤岩变形的渗流模型.借助多物理场分析软件COMSOL Multiphysics,将模型转化为偏微分方程组,结合沙曲矿24305工作面瓦斯赋存条件进行分析求解.结果表明,进行煤层瓦斯预抽时,抽采初期瓦斯压力下降较快,抽采孔间距对抽采效果影响比较显著,距离抽采孔越远瓦斯压力下降越慢,抽采时瓦斯渗流速度变化可分3个阶段.参考模拟结果现场布置孔距为6m的顺层钻孔,抽采稳定时瓦斯纯量达5～7 m3/min,抽采效果比较理想.     

岩浆侵蚀区煤层孔隙结构特征及其对瓦斯赋存之影响分析

在煤样煤层瓦斯含量、瓦斯组分和煤的孔容特征的实验测定基础上 ,分析了岩浆岩侵蚀区煤层瓦斯组分特征 ;研讨了孔隙结构特征 ,岩浆岩侵蚀对煤层孔隙瓦斯赋存及涌出的影响规律。这些结果为煤矿井田不同区域开采时 ,选用安全技术措施提供了科学依据     

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。     

煤层倾角对采空区流场及瓦斯分布的影响研究

为获得不同煤层倾角条件下的采空区流场及瓦斯分布变化规律,以平煤六矿22310工作面为原型,通过建立采空区数学物理模型并设置边界条件,数值模拟了工作面采空区气体压力、漏风和瓦斯分布情况,并与该工作面现场实测通风参数对比,对模型可靠性进行验证。在已建立模型的基础上,模拟了煤层倾角分别为5.75°、35.75°、65.75°时的采空区气体压力、漏风和瓦斯分布,对比分析了三种煤层倾角下的采空区流场及瓦斯分布变化规律。结果表明:随着煤层倾角增加,采空区气体压力降低,压力梯度升高;工作面漏风量变化微小,漏风分布规律不变;采空区瓦斯浓度和采空区瓦斯总量降低。     

高压注水中水对瓦斯解吸影响试验研究

为了解高压注水后水对含瓦斯煤中瓦斯解吸的影响,利用自主设计的外液侵入条件下瓦斯解吸试验装置,在环境温度为20℃条件下,分别开展了无水侵入和有水侵入后水对含瓦斯煤中瓦斯解吸影响的对比试验,其瓦斯吸附平衡压力分别为2.5MPa,2.0MPa,1.5MPa,1.0MPa,而环境压力则分别为2.0MPa,1.5MPa,1.0MPa,0.5MPa,瓦斯吸附平衡压力与所处的环境压力之差均为0.5MPa,共进行了四组对比试验,并对试验数据进行了对比分析。结果表明:水的后置侵入不仅会使瓦斯解吸量大大减少,而且还会使瓦斯解吸的终止时间提前。因此,在评价高压注水对提高瓦斯抽采效果时,不仅要考虑高压水对煤层的增透作用以及对瓦斯的驱动作用,还应综合考虑水对瓦斯解吸的损害影响。     

不同机制条件下的煤层瓦斯流动方程研究

气体流动可分为连续流、滑流、过渡流、自由分子流,为研究不同流动机制下的煤层瓦斯流动规律,在充分考虑了不同扩散机制和滑移边界条件后,建立了适用于不同流动机制的煤层瓦斯流动方程,深入分析了视渗透率和达西渗透率的比值随Knudsen数的变化关系。研究结果表明:所提出的煤层瓦斯流动方程能准确描述包括达西流、滑流、自由分子流、过渡流在内的气体流动行为。瓦斯气体在煤层孔隙、裂隙中流动过程中浓度扩散和粘性流同时存在,当Kn<0.01时,粘性流起主导作用,瓦斯流动满足渗流方程;当Kn>10时,浓度扩散起主导作用,瓦斯流动符合扩散方程;在Kn的其他范围内,煤层孔隙裂隙中瓦斯流动以滑流、过渡流为主,在对之进行评价时应同时考虑扩散项和渗流项。研究结果可为揭示煤层瓦斯流动机理、提高煤层瓦斯抽采率和煤层气的产量预测准确度提供新方法和新途径。     

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。     

瓦斯压力测定时间及其受控因素分析

提前掌握瓦斯压力测定所需时间,对准确高效地测定煤层瓦斯压力非常重要。以被动式岩巷测压为例,在初步分析测压钻孔周围煤体初始瓦斯压力分布规律、游离瓦斯与吸附瓦斯的关系、瓦斯流量衰减规律及瓦斯流场平衡条件的基础上,从理论上推导出瓦斯压力测定时间计算公式。将该公式与现场瓦斯压力测定监测数据进行对比分析,并研究瓦斯压力测定时间的影响因素。结果表明,理论分析结果与现场瓦斯压力测定情况基本一致,测压时间的误差仅为6%;改变测压钻孔初始气体压力(主动式测压)是唯一有实用价值的方法。     

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。     

煤层瓦斯压力测定中的钻孔注浆新技术研究

为简化复杂地质条件下测定煤层瓦斯压力的工序并提高高压注浆的成功率和可靠性,以达到准确、快速测量瓦斯压力的效果,基于胶囊注水封孔器的原理和特性及高压注浆的现场情况,提出了一种新型的注浆方法。通过钻孔注浆模型的建立和数值分析、模拟,发现新式注浆工艺可满足10 MPa的注浆压力,能有效封堵钻孔中的裂隙。现场对比实验证明新式注浆方法较传统注浆方法减少了工序,提高了安全性和可操作性,节省时间约35 h。新型注浆方法在复杂地质条件下可提高测压工作整体的效率。     

卸压煤层瓦斯抽采渗透率演化模型研究

为研究井下卸压抽采时瓦斯流动规律,建立煤层渗透率演化模型。为建该模型将煤体简化为有2组相互垂直节理发育的等效连续介质,假定瓦斯在煤体裂隙中的流动符合立方定律,考虑煤基质对吸附性气体的吸附膨胀作用和外荷载对煤的压缩变形作用,不考虑孔隙压力对裂隙张开的影响。从应力条件和孔隙压力2个方面,结合煤样渗透率试验,对该模型进行有效性验证。结果表明,渗透率模型能反映应力和低孔隙压力对煤样渗透率的影响,但不能体现高孔隙压力对煤样损伤导致的渗透率增大作用。     

损失瓦斯量与煤的破坏类型关系研究

损失瓦斯量是准确获取煤层瓦斯含量的基础数据。通过实验室测定和不同损失量计算模型的对比分析,表明采用 传统的t法和幂函数法获取损失瓦斯量时,Ⅱ类、Ⅲ类和Ⅳ类煤符合性较好,误差小于20%,I类煤和Ⅴ类煤的损失瓦斯 量误差为25%~31%;煤中孔隙结构的差异是误差产生的原因,I类煤中原生孔隙占多数,Ⅴ类煤的孔隙受构造影响最大, 其它类型煤的孔隙结构介于I类煤和Ⅴ类煤之间;对于I类煤和Ⅴ类煤,采用表征原生孔隙和构造孔隙双孔隙特征的模型 获得的损失瓦斯量误差低于10%。研究结论对煤层瓦斯含量测定具有重要意义。