考虑基质瓦斯渗流的煤层流固耦合模型

为更准确反映抽采过程中的煤层瓦斯(甲烷)运移过程,将煤岩视为孔隙-裂隙双重结构、双渗透率非均匀弹性介质,考虑基质瓦斯渗流作用,结合地下水、瓦斯吸附/解吸特性、煤岩变形和渗透率演化等因素的耦合作用,建立考虑基质瓦斯渗流的煤层流固耦合模型;数值模拟地面瓦斯抽采过程,分析煤层瓦斯运移规律和基质渗流作用对瓦斯抽采的影响。研究表明:基质瓦斯和裂隙瓦斯的压力均随时间的增加而降低,两者差值先增大后减小;在模拟工况下,单位时间内基质瓦斯渗流量仅占流入裂隙瓦斯量的0.5%。基质渗流对瓦斯抽采的产能及储层压力有影响;考虑基质瓦斯渗流的双孔隙双渗透率模型预测的产气速率和储层压力下降幅度均小于双孔隙单渗透率模型。     

力热耦合条件下煤岩渗透率模型研究

为研究随采深增加煤岩的渗流变化趋势,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,进行不同温度下孔隙压力改变的渗流试验,建立力热耦合作用下考虑滑脱效应的煤岩渗透率模型,采用试验数据验证模型的有效性。研究结果表明:在孔隙压力增大过程中,瓦斯流量逐渐增加,随温度升高体积应变、径向应变均呈降低趋势,轴向应变呈先降低后升高趋势;随孔隙压力增大,煤岩渗透率先逐渐减小后趋于平缓,且随温度升高,煤岩渗透率呈增大趋势;考虑力热耦合作用下煤岩渗透率模型计算出的渗透率与试验所测结果吻合较好;在低孔隙压力下滑脱效应较明显,随着孔隙压力增大,滑脱效应逐渐减弱。     

煤层渗透率各向异性对钻孔瓦斯抽采的影响

为揭示渗透率各向异性对钻孔瓦斯抽采的影响,假设煤层是一种孔隙-裂隙结构的弹性连续介质,构建各向异性渗透率方程;基于多物理场耦合理论,建立考虑气-水两相流的煤层流固耦合模型,结合试验测得的煤层不同方向上的渗透率,模拟确定煤层瓦斯抽采的合理钻孔间距和钻孔布置方向。结果表明:由于渗透率各向异性,在钻孔附近形成椭圆形的压降区域,该区域向煤层边界扩展,逐渐变为鼓形;在模拟工况下,抽采120天内达标的合理钻孔间距应为2.346~2.598 m;钻孔与最大渗透率方向的夹角越大,瓦斯抽采量越大,钻孔布置方向与煤层最大渗透率方向应保持较大夹角。     

考虑各向异性影响的煤层吸附及渗透机制研究

为探究煤层各向异性渗流机制,分析其吸附特性,建立吸附模型并计算吸附变形量,进而量化吸附作用对渗透率的贡献情况。在此基础上分析煤层各向异性渗流特性,进一步构建应力和滑脱效应耦合作用的各向异性渗透率模型,并通过试验数据验证其适用性。结果表明:煤层瓦斯吸附过程受吸附变形和外应力的影响,且不同方向的瓦斯吸附量存在差异;在孔隙压力增大过程中,各方向瓦斯吸附量曲线先增大后趋于平缓;在有效应力、孔隙压力和滑脱效应的综合作用下,煤层各方向的渗透率均先减小后趋于平缓。考虑应力和滑脱效应耦合作用下煤层各向异性渗透率模型计算曲线与试验值吻合度较高,验证了模型的适用性。     

煤层双重介质模型及瓦斯抽采合理布孔间距研究

为使瓦斯抽采效果在技术、经济方面达到最佳,研究了瓦斯抽采过程中煤层瓦斯的运移规律和钻孔的合理布孔间距。将煤层视为双孔隙双渗透率弹性介质,推导了煤基质、裂隙渗透率演化方程,综合考虑了瓦斯吸附/解吸特性、煤岩变形等因素的影响,建立了煤层双重介质流固耦合模型,并进行了钻孔瓦斯抽采模拟,分析了钻孔间距对瓦斯抽采的影响。结果表明:不同钻孔间距的瓦斯压力随抽采时间的增加先快速下降再趋于平缓,且钻孔间距越小,瓦斯压力下降越快;随着钻孔间距的增大,O点消突时间逐渐增加,与钻孔间距呈二次方关系;现场试验与模拟结果基本吻合,钻孔间距5 m时瓦斯抽采效果最佳。     

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。     

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.     

