文摘

通过长煤层钻孔瓦斯抽放是一种有效的方法来防止煤矿瓦斯灾害。摘要multifield耦合模型的气体迁移含煤首次建立。然后,定量描述方法,提出了瓦斯抽放效果。最后,获得了长钻孔的萃取效果在不同的布局和钻井长度。研究结果表明,沿煤层长钻孔的布置下,钻孔周围的气体压力与提取时间大大减少。没有提取空白中间的工作面。然而,很容易导致不均匀的瓦斯抽放长钻孔的组合排列沿缝和渗透的水井。此外,发现沿煤层长钻孔的排水体积相似的联合布局相同的排水时间。随着钻孔的长度增加,瓦斯抽放的影响范围增加。当井眼长度是150米和240米,排水的量大约是1.31和2.50倍90钻孔,分别。 The research achievements could provide a specific reference for the layout of long boreholes along the bedding and the determination of reasonable parameters for gas drainage on site.

1。介绍

瓦斯抽放是一种有效的方法来消除煤与瓦斯的危险爆发在中国目前(1- - - - - -4]。近年来,随着钻井平台设备和钻井技术的发展,与长钻孔瓦斯抽放技术取得了快速的进步(5- - - - - -7]。气体迁移明显影响长钻孔的瓦斯抽放效果。因此,正确理解法律的煤气迁移具有重要意义对防治煤矿瓦斯灾害,促进长钻探技术(8- - - - - -12]。

目前,许多学者研究了煤层气的multifield耦合模型迁移。煤储层是一个典型的双孔隙系统由交错的骨折和煤炭矩阵(13- - - - - -15]。煤层气运移主要包括两个过程:扩散和渗流。首先,气体从煤眠矩阵和扩散作用下裂缝的浓度梯度。这个过程符合菲克扩散定律。然后,裂缝中的气体流动到井眼压力梯度的作用下,这个过程符合达西定律(16]。苏et al。17)描述了一种双重孔隙模型,平行的煤层气体迁移。气体的扩散和渗流模拟瓦斯抽放,进化和扩散系数的影响气体压力和渗透率在骨折进行了分析。董et al。18]分析了瓦斯抽放负压的机制通过气固耦合模型,提出一个方法来减少引流的负压来提高瓦斯抽放效率。莫拉和Wattenbarger19]总结正确的形状系数公式考虑常数排水速度从相邻的一个矩阵块和恒压骨折通过数值模拟。然而,上述研究主要分析了在传统的钻孔瓦斯抽放瓦斯抽放效果。很少有研究与沿煤层长钻孔瓦斯抽放。

另一方面,评价长钻孔瓦斯抽放的效果,有必要研究钻孔的合理长度长钻孔排水(20.- - - - - -22]。如果钻孔长度太大,由于钻孔负压的衰减,长钻孔底部的气体含量高,很难达到排水指数。如果井眼的长度太短,会导致低效率的瓦斯抽放措施(23- - - - - -25]。目前,该方法确定有效的瓦斯抽放半径包括现场测量和理论计算方法(26,27]。现场测量主要决定了残余气体气体瓦斯抽放后的内容。的理论计算,确定有效的瓦斯抽放半径主要基于钻孔的瓦斯流动理论和煤层气体渗流的特征。(28,29日前任的做法在瓦斯抽放方面取得了举世瞩目的成就。在井眼长度短的情况下,负压的瓦斯抽放钻孔不显著减少,还有一个大负压瓦斯抽放钻孔底部。提取一段时间后,没有残余瓦斯含量的差异之前和之后的钻孔。然而,长钻孔沿层理,当负压力衰减明显,残余气体含量的底部钻孔仍相对较大。因此,有必要研究钻孔的合理长度长钻孔排水。

本文首先阐述了和建立multifield耦合模型的气体迁移煤炭认为煤炭矩阵气体扩散,裂缝气体渗流,渗透率演化法、和煤变形法。然后,剩余气体含量的变化值单位时间是用来计算瓦斯抽放卷,然后量化长钻孔的瓦斯抽放效果。最后,采用COMSOL软件,完全耦合的数值模拟方法被用来分析不同布局的排水效果和长度长钻孔沿层理。研究结果预计将提供一个理论依据从长钻孔瓦斯抽放床上用品。

