气体渗流模型研究对减少气体上保护煤层开采过程中积累的风险

文摘

保护煤层开采(PCSM)是一个最重要的缓解措施的地区爆发深部煤层开采过程中,在中国拥有高爆发的风险。在PCSM过程中,甲烷浓度超过极限的现象通常发生在工作面。是至关重要的理解从保护煤层工作面气体排放影响因素(PSWF)和获得一个方程来确定气体排放的数量。气体渗流模型(GSM)开发过程中模拟气体排放上PCSM。在这项研究中,制定一个方程来确定气体的数量而眠的缝成PSWF保护。这些方程已经开发利用扩散菲克第二定律和达西流定律。渗透率和压力之间的关系描述了处于弹塑性状态,和围岩的力学影响。它可以得出从GSM的初始气体压力保护焊缝,夹层岩石的特点,和通风PSWF压力是主要的影响因素从保护煤层的解吸气体排放到PSWF。发达GSM测试计算气体排放数量从PCSM过程利用一个煤矿的实际地质条件数据,中国位于汉城。结果显示与实地测量获得伟大的协议,这是由结合通风空气沼气量的拟合曲线PSWF夹层间距。 A loss coefficient (δ)为1.012×10⁻³在这项研究中获得的。

1。介绍

煤与瓦斯突出事故是一个复杂的动态的现象,在中国经常发生在煤矿。因为它的突然出现和强烈的破坏性,事故危及煤矿生产和人员的安全。它也会导致巨大的经济损失矿业公司(1- - - - - -3]。为了解决这个问题,许多研究已经在全国范围内进行的。这些研究阐明了在煤与瓦斯突出机制;此外,爆发风险指标和缓解措施提出了在这些研究[4- - - - - -6]。优先保护煤层开采(PCSM)是用来释放煤层压力,提高渗透率。这是在中国的一个主要突出缓解措施,主要是因为气体含量及其相关的爆发风险相对较低。通过提取出保护焊缝,相关的压力释放后,它大大增加了保护煤层的渗透性。减压是天然气开采增强的结果(7- - - - - -9]。在保护煤层开采(PCSM),甲烷浓度超过极限的现象通常发生在保护煤层工作面(PSWF)。因为seam提供了保护气体减压,大量的气体和流入PSWF眠。这是甲烷浓度超过限制的主要原因在PCSM的过程。保证安全开采和提高甲烷采矿、压力释放气体分离技术是目前使用10- - - - - -12]。目前,更多的是注意保护煤层的卸压效果,但因素导致甲烷浓度超过极限时忽略PCSM [13,14]。定性的方法主要用于估计压力释放气体渗流,这并不适用于瓦斯抽放和控制(15- - - - - -17]。除此之外,几乎没有研究压力释放气体渗流的主要影响因素。它也不利于提取和控制压力释放气体。因此,压力释放气体的渗流特征的定量分析具有重要意义的布局瓦斯抽放钻孔和保护煤层的开采参数。

本文总结了先前的研究在煤和岩石渗透率。应力-应变关系、压力变化,和失败的地板已经决定PCSM的过程。根据评审结果,GSM及其方程建立了用于计算气体的数量而眠PCSM期间保护缝到保护煤层。确定的影响因素也通过分析渗流过程。最后,对模型进行了验证与数据从一个原位通风空气中的甲烷PSWF煤矿,位于汉城,中国。结果表明,现有的GSM完全赞同实地测量获得。

2。之前的研究在渗透率的演化规律

自从达西定律的命题,岩石渗透率的研究一直是一个有吸引力的和正在进行的研究领域。经过多年的开发和研究,建立了渗透率模型的两种主要类型:porosity-permeability模型和stress-permeability模型。这些模型由Palmer-Mansoori(出版社)和灰色模型,分别(18]。在煤的渗透率模型提出的灰色(19),地面和扩张/收缩应力引起的吸附/解吸气体是全面调查。

在这里,是有效的水平应力,它是表达MPa;是初始有效的水平应力,这是表达MPa;吸附平衡压力的变化,表达了MPa;单元的应变变化,这是由于吸附平衡压力的变化;是泊松比;气体压力和初始气体压力,MPa表达;和是平均绩点的弹性模量。

