煤层瓦斯抽采过程中煤岩变形的物理模拟实验

利用自主研发的多场耦合煤层瓦斯抽采物理模拟实验系统,研究了抽采过程中煤体内不同位置变形演化规律,探讨了抽采位置、地应力和气体压力对抽采过程中煤体变形的影响。结果表明:煤体变形受地应力、抽采位置、时间和煤层气体压力等因素的共同影响,且抽采初期的煤体变形速率较大;煤体σ1方向的变形普遍大于σ2和σ3方向的变形,σ3方向的变形与煤体所受的地应力大小σ3呈正比;由于最先产生变形的煤体引起的泊松效应限制了距离抽采位置较远煤体的变形量,所以距离抽采位置越近,抽采过程中煤体变形速率和最终变形量越大;煤层中的气体压力越大,煤体变形速率越快,在气体压力降低并趋于稳定后,煤体变形达到一个稳定状态。

地面井分层卸压的煤系气合采原理及方式探讨

为了进一步认识制约煤系气合采的因素,提高煤系合层排采各产层的产气贡献,分别从动力、通道和气源条件出发,分析了煤系气合采的必备因素。基于改变地应力状态提高储层导流能力以及分层改变储层流体压力,满足多层合采动力条件的原理,提出了地面井分层卸压的煤系气合采方式。该方式通过在地面进行定向钻井,在目标储层中进行高压水射流作业,人工创造卸压空间(缝、槽、穴等),改变地应力状态,降低有效应力伤害,增加储层导流通道的数量和开度,提高目标储层压降传递速率。待储层压力降至符合煤系气合采动力条件时进行合层排采,从而提高煤系合采各产气层的产气贡献。相较于常规增产改造措施,此方式能够减少煤系气储层在有效应力作用下的储层伤害,且有助于提高储层压降传递效率,增强煤系气的解吸和扩散,降低多层煤系气合采过程中的层间干扰。在以上研究基础上,认为地面井分层卸压的合采方式主要适用于储层地应力大、产层间距小的煤系气储层,且有望在薄互层煤系气储层增产改造及层间干扰严重的叠合共生煤系储层开发领域进行应用推广。

本煤层单一顺层瓦斯抽采钻孔的渗流场数值模拟

针对本煤层瓦斯抽采钻孔的合理布置问题,通过建立钻孔抽采瓦斯的渗流场控制方程和煤层变形场控制方程,结合钻孔抽采瓦斯的初始及边界条件,推导出钻孔抽采瓦斯渗流的固气耦合数学模型。以石壕煤矿本煤层单一顺层钻孔瓦斯抽采为工程实例,基于研究区域的煤层瓦斯赋存特征,采用数值模拟计算方法,获得了本煤层单一顺层钻孔周围煤层瓦斯压力、煤层瓦斯渗透率、煤层瓦斯渗流速度和煤层变形的分布规律。确定了本煤层单一顺层钻孔抽采瓦斯的有效影响半径,从而为本煤层单一顺层瓦斯抽采钻孔的优化布置提供了依据。研究结果表明,石壕煤矿本煤层单一顺层钻孔抽采瓦斯的有效半径分别为4m左右;在延长钻孔抽放时间不到20%的情况下,减少了钻孔工程量50%左右,抽采效果良好。

抽采瓦斯过程中煤层瓦斯压力演化规律的物理模拟试验研究

利用自主研发的多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统,开展了不同地应力水平下抽采瓦斯的物理模拟试验,对抽采瓦斯过程中煤层瓦斯压力演化规律进行了探讨。结果表明:1在抽采瓦斯过程中,煤层瓦斯压力在初期降低较快后期降低缓慢,并且距钻孔越近,瓦斯压力下降速度越快,而与距钻孔出口的距离无关;2在与抽采钻孔垂直的断面瓦斯压力场中,等压线以钻孔为中心呈现圆环形分布,在与抽采钻孔平行的纵面和层面瓦斯压力场中,等压线则以钻孔为对称轴呈现漏斗形分布,且距钻孔及钻孔出口越近瓦斯流速越大;3地应力的增加降低了煤层渗透率,阻碍了瓦斯的运移,使抽采过程中瓦斯压力的降低速度变慢,瓦斯流速减小。