钻孔间距对水力压裂促抽煤层瓦斯的影响

针对定量确定合理钻孔间距困难问题,基于损伤力学和多场耦合理论,建立了水力压裂和瓦斯抽采的煤层流固耦合模型,包括和水运移场、应力场以及孔隙度、渗透率演化方程,并采用Comsol联合Matlab求解,研究了不同钻孔间距时压裂和抽采过程中煤层弹模、损伤值、渗透率、瓦斯压力、抽采量和压裂贯通时间的变化规律。结果表明:耦合模型可较准确地模拟煤层水力压裂和瓦斯抽采过程;压裂贯通时间与钻孔间距呈指数增长关系;在马堡煤矿,当钻孔间距为4~8 m时,压裂损伤区在抽采孔贯通,渗透率呈“n”型曲线,瓦斯抽采后,瓦斯压力迅速下降,抽采有效区随间距的增加而增大;当钻孔间距为9~12 m时,压裂损伤区未贯通,煤层渗透率呈“m”型曲线,抽采有效区随间距的增加而减小,与间距4~8 m相比,瓦斯抽采量较小。     

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。     

钻孔抽采瓦斯量影响因素分析与工程实践

为了提高钻孔抽采瓦斯量,基于煤层瓦斯流动和层次分析法等理论,研究了钻孔抽采瓦斯量的影响因素及各影响因素重要度,同时现场考察了透气性系数变化对钻孔瓦斯抽采量的影响。结果表明:钻孔抽采瓦斯量影响因素有煤层透气性系数、煤层原始瓦斯压力、煤层厚度、抽采钻孔孔径和抽采时间等,其中煤层透气性系数是对其起决定影响作用的参数;重要度上煤层透气性系数对钻孔瓦斯抽采量的影响是抽采负压和钻孔半径的7.1倍;被保护层的透气性系数增大可大幅度提高了钻孔抽采瓦斯量。     

低透煤层水力压裂促进瓦斯抽采模拟与试验研究

针对低透气性煤层瓦斯抽采难度大、工作量大、效率低等问题,采用水力压裂技术促进煤层瓦斯抽采。在多场耦合和弹性损伤理论基础上,建立煤层损伤-应力-渗流耦合模型,数值模拟马堡煤矿15108工作面水力压裂及瓦斯抽采过程,分析煤层弹性模量、渗透率和瓦斯压力的变化规律,确定压裂和抽采关键参数,并据此开展工程试验,对模拟结果进行验证。结果表明:高能压裂液能使煤层破裂,渗透率急剧升高,加快瓦斯向抽采钻孔运移;随着压裂时间增加,压裂损伤范围逐渐扩大;模拟得出水力压裂10 000 s时,2个压裂孔间的损伤区在抽采孔处贯通,压裂损伤范围达14 m;现场压裂试验后,瓦斯抽采平均和最高纯量分别达到63.79和126.57 m3/d,是未压裂的9.65倍和7.23倍,透气性升高了67倍。     

考虑支撑剂嵌入作用的煤岩渗透率模型

为研究煤层气抽采过程中支撑剂和应力耦合作用下的渗透率演化机制,利用吸附理论建立煤岩吸附变形方程,进一步构建考虑支撑剂和应力影响的渗透率模型,并通过试验数据验证其合理性。结果表明:煤岩吸附量与孔隙压力呈正相关的关系,其吸附变形也具有相同变化趋势;嵌入支撑剂的煤岩渗透率远大于常规储层,其中单层砂的增透效果最佳;随有效应力增大,煤岩渗透率呈指数函数形式减小;随孔隙压力的增大,煤岩渗透率呈先减小后趋于平缓的趋势;利用改进的理论模型拟合曲线,其中实测值与模型计算值基本吻合。     

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。     

蠕变-渗流耦合作用下水力冲孔周围煤体渗透率时空演化规律

为了研究水力冲孔周围煤体瓦斯运移规律,研究了水力冲孔周围煤体的应力、体积应变和孔径变化规律,建立了蠕变-渗流耦合作用下的水力冲孔周围煤体渗透率动态演化模型,揭示了水力冲孔周围煤体渗透率的时空演化规律,阐明了蠕变变形和基质收缩对渗透率的控制作用机理。研究结果表明:水力冲孔措施可以大幅度提高钻孔周围煤体的渗透率,在空间上煤体渗透率随距离呈负幂函数关系迅速降低（K=2×10-16 r -2.4）;在时间上煤体渗透率随抽采时间的延长而逐渐增大,但是增加梯度会逐渐降低;水力冲孔周围煤体渗透率的增加主要受到煤的蠕变变形控制,基质收缩效应虽然有利于渗透率的增加,但对渗透率的贡献远小于煤体的蠕变变形;钻孔由于蠕变变形会产生缩孔现象,很容易堵塞抽采通道,此时即使渗透率大幅度的提高,也很难保证抽采效果,因此迫切需要制定相应的防堵孔措施。     