2。含煤层Multifield耦合模型

2.1。模型的假设

含煤层的multifield耦合模型建立了基于以下假设:(一)煤层是一个均匀,各向同性,双重孔隙弹性介质(b)水在煤层气体迁移的影响被忽略(c)煤层是一种恒温系统,气体是理想气体(d)煤的应变骨架是无穷小14,16,17]

2.2。有效应力原理

为了更好地描述孔隙和裂隙双重介质的机械反应气体压力下,介绍了多孔介质双重有效应力法建立渗透率模型时(16]: 在哪里 有效应力,MPa; 总应力,MPa; 克罗内克符号(1我=j和0我≠j); 和 压力在骨折和矩阵块,分别Pa;和βf和β米是孔隙和裂缝的有效应力系数,分别。

有效应力系数βf和β米裂缝(1分别)可以由下面的公式计算: 在哪里K是煤的体积弹性模量的身体,MPa;K米是煤的体积弹性模量矩阵,MPa;和K年代是煤的体积弹性模量的身体骨架,MPa。

下面的公式可以计算出上述三个批量模: 在哪里E的弹性模量是煤炭的身体,MPa;E米是煤的弹性模量矩阵,MPa; 是煤炭的泊松比;和 煤基质孔隙度,%。

2.3。煤的孔隙度和渗透率的动态演化方程

帕默和Mansoori [30.)提出了一种广泛使用的渗透率模型(PM模型)适用于单轴应变条件。然而,PM模型建立了基于煤层只包含裂缝。煤层通常建模为双孔隙度包含裂缝和孔隙介质。因此,本研究采用双孔隙度poroelasticity理论。修改后的裂缝孔隙度模型所示以下方程: 在哪里 裂缝孔隙度,%; 是初始裂缝孔隙度,%; 朗缪尔体积应变不变; 朗缪尔压力恒定;米限制轴向弹性模量,MPa;和 是初始压力矩阵块,Pa。

根据Kozeny-Carman方程(31日,32),煤层渗透率k是 在哪里 煤层渗透率,m2。

2.4。扩散方程的气体在煤

之间的质量交换矩阵和裂隙煤体内可以表示由以下方程: 在哪里问米煤孔隙和裂缝之间的质量交换,公斤/ (m3·s); 矩阵形状因子,米−2;米C甲烷的摩尔质量,公斤/摩尔;D气体扩散系数,米2/ s;R是通用气体常数,J /(摩尔·K);和T是煤层温度,K。

下面的公式可以计算出扩散系数: 在哪里ξ衰减系数的动态扩散系数,年代−1, 是初始气体扩散系数,m2/ s。

根据朗缪尔方程、气体含量单位体积的煤炭矩阵可以得到 在哪里米p是气体含量每单位质量的煤矩阵,公斤/米3;ρc的表观密度是煤炭,公斤/米3; 基质孔隙率,%;一个是朗缪尔体积常数,米3/公斤;b朗缪尔压力常数的倒数,爸爸−1;和V米在标准条件下甲烷的摩尔体积,m3/摩尔。