顺层钻孔布置间距对煤层瓦斯抽采效果影响的物理模拟试验研究

基于自主研发的多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统,开展了不同顺层钻孔布置间距条件下的瓦斯抽采物理模拟试验,对瓦斯抽采过程中煤层瓦斯压力及抽采流量的演化规律进行了探讨。研究结果表明:煤层内不同测点的气压随着与抽采管之间距离的减小,下降速率加快;当受抽采叠加效应影响时,在相同距离条件下抽采管之间区域的气压下降速率大于外侧,且在抽采开始后该气压差异迅速到达峰值后呈下降趋势,而距离抽采管越近的区域,或随钻孔布置间距增加,叠加效应均减弱;在煤层垂直于钻孔的断面上,气压梯度与抽采瞬时流量存在幂函数关系,随着钻孔布置间距减小,或数量增加,同一位置的气压下降速率增大,抽采瞬时流量下降速率加快,累计流量增加,煤层渗透性系数ɑ值增大,说明煤层瓦斯抽采效率更高。研究结果可为现场合理布置抽采钻孔提供一定的理论依据。

煤层瓦斯抽采多物理场参数动态响应特征及其耦合规律

为进一步深化煤矿瓦斯抽采过程中多物理场参数动态响应特征及其耦合作用机理的认识,运用自主研发的多场耦合瓦斯抽采物理模拟试验装置,开展了工作面前方不同应力区域瓦斯同步抽采物理模拟试验,分析了抽采过程中煤体温度场、瓦斯压力场和煤体变形场的实时演化特征及多物理场耦合作用机制。研究结果表明:①在同步抽采过程中,应力Ⅳ区煤体温度下降速率最快,其次为应力Ⅰ区和应力Ⅱ区,应力Ⅲ区的温度下降速度最慢,不同区域瓦斯压力衰减特征与煤体温度下降规律具有相似性。煤体变形受煤体温度和瓦斯压力的耦合作用影响,使煤体变形呈非线性增加。应力Ⅳ区煤体变形量最大,应力Ⅲ区由于受泊松效应影响,其煤体变形大于应力Ⅰ区和应力Ⅱ区。②在同步抽采过程中,各应力区域煤体变形具有阶段性变化特征,分为变形延迟阶段、变形启动阶段和变形二次递增阶段,变形延迟的实质是煤层中大量分布的微孔和小孔,对吸附态瓦斯脱附的束缚作用,加上煤基质对瓦斯的毛细凝结作用,导致瓦斯解吸滞后,从而出现煤体变形延迟现象。③各应力区域煤体变形的动态响应受到有效应力压缩效应、基质收缩效应、解吸热收缩效应和泊松效应等共同影响,泊松效应对应力Ⅲ区起主导作用,有效应力压缩效应是突破变形延迟现象的关键因素,解吸热收缩效应和基质收缩效应是煤体变形二次递增的主要原因。

不同地应力条件下平行钻孔抽采瓦斯运移特性实验分析

利用自主研发的“多场耦合煤层气开采物理模拟实验系统”,开展了不同地应力水平下平行钻孔瓦斯抽采的物理模拟实验,研究结果表明:1)平行钻孔瓦斯抽采中,抽采前期压降曲线斜率大,中、后期压降曲线斜率相对较小,并且相邻抽采管之间瓦斯解吸速率较边界抽采管快,任意时刻平行或垂直抽采管方向气压变化值均关于抽采管对称,离抽采管抽采段越近,瓦斯解吸速率越快,瓦斯解吸速率与距离抽采管连接段远近无关;2)瓦斯抽采中,随着地应力增加,瓦斯解吸速率减缓,压降漏斗收缩变小,瓦斯有效解吸面积变小,且地应力对消除突出危险区域出现时间影响差异不明显,但随着地应力增加,消突范围渐缩小;3)瓦斯抽采中,瞬时流量随时间演化可分为急速升高、快速衰减和极限抽采三个阶段,并且随着地应力增加,瞬时流量峰值减小,瞬时流量衰减速率减缓,瓦斯累积流量降低,累积流量增长速率减缓,抽采效率降低。