所示(2),Seidle et al。20.提出了一个更简洁的表达。

在此,是夹板体积压缩系数对有效应力的变化正常夹,在初始有效应力是初始渗透率夹板吗 ,和是夹板渗透率有效应力 。

方程(2)被用于一些实验,进行拟合回归方程。所示(3),任和爱德华兹(21)提出,渗透率和压力关系与完整岩石有关。

一来et al。22)总结了岩石断裂表面的渗透性之间的关系和主应力。方程(4)用于计算断裂表面的渗透性。

在这里,和最小和最大的压力,分别表示的MPa;内在渗透表现在米²当 ;和是一个材料参数回归分析发现。在一项由一来et al .,−0.8616和2.613×10的值⁻¹³米²确定了和 ,分别。(22]。

帕默提出的最具代表性的渗透率模型和Mansoori23和帕默et al。24)是表示为 在哪里孔隙度;初始孔隙度;是GPa的体积弹性模量;是GPa的约束轴向弹性模量;是固体压缩,它也被称为粮食压缩性;标准条件下的大气压力,表达MPa;和分数的值在0和1之间变化。值为0和1建议垂直和水平楔子,分别。

原则上,porosity-permeability或stress-permeability模型被定义为有效应力的变化,从而改变煤和岩石断裂和变形的内部结构矩阵,甚至导致失败。因而岩体的渗透性的影响。这也是评价的主要理论原则渗透增强和保护煤层开采的卸压。程等。25)提出了一个理论模型渗透率演化和减压的煤炭,其中包含气体PCSM深处。现有的地应力在深缝,有效应力变化,被认为是,它渗透直接或间接控制。此外,现有的骨折以及新的裂缝进一步扩展,由PCSM的过程。煤炭矩阵变形对渗透率变化的影响可以忽略。通过假设有效应力、气体吸附/解吸和应变为变量,建立了提高煤渗透率理论模型(25]:

在这里,是应变,下标“0”指的是起始点,下标“m”是指煤炭矩阵,下标“V”是指体积,然后呢是影响因素,范围在0和1之间,和煤的解吸和收缩矩阵断裂应变的影响。

因为渗透率和压力之间的关系是不同的断裂和完整的煤岩体,岩体的失败保护和保护之间的接缝被认为是在任何研究中,这是在PCSM与GSM相关联。

3所示。气体渗流模型上保护煤层开采

气体渗流模型(GSM)与上层PCSM成立,主要取决于气体源和渗流媒体。气体来源主要是依赖于受保护的缝,和渗流媒体很大程度上与岩体层间的关联。如图1,王26)确定各种类型的煤层气利用数值模拟迁移。在保护煤层开采过程中,大量的气体被而眠的底部保护焊缝,提供减压以及煤和岩石的扩张。这是天然气的主要来源,流入PSWF通过层间的岩体。

不同的失败与岩体层间的关联机制,取决于其岩性及其距离保护的地板接缝。这个实验相应的透气性也各不相同。有两种类型的层间的岩体,即弹性完整和塑料破碎岩体。流过程可分为三个阶段从受保护的缝到PSWF:(1)气体解吸发生通过提供保护煤层卸压,(2)气体通过完整的岩体渗流阶段发生,和3)气体通过裂隙岩体渗流阶段发生。为了简化开发模型,以下假设进行分析:(1)整个模型系统有相同的恒定的温度(2)水和其他气体之间的相互作用被忽视,即。,只有气体建模(3)气体流沿着最短路径断裂的岩石(4)天然气被视为理想气体;动态粘度和扩散系数视为常量值

研究表明,有三个主要的几个州原位煤层气,即吸收气体,游离气和溶解气。的过程中,煤层的卸压和扩张,释放气体主要是吸收与煤层的形成。解吸过程是相反的吸收过程的机制,这是由朗缪尔方程(27]。在气体解吸阶段,气体扩散到完整岩体的弹性岩石孔隙相对较小。扩散的过程遵循一个不稳定和非平衡吸附模型,称为菲克第二定律。

在此,在单位时间内气体扩散的数量,表现在米³/ s;扩散系数;浓度差;夹板的距离,这是表示在米;和是孔隙面积,m表示²。正常的气体是假定服从理想气体的状态方程:

在此,理想气体的压力,这是表达MPa;是理想气体体积,用m³;是气体的物质的量,这是摩尔表示;理想气体的热力学温度,用开尔文表达;理想气体常数。

方程9演示了气体的浓度之间的关系和衬底的气体量:

保护煤层的瓦斯压力表示 ,,距离表示 。气体压力的完整岩体被认为等于大气压力( )。方程(10)是用于计算气体量( ),扩散到完整岩体:

当气体扩散到完整的岩体,它进入完好无损,裂隙岩体的渗流阶段。方程(11在岩体)表明,气体渗流遵循达西定律。

在这里,气体渗流的数量,这是表示在米³/ s;渗透率的岩石,用m²⁻;是压差,在Pa表达;渗流的距离,这是表示在米;渗流面积,表现在米²;和动态粘度系数,表示在MPa·s。方程(12)是用来计算气体压力后完整岩体的阶段。所示(12的垂直长度),完整的岩体称为 。据流守恒原则,受影响的岩体的渗透性是众所周知的 。

气体流( )从保护煤层裂隙岩体PSWF,利用计算(13)。岩石渗透率叫做 , 被称为垂直长度,PSWF通风压力吗 。

PCSM后,(14)是用于计算最大和最小原则强调对裂隙岩体在任何时候(28]。

在此,的垂直压力作用于地板上,这是表达MPa;是水平应力,它是表达MPa;和煤层的角度,这是表达的度。如图2, ,在哪里和角点之间的连接和地板上,和他们也表示度;点之间的垂直距离是M和保护煤层的地板,这是表示在米;和岩石密度,MN / m表示³。

permeability-stress模型被选中来决定完好无损,裂隙岩体的渗透性。通过使用实验室数据安装(3)和(4),最短路径选择,即, 。假设完整岩体的应力 ,原来的岩体应力 ,和是保护煤层的埋藏深度。这种假设是基于在实际生产过程中,大多数气体释放保护缝不扩散到PSWF。通过不断推进工作面,保护煤层的气体压力逐渐减小。方程(15)必须乘以系数的丧失 。用参数为(13),(15)方法如下:

图2总结了整个上层PCSM的GSM。

方程(15)表明,有三个主要因素相关的气体量,这可能会导致气体流入PSWF从受保护的缝,即(1)seam的初始气体压力保护(2)夹层岩体层间的间距,支离破碎的百分比和完整的岩体,骨折和完整岩体的渗透系数(3)PSWF通风压力和渗流区域的地板上

4所示。地板上失败的深度分析

4.1。理论计算模型层裂缝深度发展

分析的最重要的部分是确定地板失败深度根据GSM保护焊缝,在引入部分3。计算地板的方法失败的深度由理论计算和经验回归方程。

煤炭开采过程中过重的负荷转移到煤工作面前的身体紧凑的下降在采空区岩石形成支承压力峰值区域。在工作面前,地板岩石在压缩状态,经历压缩位移。在背后的采空区工作面,地板岩石在减压区,它经历了膨胀位移。岩石剪切断裂通常发生在地板由于剪切变形,这是位于压缩和扩张的边境地区。传统的工作面推进过程,在地板上有三个阶段的压力:压力升级之前采矿、应力降开采后,和压力恢复。这些阶段的应力反复发生与工作面推进。在周围的地板区域工作面,岩体应力分布在地板上被开采的影响。它分为四个水平区域:(1)原岩应力区,(2)压缩区域,(3)扩张地区,和(4)应力恢复区。地板层的分布分为以下四个垂直区:(i)破碎区,(2)新受损区,(3)最初受损区域,(iv)断裂区(29日]。图3显示了地板的地区,受支承压力的影响。

针对摩尔-库仑强度理论,根据弹塑性力学和塑性区成立于地面岩石塑性变形。在一定范围的工作面楼当轴承压力达到或超过极限值的压力。

支承压力达到最大容量时,岩石的一部分失败完全通过加入塑料区岩体的支承压力的周边地区。与岩体的塑性变形,形成一个连续的滑动面采空区方向。

地板的最大破坏深度,这是由于应力集中在轴承极限压力条件下的岩石上,可以通过使用(16)。地层的极限承载力是针对摩尔-库仑失败准则计算(30.]。

塑料的宽度面积计算使用(16)。方程(17)是用于确定地板的最大破坏深度。

在这里, ,在米表示,是工作面顶板控制距离的两倍;的最大应力集中系数;煤炭的极限应力的身体优势,这是表达MPa;是垂直距离工作面地面,表现在米;和是地板层的内摩擦角,它是表达度。