从质量守恒定律,可以看出之间的关系矩阵气体含量和数量的变化问米是

用(6)∼(8)(9),气体扩散的控制方程

2.5。气体在煤的渗流方程

根据质量守恒定律,气体质量的变化在骨折等于气体扩散到孔隙-裂缝的断裂的气体流入井眼;也就是说, 在哪里 裂缝中的气体流速,m / s。

此外,裂缝的煤体内气体流动符合达西定律;然后, 在哪里μ气体的动态粘度,Pa·s。

结合上面的方程,可以获得气体渗流的控制方程

2.6。含煤变形方程

含煤的变形方程是由应力平衡方程、几何变形方程和应力-应变关系(33),这可以表示为 在哪里G是煤炭的剪切模量、MPa和u我的位移分量吗我方向。

上述控制方程构成含煤层multifield耦合模型,综合考虑煤炭骨架压缩效应(有效应力效应)和基质收缩效应。物理领域之间的耦合关系图所示1。


图1
原理图的物理耦合关系。

3所示。几何模型和定解条件

3.1。几何模型

为了分析的影响沿煤层长钻孔瓦斯抽放,两个气排水方案下已经建立了两个条件:(1)沿煤层瓦斯抽放长钻孔几何模型如图2。240米长钻孔沿煤层构造在煤层的倾角的方向机巷道或风巷道工作面。钻孔间距的距离是2 m,沿缝了十长钻孔。(2)沿煤层长钻孔的结合和渗透的水井几何模型如图3。90米长沿煤层构造在钻孔机巷和绕组巷工作面沿倾斜方向的煤层。钻孔间距的距离是2米,20沿煤层长钻孔。此外,穿透了水井的底部拉伸的工作面巷道,并穿透水井的最后一洞的位置如图3。钻孔间距为2 m的罢工和倾斜方向,建成290穿透水井。煤层的大小根据这两个排水计划是400×240。


图2
沿煤层长钻孔的布置。

图3
瓦斯抽放钻孔布置方法结合沿煤层长钻孔和渗透的水井。

在这项研究中使用的数值模拟软件COMSOL多重物理量。固体力学的模拟使用PDE模块和模块COMSOL计算模型。数值模拟中使用的参数如表所示1(17]。

表1
在数值模拟中使用的参数(17]。
3.2。模型验证

多场耦合模型的正确性进行验证的含煤层建立本文的数学模型的使用刘et al。16)煤层瓦斯压力数据比较验证。建立了一个模型组成的三个水平层煤。有煤层的宽40米,高4米之间的两个岩层。钻孔位于煤层的中心。中使用的其他参数模型与刘模型是一致的。COMSOL数值计算后,实验结果如图所示4。从图可以看出4摘要气固耦合模型的建立是在良好的协议与刘的模型。


图4
本文中的模型之间的数据比较和刘的模型在不同提取时间。

4所示。在钻孔瓦斯抽放效果的定量表征

它可以看到从一节1,在时间t和t+Δt,煤层的瓦斯含量

的公式,米t和米t+Δ米t代表煤层中的瓦斯含量,当排水时间t和t+Δt,分别。

根据上面的公式,气体含量从煤层中提取Δ瓦斯抽放后t时间如下:

根据上面的公式,在一定时期内气体含量提取可以得到与COMSOL软件集成。

5。结果与讨论

5.1。钻井布局对瓦斯抽放效果的影响

图5是一个云映射下的煤层瓦斯含量不同的排水在沿煤层长钻孔。从图可以看出5负压的作用下,钻孔,钻孔周围的气体压力明显低于遥远的煤的身体。此外,由于钻孔间距的距离只有2米,钻孔之间的气体压力显著降低,而且没有明显的空白区。此外,钻孔的长度达到240米,贯穿整个工作面。因此,钻孔和煤炭身体之间的接触面积大,排水效果好。另一方面,随着排水时间的增加,井眼周围的气体含量逐渐减少,和井下排水的影响范围逐渐增加。例如,经过360天的排水,煤的瓦斯含量的身体覆盖的钻孔是3 m公司的显著降低3/ t,明显低于5天的排水的气体含量。


图5
云地图煤层瓦斯含量不同排水时间的情况下沿煤层长钻孔。

目前,由于有限的钻井设备在一些国内矿业领域,沿煤层长钻孔的施工长度是有限的,所以必须有一个空白区瓦斯抽放中间的工作面。确保工作面安全开采期间,穿透水井通常用于提取煤层气中间的工作面。钻孔布置在这部分是基于上述事实。

图6云映射下的煤层瓦斯含量不同排水时间与沿煤层长钻孔排水相结合和渗透的水井。从图可以看出6在煤层残余瓦斯含量的分布不同,在图5。气体含量沿煤层长钻孔排水面积明显低于穿透水井排水区域。例如,在五天的排水、气体含量沿煤层长钻孔的覆盖面积下降到4米3/ t,在穿透水井的煤层瓦斯含量大约是8米3/ t。根据分析部分1,瓦斯抽放钻孔的体积单位时间主要取决于渗透率和井眼的接触面积。因此,沿煤层长钻孔的瓦斯抽放效果明显高于渗透水井。另外,随着提取时间的增加,钻孔周围煤体的瓦斯含量与之前的分析是一致的。有一点需要特别指出的是,随着时间的增加排水,之间的差异沿煤层长钻孔的瓦斯抽放效果和渗透水井逐渐减少。