钻孔抽采及排放煤层瓦斯区域性防突效果研究

为了研究兴隆煤矿钻孔抽采及排放煤层瓦斯区域性防突效果,现场测量和理论计算了论证区域煤层的残存瓦斯含量和残存瓦斯压力。结果表明,现场测量与理论计算的残余煤层瓦斯压力与残余瓦斯含量值较吻合,且均小于有关规定要求的值,因此论证区域煤层预抽瓦斯效果达标。

瓦斯抽采过程中本煤层及邻近层储层参数演化特征

利用大型多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统,开展了近距离煤层群瓦斯抽采试验,分析了抽采过程中本煤层和邻近层瓦斯压力演化、煤层变形演化以及瓦斯压力与煤层变形耦合关系。结果表明:抽采过程中本煤层瓦斯压力呈先快后慢的下降趋势,距钻孔中心位置越近,瓦斯压降速率越大;邻近层瓦斯压力则呈近似线性下降,瓦斯压降空间差异性相较本煤层不明显;随抽采进行,本煤层变形增长速率逐渐减小;邻近层变形演化规律与本煤层基本一致,但相同时刻邻近层变形相较本煤层更小;本煤层与邻近层压降均随体积应变增大而增大,但本煤层压降与体积应变耦合关系为线性正相关关系,而邻近层压降与体积应变耦合关系为正指数函数关系。

急倾斜中厚煤层采场顶板岩层移动规律研究

为了实现急倾斜煤层智能化开采,需弄清急倾斜煤层矿山压力与岩层移动规律,以石洞沟煤矿31321工作面为研究对象,采用理论计算、现场矿压监测、微地震监测和数值模拟方法,研究了急倾斜煤层采场矿山压力岩层移动范围。获得了急倾斜煤层工作面采动影响下煤壁前方支承压力影响范围、应力集中系数、初次来压步距和周期来压步距。得到了急倾斜煤层垮落带的自动充填特性与充填高度,采场“三区三带”的分布范围,弄清了急倾斜煤层采场垮落带、裂隙带、弯曲下沉带岩层的移动范围,进一步揭示了急倾斜煤层老顶断裂形成的“厂型”结构。研究结果为石洞沟煤矿实施智能化综采奠定了理论基础。

卸压区不同钻孔长度抽采条件下瓦斯运移特性试验

研究抽采过程中瓦斯运移特性有助于了解抽采气体来源、不同位置对抽采效果的贡献及抽采降压规律,为合理确定抽采时间、设计抽采位置和钻孔长度等提供依据。利用自主研发的多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统,开展了卸压区不同钻孔长度条件下瓦斯抽采的物理模拟试验,分析了抽采过程中煤层瓦斯运移相对速度和方向特征。研究结果表明:抽采前期和钻孔周围区域分别是抽采量主要贡献时期和区域,瓦斯压力梯度大,流动快。卸压区瓦斯流动相对速度最快,应力集中区使得瓦斯相对流动速度衰减加速,且对原始区的瓦斯流动形成一道屏障,使其相对流动速度趋于0。随着抽采时间的增加,瓦斯相对流动速度逐渐衰减,对于瓦斯运移方向而言,抽采一旦开始便在煤层中形成了较为固定的运移通道,但在抽采后期和钻孔深部区域,由于瓦斯压力梯度小,流动缓慢,运移方向的不稳定性增强。而随着钻孔长度增加,卸压区内瓦斯相对流动速度表现出增大的趋势,因此,适当增大卸压区钻孔长度将有利于现场瓦斯开采。