考虑水分影响的煤层气吸附及渗透机理

为定量分析水分含量和孔隙压力变化对煤层气渗流特征的影响,采用ASAP2020型比表面微孔分析仪进行低温液氮吸附试验,并通过等温吸附装置和三轴伺服渗流装置进行不同含水率条件下的煤岩吸附和渗流试验.在此基础上,建立考虑煤岩水分含量影响的吸附模型和煤层气渗透率模型,采用试验数据验证其合理性.结果 表明:在液氮吸附试验中,当相对压力较小时,煤岩吸附作用主要依靠范德华力;当相对压力较大时,其吸附作用则主要为毛细凝聚.在相对压力变化过程中,氮吸附量随相对压力的增大呈增大趋势,同时在相对压力较小时液氮脱附曲线与吸附曲线重合,且存在显著的吸附滞后现象.当煤岩中水分含量相同时,煤层气吸附量随孔隙压力的增大先增大后趋向于平缓,而当孔隙压力恒定时,煤层气吸附量随水分含量的增大呈减小趋势.在吸附作用的影响下,煤岩表面吸附变形量与煤层气吸附量的变化趋势一致.在水分与吸附作用综合作用下,煤岩渗透率随孔隙压力的增大呈先减小后趋于平缓的趋势.当孔隙压力恒定时,煤岩渗透率随水分含量的增大显著减小.基于吸附理论,建立考虑水分影响的煤岩吸附模型及吸附变形表达式.综合考虑水膜及其分离压的影响,进一步构建考虑煤层气吸附-水分耦合作用的煤岩渗透率模型.模型计算值与试验数据具有一致性,可较好地表征煤岩在不同含水量条件下的渗流规律.     

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。     

孔隙压力对煤岩渗透率影响的试验研究

为探索孔隙压力对煤岩渗透特性的影响和瓦斯运移规律,以贵州六盘水矿区的煤样为研究对象,利用自带能量扩散X射线(EDX)扫描电镜(SEM)、比表面微孔分析仪,分析煤岩的孔隙特征,同时利用自主加工的三轴渗流装置,进行不同压差下孔隙压力变化的渗流试验研究。结果表明,煤岩孔隙特征、氮气吸附量与孔裂隙发育程度成正相关关系,且与孔径的孔连通率有关。压差一定时,随着孔隙压力增加,煤岩渗透率下降,呈指数函数规律;压差小时,煤岩渗透率的减小率随孔隙压力的增大而减小。煤岩渗透率随试件两端压差的增大呈指数函数减小。     

综放采空区瓦斯与煤自燃多场耦合模拟研究

为了分析瓦斯与煤自燃多场耦合致灾特性,结合瓦斯抽采引起的采空区混合气体流动、气体组分渗流与采空区渗透率变化、固气两相热量传输等多物理过程,建立了基于综放采空区高位钻孔瓦斯抽采的热-流-化多场耦合数学模型,采用COMSOL软件模拟了综放采空区高位钻孔抽采瓦斯诱导煤自燃过程,阐明了瓦斯与煤自燃多场耦合致灾机理,得到了寸草塔二矿31102综放采空区氧化带范围与高温范围,并探讨了抽采强度对综放采空区氧浓度场与温度场的影响。研究结果表明:高位钻孔抽采瓦斯有效地降低了回风巷瓦斯浓度,保证了31102综放工作面安全高效回采。增大综放采空区高位钻孔抽采瓦斯强度不能保证煤自燃安全性,二者存在矛盾,在得到高效抽采瓦斯的同时,会造成进风侧氧化带宽度增加,采空区氧化带边界向深处蔓延,扩大煤自燃高温区域,漏风携氧充分的参与煤氧复合反应,采空区最高温度逐渐上升,煤自燃风险增大。     

基于响应曲面法的有效抽采半径多因素交互影响机制研究*

为探究钻孔有效抽采半径的关键影响因素及各因素间交互作用,构建应力应变-瓦斯吸附解吸耦合渗透率变化模型,采用COMSOL软件进行数值模拟,分析单一因素变化对钻孔有效抽采半径的影响,并通过Design-Expert软件设计响应曲面试验,分析多因素交互作用对钻孔有效抽采半径变化的影响机制,获得有效抽采半径对多因素交互影响的响应曲面模型。研究结果表明:不同因素对钻孔有效抽采半径影响的显著性顺序为:煤层初始渗透率、原始瓦斯压力、抽采时间,煤层初始渗透率和抽采时间与有效抽采半径呈正相关关系,原始瓦斯压力与有效抽采半径呈负相关。1个影响因素的变化会影响其他因素对有效抽采半径的影响,煤层初始渗透率能够放大其他因素对有效抽采半径的影响,而原始瓦斯压力则会降低其他因素对有效抽采半径的影响。