图6
云映射下的煤层瓦斯含量不同排水时间下沿煤层长钻孔排水相结合和渗透的水井。

例如,在360天的排水、沿煤层长钻孔的瓦斯含量面积约2.5米3/ t,穿透钻孔的瓦斯含量面积也减少了约3米3/ t。

可以看出,沿煤层长钻孔的排水效果安排明显高于沿煤层长钻孔和渗透的水井。然而,很难直观地比较两个钻孔的排水效果安排基于云的地图分布煤层排水后残余瓦斯含量。解决上述问题,本文提出了一种定量表征方法,钻孔瓦斯抽放效果的部分3。在此基础上定量描述方法,瓦斯抽放卷在不同井的布局。本文以合并后的排水体积沿煤层长钻孔和渗透水井作为基准。它可以得出结论,有增加排水条件下沿煤层长钻孔与排水相结合,如图7。从图可以看出7顺层长钻孔瓦斯抽放卷的布局类似于组合下的瓦斯抽放卷布局相同的排水时间。例如,在早期的排水、长钻孔布置下的排水体积的1.025倍的排水相结合,在后期逐渐减少,下降到最低水平的0.94倍。此外,考虑隧道的建设费用提取和钻井通过层,它可以被认为是沿煤层长钻孔可以更快地降低煤层气体的压力和内容在煤矿瓦斯抽放的过程。在工作面气体爆发的危险消除,和建筑成本的降低。


图7
长钻孔排水增长率。

数据8和9的简化图沿煤层长钻孔和钻孔相结合的简化图通过床上用品在360天的排水。从图可以看出8的气体迁移流线沿煤层长钻孔垂直于井眼。气体流动整齐有序的水井,几乎没有相互影响,符合径向流。从图可以看出9的气体流线沿煤层长钻孔区域仍然显示径向流,而穿透钻孔区域的气流是混乱的。此外,动荡的气体流线相互干扰的十字路口沿煤层长钻孔和渗透的水井。水井之间的气体迁移是排水部队在多个方向,不利于瓦斯抽放。


图8
沿煤层长钻孔的简化图。

图9
简化图穿透钻孔的组合布局,沿煤层长钻孔。

上面的分析比较和分析了排水的影响沿煤层长钻孔的布置和安排的总和穿透水井和沿煤层长钻孔瓦斯抽放卷的三个方面,气体流线,钻井工程造价。可以看出,沿煤层长钻孔在所有方面有优势。因此,建议沿煤层长钻孔的布置是用于工作面瓦斯抽放。

5.2。钻井长度对瓦斯抽放效果的影响

研究的影响的长度长钻孔沿顺层瓦斯抽放,数值模拟的瓦斯抽放钻孔的长度90米,120米,150米,180米,210米,240米。几何模型如图10。


图10
90钻几何模型。

当井眼长度是90米,钻孔周围瓦斯含量分布在不同的提取时间如图11。从图可以看出11,在钻孔负压的作用下,随着排水时间的增加,井眼周围的气体含量逐渐减少,和井下排水的影响的范围逐渐增加。


图11
云下的煤层瓦斯含量分布地图不同的90米钻孔排水时间。

定量分析钻孔周围瓦斯含量的分布在不同的提取时间,选择监视线沿工作面方向和倾斜,和气体含量变化规律进行了分析。罢工的监视线方向距巷道壁45米,和监控线倾斜方向的第一个5米远离井眼。图12在监测行显示气体含量的分布在不同的提取时间。从图12(一个),当井眼长度是90米,罢工的方向,随着排水时间的增加,煤层的瓦斯含量逐渐减少。从钻孔的距离5米,180天的气体含量在排水时间减少1.0 m³/ t 1.3 m³/ t与瓦斯含量的排水时间30天,五天。的方向趋势,煤层的瓦斯含量逐渐减少随着提取时间的增加。然而,由于钻孔的长度只有90米,部分天然气在中间和后面的煤层尚未有效地排水。