急倾斜上保护层开采瓦斯越流固-气耦合模型及保护范围

开采保护层是防治煤与瓦斯突出最有效的措施之一,其关键是保护范围的合理确定。针对急倾斜多煤层上保护层开采有效保护范围的划定问题,基于煤层瓦斯越流理论,根据煤岩层变形与瓦斯渗流的固-气耦合作用,建立了瓦斯渗流场方程和煤岩体变形场方程,得到了急倾斜上保护层开采瓦斯越流固-气耦合数学模型。以南桐矿区某矿上保护层开采为实例,通过多物理场耦合系统,建立了该矿上保护层开采瓦斯越流几何模型并进行数值计算,获得了上保护层工作面开采后被保护层瓦斯压力的分布规律,确定了上保护层开采的卸压保护范围。数值计算与现场考察试验结果具有一致性,由此验证了数值计算的合理性。研究结果可以对现场保护范围的划定及卸压瓦斯抽放等提供理论指导,具有实际工程意义。

深部煤岩工程多功能物理模拟实验系统——煤与瓦斯突出模拟实验

深部煤岩工程多功能物理模拟实验系统可开展煤与瓦斯突出、水力化煤层增透、地下工程围岩变形破坏、超临界二氧化碳压裂等煤岩体工程问题的物理模型实验。从煤与瓦斯突出角度,基于地应力、瓦斯压力、煤体性质、地质构造及开采扰动等突出影响因素,分析对比总结了系统在煤与瓦斯突出实验方面的功能与特色。该系统由主体装置、模型成型及就位系统、液压伺服加载控制系统、抽气注气系统、模拟开挖系统和数据采集及监测系统6部分构成,具有以下特色:(1)主体装置采用"外圆内方"的钢筒式结构,有效增大了承载系统的刚度和承载能力,荷载不外传,避免了局部应力集中的产生;(2)装置内部可容纳模型尺寸大(2060 mm×1200 mm×1200 mm),能模拟地质构造,相似程度高,边界效应小;(3)模型腔内储气空间大,气源的连续供给能力强,还原真实条件下卸压带瓦斯向突出区域运移过程;(4)环向布置20根液压拉拔器密封,确保主体装置拉杆受力均匀,装置最大密封气压高达5 MPa;(5)采用432个小油缸加载,实现了三向独立均布或非均布加载,最大加载应力10 MPa,加载过程中气压和固压互不干扰;(6)自动控制模拟开挖,还原井下掘进扰动行为,保证煤与瓦斯突出前兆信息的获取。利用该实验系统成功开展了石门揭煤诱发煤与瓦斯突出模拟实验,监测了实验过程中温度、气体压力、煤岩体应力和声发射数据的实时变化情况,为研究煤与瓦斯突出发生机理、预测方法、控制技术等方面问题提供科学的实验数据。

不同气压条件下瓦斯抽采效果物理模拟试验研究

为研究煤层瓦斯抽采过程中气压演化特性以及不同初始气压对抽采的影响规律,利用自主研发的多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统,开展了不同气压条件下瓦斯抽采的物理模拟试验研究,结果表明:抽采过程中,气压随时间呈现前期下降较快而后期下降缓慢的特点,同时气压在垂直钻孔的方向上梯度较大,在平行钻孔的方向上气压梯度较小;通过绘制气压三维曲面图发现,断面气压曲面呈以抽采钻孔为中心轴的漏斗状分布,层面或纵面气压曲面呈"V"形分布;初始气压越高,抽采过程中气压绝对下降量越大、气压下降速率越快,但是抽采过程中气压相对下降率相差不大,且抽采结束时残余气体压力相近。研究结果可为现场瓦斯抽采提供指导。

特厚煤层坚硬顶板强矿压——瓦斯——水——火多灾害协同控制理论及技术

针对大同矿区特厚煤层开采时坚硬顶板大面积垮落引发强矿压,诱发冲击地压、煤与瓦斯突出、突水、冲击气流、瓦斯燃爆等灾害,提出了以坚硬顶板运动控制为核心的强矿压——瓦斯——水——火协同控制理论与技术,并进行综合应用。工程实践表明,在该协同控制技术应用之后,工作面的强矿压、瓦斯突出、水气下泄与采空区自燃等现象得到有效抑制。研究成果可为相类似的强矿压——瓦斯——水——火多重灾害矿区提供有效指导。

