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。

考虑启动压力梯度的低渗透煤层瓦斯渗流耦合模型及应用

低透气性煤层瓦斯低速渗流时具有非Darcy渗流的特征,为揭示非Darcy渗流现象的渗流机理,开展了包含非Darcy渗流现象的瓦斯渗流与煤岩变形耦合作用规律研究。根据低透气性煤层瓦斯渗流特征,考虑启动压力梯度作用下的非Darcy渗流规律,研究游离瓦斯渗流、吸附瓦斯扩散流动机理和煤岩变形等过程,建立含启动压力梯度的渗流耦合模型,并利用该模型开展本煤层预抽钻孔数值模拟研究,结果表明,考虑启动压力梯度的模拟结果更符合低渗透煤层瓦斯运移规律,依据模拟结果布置井下钻孔,工作面预抽钻孔抽采瓦斯量为1.09 m3/t,抽采效果理想。

近距离煤层群瓦斯异常区域防治

为了实现对近距离煤层群坚硬顶板工作面瓦斯赋存异常区域瓦斯的有效防治,开展了近距离煤层群工作面瓦斯涌出规律研究,考察了坚硬顶板工作面顶板"三带"分布规律,优化了走向高位钻孔参数,建立了近距离煤层群坚硬顶板工作面"本煤层瓦斯抽排+采空区瓦斯抽采+邻近层瓦斯抽采+其他治理瓦斯措施"的瓦斯防治模式。经采用,工作面瓦斯涌出量由15.78 m^(3)/min降至11.1 m^(3)/min,平均值由10 m^(3)/min降至6.5 m3/min,工作面风量由1800 m^(3)/min降至1100 m^(3)/min,瓦斯治理效果明显。

煤与瓦斯的热流固耦合关系研究现状及展望

为揭示煤与瓦斯的热流固交叉耦合关系,采用文献调研和理论分析的方法,探讨了含瓦斯煤应力场、渗流场和温度场的相互作用关系,阐明了各耦合项中蕴含的耦合关系,建立了煤层变形-瓦斯渗流-温度变化耦合作用模式,分析了煤与瓦斯热流固耦合作用的研究进展、存在的问题及后续研究方向,在现有耦合关系基础上增加了应力作用下的瓦斯吸附/解吸特征以及不同地质条件和开采条件下的解吸热效应特征,完善了煤与瓦斯热流固耦合关系。研究结果表明:已有的一些耦合关系存在方程形式不统一、普适性较弱等特点,且尚有一些耦合关系没有建立合适的方程,应力场和渗流场的耦合作用中缺少应力作用下的瓦斯吸附/解吸特征;解吸热源方程和吸附瓦斯量方程的适用条件、准确性及各种形式的方程存在的差异有待进一步研究;温度作用下的煤体物理力学参数变化方程普适性较弱,只能说明特定条件下温度场和应力场的耦合作用;已建立的热流固耦合模型中忽略了表示热能与应变能之间相互转化的耦合关系。对后续研究提出了几点建议:耦合机理研究方面,建议对应力作用下煤层瓦斯的吸附/解吸特征进行研究;建议对特殊的地质构造和开采条件下煤层中不同位置处的解吸热效应、变形能和摩擦热的演化特征等开展现场监测、实验室实验和数值模拟研究工作;建议对温度场、渗流场、应力场之间耦合影响的大小进行研究;在解耦计算方面,应开发大型的国产计算软件。研究成果对于完善煤与瓦斯热流固耦合理论和预防煤与瓦斯突出具有重要的理论和实际意义。

大倾角、碎软低渗首采煤层井下区域化抽采煤层气技术研究及应用

针对大倾角、碎软低渗首采煤层由于煤体破碎、渗透性差、瓦斯赋存高引起的瓦斯防治难度大这一难题,结合大倾角、碎软煤层赋存特性,采用理论分析、数值模拟、设备集成及实验、试验的研究方式,研制出适用于大倾角碎软煤层钻孔施工的专用钻具,并形成相应的成套化设备及钻孔施工工艺技术;形成适合大倾角多煤组等新疆地区煤层赋存条件的钻割一体、分段封孔与增渗、多煤组压裂效果联合检验与评价、抽采钻孔高效封孔提浓及效果评价等成套技术及装备.利用以上研究成果,进行推广应用,取得了重大成效,产生了巨大的实用价值、安全价值和生态价值.

水平应力对顶板跨落角的影响及应用

为得到水平应力对顶板垮落角的影响,进而确定高位抽采钻孔布孔参数,采用理论分析及相似材料模拟实验的方法进行了研究。首先依据基本顶断裂位置围岩结构力学模型,将顶板岩层假设为梁结构,得到单一岩梁在不同水平应力作用下的断裂线位置变化规律。然后将各岩梁的断裂线位置叠加组合,得到水平应力对垮落角发育的影响。为验证理论分析结果,以水平应力值为影响因素设计了三组不同水平应力值条件下的双向加载相似材料模拟实验,得到了不同水平应力值对应的垮落角。研究结果表明:顶板垮落角由各岩梁断裂线位置决定。地基系数较小时,断裂线与地基初始接触位置距离随水平应力的增加表现为先减小后增加,垮落角变化规律同样为先减小后增加,但减小不明显;当地基系数增加时,随水平应力增加,断裂线与地基初始接触位置的距离减小趋势逐渐消除,仅表现为增加趋势,垮落角变化同样表现为增加趋势。现场应用表明,采用双向加载模型得到的垮落角对钻孔布置参数进行优化,优化后钻场抽采浓度及高浓度抽采时间均得到提高。