(一)
(一)
(b)
(b)
图12
分布90钻孔的瓦斯含量与不同的排水时间:(a)瓦斯含量分布在罢工监控线方向;(b)的瓦斯含量分布趋势方向的监控。

当井眼长度是150米,钻孔周围瓦斯含量分布在不同萃取时间如图13。从图可以看出13钻孔负压的作用下,随着排水时间的增加,井眼周围的气体含量逐渐减少,和井下排水的影响的范围逐渐增加。在150米与90米钻孔相比,钻孔有广泛的排水,排水效果更显著。


图13
云映射下的煤层瓦斯含量不同的150米钻孔排水时间。

罢工的方向,随着排水时间增加,煤层瓦斯含量逐渐减少。从钻孔的距离5米,180天的排水的瓦斯含量是减少0.94 m³/ t 1.26 m³/ t与瓦斯含量的排水时间30天,五天,和变化是小相比90钻孔,如图14。

(一)
(一)
(b)
(b)
图14
分布150钻孔的瓦斯含量与不同的排水时间:(a)瓦斯含量分布在罢工监控线方向;(b)的瓦斯含量分布趋势方向的监控。

当井眼长度是240米,钻孔周围瓦斯含量分布在不同萃取时间如图15。从图可以看出15钻孔负压的作用下,随着排水时间的增加,井眼周围的气体含量还显示逐渐减少,和井下排水的影响范围进一步增加。


图15
云映射下的煤层瓦斯含量不同的240米钻孔排水时间。

罢工的方向,随着排水时间增加,煤层瓦斯含量逐渐减少。趋势方向,煤层的瓦斯含量逐渐减少提取时间的增加,和钻孔底部的气体含量显著降低。随着开采深度的增加,上升趋势值变化更少。随着钻井深度的增加,气体的底部钻孔可以排水,和气体含量显著降低,如图16。

(一)
(一)
(b)
(b)
图16
分布240钻孔的瓦斯含量与不同的排水时间:(a)瓦斯含量分布在罢工监控线方向;(b)的瓦斯含量分布趋势方向的监控。

定量分析影响瓦斯抽放钻孔长度的影响,井眼长度是90米时的排水体积作为基准。增加的150米和240米的排水钻孔长度相对于90钻孔,如图17。从图可以看出17井眼长度越长,更好的排水效果和井眼的影响范围就越大。当井眼长度是150米,排水体积大约是90米钻孔的1.31倍;当井眼长度增加到240米,排水体积大约是90米的钻孔的2.50倍。从图可以看出17流动线垂直于钻井钻探后,气体迁移的提示球形流槽符合法律,和气体迁移在中间和后面部分符合径向流。随着钻井长度的增加,简化区域开采的影响范围明显增加。


图17
瓦斯抽放率在不同井眼长度。

6。结论

本文首先阐述了和建立multifield耦合模型的气体迁移煤炭。然后,剩余气体含量的变化值单位时间是用来量化长钻孔的瓦斯抽放效果。最后,采用COMSOL软件分析不同布局的排水效果和钻井长度长钻孔的床上用品。主要结论如下:(1)multifield耦合模型建立了煤层气度。模型考虑了气体扩散的煤炭矩阵,气体渗流通过骨折,渗透率的演化,煤的变形。同时,介绍了煤扩散的动态方程,使仿真结果更符合实际情况。(2)通过集成的空间耦合模型,然后使时差,残余气体含量的变化值单位时间内可以获得计算瓦斯抽放卷。此外,长钻孔的瓦斯抽放效果可以量化。(3)下沿煤层长钻孔的组合布局和穿透的水井,沿煤层长钻孔的瓦斯含量面积明显低于的层间的井下排水区域。(4)结合下的排水体积类似安排在相同的排水时间。早期的排水,排水体积的1.025倍长钻孔布置下排水相结合,在后期逐渐减少,下降到最低水平的0.94倍。(5)随着钻孔的长度增加,井下排水的影响范围也在不断增加。当井眼长度是150米和240米,排水体积的1.31和2.50倍,90钻孔。

上述结果提供一个特定的参考的布局长钻孔沿层理和合理参数的确定对天然气现场排水。

数据可用性

所有的数据、模型和代码生成或使用在研究出现在手稿。

的利益冲突

作者声明没有商业或关联利益代表的利益冲突与提交的工作。

确认

研究提出了联合支持重庆市自然科学基金(批准号cstc2020jcyj-msxmX1013)。