低渗煤层瓦斯抽采顺层钻孔水力造穴卸压增透效果研究

为了揭示水力造穴参数对钻孔瓦斯抽采效果的影响规律,指导煤层水力造穴增透技术施工参数的合理选择。建立了煤层损伤-应力-渗流耦合模型,分析了不同造穴参数下煤层卸压增透效果,展开了顺层钻孔水力造穴现场工程试验,考察了不同造穴参数下钻孔瓦斯抽采效果,结果表明:采用水力造穴技术形成的孔穴能够有效降低其周围煤体应力,提高煤层渗透率,增加瓦斯钻孔抽采效果;造穴半径越大煤层的卸压程度越大,进而煤层渗透率增幅就越大,但在实际工程中过大的造穴半径会使得孔穴稳定性差,钻孔塌孔堵塞瓦斯涌出通道会使得钻孔瓦斯抽采量有所降低,试验矿井最优造穴半径为0.6 m;造穴间距对它们之间的应力降低区范围有着较大的影响,在一定距离条件下孔穴卸压有着明显的叠加效应,造穴间距越近叠加效应越明显,煤层应力越小,卸压增透效果越好。试验钻孔穴间距由8 m减小到6 m时,单孔平均瓦斯抽采纯量增加389.16%。

煤与瓦斯突出预测的正负靶心灰靶决策模型

为提高煤与瓦斯突出预测的准确性和可靠性,提出利用正负靶心灰靶决策模型进行煤与瓦斯突出危险性评价的方法.根据选取的20组矿井的突出单项指标数据,定义正、负两个靶心并分别计算靶心距,通过目标权重优化模型得到各突出影响因素的权重,依据计算出的综合靶心距大小划分煤与瓦斯突出危险性等级,并利用建立的煤与瓦斯突出预测模型对选取的10组矿井进行突出危险性评价,评价结果与矿井实际情况一致.研究结果表明:利用正负靶心灰靶决策模型进行煤与瓦斯突出危险性评价是可行的.

塔山矿特厚煤层综放面采空区瓦斯治理措施研究

为研究塔山矿采空区不同治理方法效果,解决特厚煤层综放面瓦斯涌出量大及回采期间上隅角异常涌出的问题,采用地面立孔、L型钻孔和高抽巷瓦斯抽采技术治理8204综放面采空区瓦斯。通过对工作面采动覆岩影响规律和地面钻孔、高抽巷位置对瓦斯抽采效果的影响进行模拟,确定不同瓦斯治理方式的合理布置参数。在工作面回采过程中,对瓦斯抽采参数进行现场实测。结果表明,高抽巷平均瓦斯抽采体积分数为37%,明显高于L型钻孔的20%,地面钻孔的2.5%;L型钻孔抽采瓦斯纯量最低,平均为7 m^3/min,而地面钻孔为22 m^3/min,高抽巷为33 m^3/min,都达到治理采空区瓦斯的效果。从施工、投资等因素考虑,得出结论:塔山矿区采用地面立孔和高抽巷治理瓦斯效果最好。

基于多重分形理论的工作面煤与瓦斯突出预测

为对工作面煤与瓦斯突出进行高效准确的预测,采用多重分形理论分析的方法,对瓦斯涌出时间序列进行研究.绘制了分配函数和划分尺度之间的双对数曲线,计算了广义分形维数D_q、奇异指数α、多重分形谱f(α),分析了k_0、?α、?f(α)在不同时间段的变化规律,从不同角度反应瓦斯涌出量的非均匀质特征.研究结果表明:无论是q>0时还是q<0时所有ε区间上的分配函数和划分尺度之间的双对数曲线都是直线,瓦斯涌出量时间序列具有多重分形特征,在较大测度内满足标度不变性.多重分形参数k0、?α、|?f(α)|在一般情况会不断小幅度的变化但都趋于稳定,在快接近煤与瓦斯突出发生时间点时显著大于正常水平.它们之间有很好的相关性,可以共同对煤与瓦斯突出进行预测.

“U+I”型采煤工作面瓦斯抽采与浮煤自燃耦合研究

为了研究"U+I"型工作面进风量和顶板巷抽采负压对工作面瓦斯浓度与采空区氧化带宽度的影响,协调瓦斯抽采和浮煤自燃之间的关系。以2306综放面为工程背景,基于"U"型冒落岩层孔隙率分布公式和流体通用控制方程建立采空区数值模拟解算模型。采用CFD软件对不同进风量、不同抽采负压下的工作面瓦斯浓度和采空区氧化带宽度进行模拟,结果表明:随着工作面风量的增加,工作面和顶板巷瓦斯浓度减小,但工作面处浓度减幅逐渐变小而顶板巷浓度减幅几乎不变;提高顶板巷抽采负压,对减少工作面瓦斯浓度效果明显,顶板巷自身瓦斯浓度先增加再减小,采空区进风侧氧化带宽度变窄,回风侧和采空区中部氧化带宽度增加,总体上增加了采空区浮煤自燃的危险性但影响程度有限。