倾斜俯伪斜下保护层开采保护范围划定相似模拟实验研究

为了研究倾斜俯伪斜下保护层开采的有效保护范围,以兴隆煤矿1601工作面为研究对象,采用相似模拟实验方法,研究了保护层顶板垮落特征,被保护层的应力和位移的分布规律以及煤层膨胀变形量,并以此为依据,确定下保护层开采的有效保护范围。该实验研究对现场下保护层开采被保护层卸压范围的划定,具有重要的工程实践意义。

含瓦斯煤热流固耦合渗流实验研究

以晋城煤业集团赵庄矿3号煤层的无烟煤为研究对象,运用自主研发的"含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置",进行了恒定瓦斯压力和围压条件下含瓦斯煤热流固耦合全应力-应变瓦斯渗流实验。研究结果表明:随着煤样温度的升高,煤样的三轴抗压强度降低,承受变形的能力减小,弹性模量增大;在全应力-应变整个过程中,煤样的渗透率总体呈下降趋势;煤样渗透率小不利于采煤之前的瓦斯抽放,导致煤层深处与工作面之间的瓦斯压力梯度较大,并且高温煤样在屈服阶段的渗透率增长更快,使煤与瓦斯突出的危险性增大。煤体渗透率与应力之间的关系不是单调的随应力的增大而减小,而是要看煤体处于何种应力-应变状态。

煤层原始含水率对煤与瓦斯突出危险程度的影响

运用自主研发的"含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置",进行了恒定瓦斯压力和围压条件下,不同原始含水率含瓦斯煤样全应力-应变瓦斯渗流试验,结合现场实测煤层注水前后瓦斯涌出量的变化规律。研究结果表明:随着煤样原始含水率的增加,煤样的三轴抗压强度减小,弹性模量减小,三轴抗压强度处轴向应变增大、横向应变和体积应变的绝对值增大;在全应力-应变整个过程中,煤样的甲烷有效渗透率都减小。从煤的力学特性和瓦斯在煤层中流动两个方面分析了煤层注水的防突作用。煤层原始含水率越高,发生煤与瓦斯突出的危险性越小。可将煤层的原始含水率作为判断煤与瓦斯突出危险程度的一个重要指标。

煤层钻孔孔口除尘装置的设计与实验研究

针对煤矿瓦斯抽放干式钻孔施工过程中产生大量粉尘的问题,提出利用射流泵技术除尘的新思路,即运用有压水流从喷嘴以一定速度喷出引起负压场卷吸煤尘进入除尘器,并与水流混合后排出,进而达到除尘效果。为使除尘效果最优,研究了孔口除尘器的结构组成和工作原理,并设计了水射流除尘器的结构和尺寸;运用均匀设计法对影响水射流除尘器吸气量的相关参数进行研究,实验优化了水射流除尘器的运行参数和结构参数。通过模拟煤矿瓦斯抽放钻孔施工现场打钻情况对孔口除尘装置的除尘效率进行实验,结果表明,孔口除尘装置除尘效率达到95%以上,能够显著降低煤矿干式钻孔过程中产生的粉尘污染。

基质收缩效应对含瓦斯煤渗流影响的实验分析

以山西晋城煤业集团赵庄矿和寺河矿的3#煤层原煤为研究对象,利用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置,通过保持有效应力恒定以消除其引起的渗透率变化,并同时考虑到滑脱效应对渗透率的影响,进行了He和CH4在不同气体压力条件下煤渗透率的平行实验,定量考察了煤基质收缩效应对煤岩渗透率的影响。实验结果表明:1)在低瓦斯压力条件下,煤渗透率表现出较显著的滑脱效应,且随着瓦斯压力的增加,煤样的渗透率呈现出先减小后增大的趋势,赵庄矿和寺河矿煤样的滑脱效应拐点均为0.9MPa左右;2)当有效应力恒定时,随着瓦斯压力增加,由滑脱效应引起的煤渗透率变化量逐渐减小,而由基质收缩效应引起的渗透率变化量逐渐增大;3)基质收缩效应与煤力学性质密切相关,力学性能相对较弱的煤样,其基质收缩效应相对较明显。