煤的表面自由能随瓦斯抽采的变化规律

为了提高瓦斯抽采效果,防治煤与瓦斯突出,探讨了煤孔隙内表面的结构特点,从表面自由能的角度揭示了煤-瓦斯之间的界面作用,构建了煤的表面自由能与瓦斯吸附量之间的表达式;利用OCG方法,测定沙曲煤矿煤样的表面自由能在实验室条件下为43.33 m J/m^(2);利用瓦斯抽采流-固-热耦合控制方程,对沙曲煤矿的瓦斯抽采过程进行了数值模拟。研究表明:煤的孔隙内表面处于不均匀的力场之中,煤孔隙内表面相比煤体相内部具有附加的表面自由能,煤孔隙内表面的表面自由能愈大,其吸附能力愈强;煤的表面自由能随瓦斯抽采作业不断增加,且在抽采钻孔附近区域的表面自由能最高;在瓦斯抽采作业之前,通过有效的技术措施降低煤的表面自由能,有利于提高瓦斯抽采效果。

基于流-固-热耦合的CO_(2)-ECBM数值模拟研究

为了分析煤储层特征参数对CO_(2)注入煤层提高煤层气采收率(CO_(2)-ECBM)工程的影响,基于二元气体的非等温竞争吸附和渗流扩散特征,建立CO_(2)-ECBM的流-固-热耦合模型,进行CO_(2)-ECBM工程数值模拟研究,分析初始储层温度、渗透率和压力对煤层渗透率、CH;生产速率和CO_(2)封存速率的影响。结果表明:CH;的生产速率在抽采初始阶段下降迅速,之后随着抽采时间的增加,生产速率减幅越小;CO_(2)封存速率可以被分成3个阶段:初始迅速减小,中期几乎保持稳定,后期缓慢减小;CO_(2)未影响区域,煤层渗透率的变化规律是先略微减小然后不断增加,CO_(2)影响区域,煤层渗透率迅速下降;相同条件下,储层的CH;生产速率和CO_(2)封存速率与初始储层温度成反比,与初始储层渗透率和初始储层压力成正比。

SFLA-Verhulst组合模型预测矿井瓦斯涌出量

针对矿井瓦斯涌出量的时变性、波动性、非线性以及不确定性等特征,提出了SFLA-Verhulst组合预测模型,用于对具有非线性动态特征的瓦斯涌出量进行预测。该模型通过蛙跳算法对Verhulst模型的背景值参数寻优,并引入一次指数平滑法对原始数据进行优化处理,建立了基于混合蛙跳算法的SFLA-Verhulst组合预测模型;结果使模型在原始数据不准确或存在误差干扰的情况下仍能进行精度较高的预测。将新模型应用于某矿瓦斯涌出量预测,并对模型的预测结果进行检验分析,结果表明:该模型在结合蛙跳算法的全局寻优特点后预测精度较传统的GM(1,1)模型有明显的提高,适用性更强。

带式输送机转载点气水喷雾降尘效果试验研究

为解决煤矿转载点处粉尘污染严重的问题,搭建试验平台模拟转载点处粉尘产生与运移全过程,研究转载区域粉尘分布规律;根据转载点区域粉尘分布情况结合理论计算选择合适的气雾喷嘴结构,并通过试验确定最佳供气压力、供水压力、供水流量以及喷嘴的布置位置。试验结果表明:转载区域产生的粉尘以呼吸性粉尘为主,使用口径为1.5 mm可调广角喷嘴降尘效果较好,供水压力为0.55 MPa、供气压力为0.6 MPa、供水流量为0.25 L/min、喷嘴安装位置选择在距尘源点上方0.85 m位置时,降尘效果最佳。根据试验参数设计气水喷雾降尘系统并在综采工作面转载点处进行现场试验,降尘效率可达90%以上。

基于流-固-热耦合的煤层瓦斯抽采数值模拟研究

为了提高煤层瓦斯抽采效果预测的准确性,揭示瓦斯抽采过程中煤层各参数的变化规律,基于煤岩结构和瓦斯煤层内运移特征,结合岩体力学、渗流力学、传热学相关理论,建立了煤层瓦斯抽采的流-固-热耦合模型,进行了单裸竖直钻井瓦斯抽采数值模拟,结果表明:所建模型解算结果与工程实际相吻合,能够满足工程需要;在瓦斯抽采过程中煤层温度、瓦斯压力和产气速率均随着抽采时间的增加而减小,瓦斯抽采活动对煤层温度的变化有着很大影响;由于瓦斯吸附量减少和温度降低引起的煤基质应变降低值大于煤层压力降低引起应变增高值,瓦斯抽采影响范围内煤体渗透率不断增高,但受煤层瓦斯运移、解吸速度的影响,煤体渗透率增高速率不断减缓。

基于模糊结构元多分支水平井瓦斯抽采多因素群评价

为了对多分支水平井瓦斯抽采方案进行综合准确评价,解决以往评价标准单一和各评价因素不相容的问题,建立基于模糊结构元的多分支水平井瓦斯抽采多因素群评价模型。摆脱非此即彼的精确性,应用模糊数学的方法,构建多分支水平井的模糊产能计算公式。选取熵权法与判断矩阵法组合赋权,将专家多年累计的经验与客观数据联系起来,采用模糊评价模型对沙曲矿多分支水平井瓦斯抽采方案进行综合评价。结果表明:多分支水平井的模糊产能计算公式使得计算结果与实际检测结果更加吻合。基于模糊结构元的多因素群评价模型能有效准确排列出不同多分支水平井瓦斯抽采方案的优劣次序,为工程方案的选择提供有力指导。

多分支水平对接井瓦斯产量预测与参数优化

为增强多分支水平对接井对煤层瓦斯(甲烷)治理效果,提高瓦斯抽采率,采用流体力学、渗流力学相关理论构建多分支水平对接井产量预测模型。以沙曲矿工程地质条件为背景,验证模型的有效性,研究多分支水平井井筒单位长度瓦斯流入量分布情况,分析钻井的形态结构对其产量的影响。结果表明:多分支水平井主井瓦斯流入量呈U型分布,交汇点处瓦斯流入量呈下凹趋势,分支井瓦斯流入量随距交汇点的距离增加而增加;在相同进尺和夹角的情况下,非对称结构钻井比对称结构钻井产量高,增加分支井筒数目,钻井产量减小;钻井产量随着主井和分支井的夹角增大而增高,但增幅不断下降。

瓦斯抽采钻孔封孔段注浆密封全过程分析

为了分析瓦斯抽采钻孔封孔段注浆密封过程中封孔材料对钻孔密封性的影响,采集不同矿区水泥基封孔材料,在实验室测试其黏度、膨胀率、析水率、凝结时间及凝固后的强度参数指标,从前期封孔材料注浆到后期固结密封全过程分析各指标对钻孔密封的影响。结果表明:封孔材料前期注浆时浆液黏度是衡量其流动性的关键指标,浆液黏度上升越快,流动性降低越快,封堵钻孔围岩裂隙的难度越大;中期注浆完成后,不同材料表现出膨胀性和析水性,材料的膨胀特性可为钻孔围岩提供支护作用,提高钻孔封孔段异质结构的稳定性和完整性,材料的析水性会造成钻孔壁面与封孔材料分离,漏气通道增加,密封性降低;封孔材料后期凝固后的强度与煤体差异较大形成不稳定异质结构,在应力作用下,不稳定异质结构裂隙发育,密封性降低。

地面压裂井衰竭期井下接替抽采时空衔接关系研究

为了利用地面压裂形成的有利抽采条件进行地面压裂井衰竭期井下钻孔接替抽采,形成“地面压裂井超前治理+井下钻孔接替抽采”的井上下接替抽采模式,开展了地面压裂井衰竭期井下接替抽采的合理时空衔接关系研究。通过地面压裂井压裂裂缝展布规律分析、地面压裂增透促抽效果井下考察及煤储层参数变化规律数值模拟等工作,掌握了潞安矿区地面压裂井的影响作用及有效影响范围,采用数值模拟方法分析确定了井下接替钻孔与地面压裂井的最优空间布置关系;基于地面压裂井排采曲线,并结合衰竭期井下钻孔接替抽采的需求,探讨了地面压裂井衰竭期的定义和划分方法,提出了地面压裂井衰竭期的判别指标及关键时间节点。研究结果表明:潞安矿区地面压裂井的有效影响范围为井周80 m,在该区域内储层压力可以下降50%左右,透气性系数可以增加0.77~1.40倍,井下接替钻孔单孔抽采纯量平均值可达53.68~131.67 m^(3)/d,提升了井下钻孔的抽采效率;当地面压裂井沿钻孔轴向上的位置固定时,则井下接替钻孔与地面压裂井的法向距离越短,抽采效果越好,当地面压裂井与接替钻孔的法向距离不变时,地面压裂井位于接替钻孔轴向中部位置时井下接替钻孔的抽采效果最好;将地面压裂井的产气速率作为衰竭期评判指标,潞安矿区地面压裂井衰竭期的判别指标临界值为产气速率200 m^(3)/d,对应的衰竭期时间节点为8~10 a。

基于力学特性采场裂隙带分布规律研究

以长岭煤矿152106工作面为研究对象,通过Abaqus建立三维数值模型,基于真三轴D-P强度破坏准则,研究采空区顶板上覆岩层位移及应力分布规律,分析得到工作面回采过程中冒落带和裂隙带发育高度。试验表明:顶板上覆岩层下沉量由中部位置向运输巷、回风巷两侧位置逐渐减小,呈现出采空区“O”形圈分布特征;受工作面采动应力的影响,上覆岩层“三带”的水平应力符合“压应力拉应力压应力”的变化规律。通过下沉量及应力分布得到裂隙带分布范围为17.1~21.45 m与17~23.5 m,具有较好的一致性。根据高位钻孔层位模拟结果进行现场试验,结果表明:高位钻孔单孔浓度最高可达60%,工作面上隅角瓦斯浓度降低了25%,该层位下高位钻孔抽采可有效缓解工作面瓦斯超限问题,基于力学特性的数值模拟研究能够科学合理地预测裂隙带高度,为建成长岭煤矿高产高效示范工程奠定基础。

瓦斯抽采钻孔“两堵一注”密封新方法试验研究

钻孔密封是钻孔瓦斯抽采的关键环节之一,直接决定着抽采瓦斯的浓度及效率。为解决高河能源有限公司3号煤层瓦斯抽采浓度低的难题,通过测试膨胀水泥材料物理力学性质,分析其作为封孔材料存在的问题,利用相变凝胶钻孔密封材料,试验研究了膨胀水泥+相变凝胶协同配合条件下的新型"两堵一注"钻孔密封工艺。试验结果表明:与传统水泥基注浆材料相比,利用相变凝胶作为主要注浆密封材料后,单位时间内单孔平均抽采瓦斯浓度及纯量分别提高2倍和1.5倍,且100 d内平均抽采浓度大于50%,具有明显的钻孔提浓效果。

低瓦斯赋存高强度开采煤层驱替促抽技术研究

针对低瓦斯煤层高产高效矿井瓦斯高强度涌出,常规抽采和煤层改性技术瓦斯抽采效果较差的问题,基于煤层瓦斯赋存特性及流动机理研究,提出煤层井下注气驱替促抽技术,并开展现场试验与应用。结果表明:低瓦斯赋存煤层常规抽采条件下,瓦斯抽采纯量低、流量衰减快,注气驱替促抽可快速、高效提升抽采效果;持续性注气促抽较间歇性驱替效果更佳;注气压力越大、注产间距有效影响范围越大,驱替促抽效果越好;试验条件范围内,实际驱替促抽瓦斯量相较于常规抽采预测瓦斯量增幅可达367.5%~487.6%;注气驱替促抽可实现煤层瓦斯含量的快速降低,保障上隅角瓦斯浓度维持低位水平,应用区段内煤层瓦斯含量月平均降低0.402~0.565 m^(3)/t,上隅角瓦斯浓度最大为0.31%。

煤层多分支水平井叶脉仿生瓦斯抽采实验研究

为了提高低渗煤层气采收率,提出多分支水平井叶脉仿生瓦斯抽采技术理念。通过叶片标本扫描和结构测量对4种典型的叶脉结构进行数据提取和分析,并用荧光标记实验研究叶脉结构内部水分运输,提取多分支水平井的叶脉仿生特征。采用自主研发的实验系统进行物理模拟实验,研究多分支水平井的叶脉仿生特征对储层瓦斯渗流–温度场时空演化规律的影响。结果显示:分支井呈非对称分布时抽采效果更好,分支井长度对抽采效果的影响最大。当分支井长度增加50%,瓦斯压力降低28.37%。分支井夹角的增加能显著增强储层瓦斯卸压效果。当间距增加50%,瓦斯压力降低6.81%。煤储层温度变化比压力变化滞后,在抽采前期,瓦斯压力和储层温度的降低与初始瓦斯压力呈正相关,但在抽采后期所受影响较小。

煤层中封存CO2的流-固-热耦合数值模拟研究

为了研究CO2煤层封存过程中注气量和煤层渗透率的变化规律,分析不同煤层特征参数对注气效率的影响,利用岩石力学、渗流力学、传热学相关理论,基于煤体双重孔隙结构特征,建立CO2煤层封存的流-固-热耦合模型,进行CO2煤层封存数值模拟。结果表明:CO2注入煤层的速率遵循着"初始阶段迅速减小,随后基本稳定"的规律,注入速率的大小与煤层初始压力、初始温度成反比,与初始渗透率成正比;在煤层注入CO2的过程中,由于气体压力升高、温度降低引起的收缩应变大于吸附应变,在注气压力增高区内煤体基质系统和裂隙系统的渗透率不断增大,且裂隙渗透率受注气影响更明显。