方程(18失败的)用于理论计算深度的地板31日]。

在这里,是破碎区和深度工作面长度,这两种米表示,然后呢岩石的单轴抗压强度,是MPa表示。

在以前的研究中,进行统计分析,以确定故障的深度地板各煤矿在煤炭开采过程中。相应的线性回归方程是由使用多元线性和非线性统计分析方法。一些典型的方程如下31日- - - - - -33]:

在这里,煤层的开采高度,表达在米;地板的失败的抵抗能力;和的相关因素存在断层破碎带或失败情况。利用上述方程估算地板失败深度,完整的长度和裂隙岩体在GSM。

对于一个案例研究在城市某煤矿,山西,中国,验证程序和相关计算下面描述。

实际的两个PSWFs用于验证模型。沿走向的距离是1142米,180米的PSWF4216斜宽度。PSWF4215,沿走向的距离是1158米和200米的宽度。这两个工作面临位于2号煤层;煤层的厚度约为0 - 2.5,平均厚度为1米。2号煤层的深度是430米。间距的2号3号煤层煤层和底层(受保护的缝)的范围9.8 - -20.7米,平均间距为15.5米。这个保护煤层的瓦斯含量不高,和0.55 MPa的压力。低了3号煤层突出危险。当3号煤层的相对气体排放上升到27.82米³/ t,气体压力成为2.03 MPa和低渗透煤层。表1显示了该工作面围岩岩体的力学参数。图4显示了工作面钻孔图。

为了验证的准确性发达GSM保护焊缝,地板上失败的深度挖掘过程中首先确定工作面。使用理论方程(16)- (18从矿业(获得)和数据是430,是40°,是180,0.025公斤/厘米吗³,21.59 MPa),失败楼深处被估计为15.2米和17.52米。利用回归方程19- - - - - -21和获得的值(是1.2米,是0°,是0.2,是0,3),地板失败深度估计为13.73米,15.80米和16.44米。通过考虑理论和回归方程的结果,计算层深度失败被发现在13.73到17.52米,平均深度15.625失败。这个值被发现非常接近实际的平均层间间距。进一步确定失败的地板上,通过使用模拟数值分析进行了数值模拟软件。

4.2。数值模拟地板裂缝发展深度

莫尔-库仑本构模型被用来模拟,提出了岩石力学参数表1。提出了一种模型的示意图如图5。模型的长度是300米,它有一个宽80米。保护煤层的屋顶用JSET被划分为一个分层结构。结构破损没有观察到在地板上地层之间的防护和保护,是类似于保护煤层的屋顶。地层和岩石参数有不同的厚度。如图5、地板层被分成一个多边形与全等方面利用2 d泰森多边形法多边形生成器。在这个数值模型,在模拟变形和刚性的多边形。然而,单个多边形不能打破。,all fractures must follow polygonal boundaries. The cemented contacts between two polygons can rupture through shear or tension depending on the stress state and properties of the contact surface. Therefore, fracture development can be realistically simulated through the contact rupture initiation, growth, and nucleation. The force-displacement relationship for a contact is determined by normal ( )和剪切( )刚度的接触。接触性质、凝聚力、抗拉强度和摩擦角定义接触强度。骨折时创建界面的应力水平超过一个阈值在紧张或剪切。接触本构模型如图6。

PSWF开始挖掘50米距离左边边缘模型,挖掘5米100米距离的每一步。图7说明的工作面推进地板裂缝发展逐步深入而裂缝发展的范围不断扩大。当PSWF达到30米的推进距离,防护和保护之间的岩体接缝连接骨折但骨折是稀疏的发展。开发变得更加密集推进距离时35米。推进40米的距离,受保护的缝了骨折。这导致气体使解除吸附seam和流入PSWF保护。

基于数值模拟的结果和理论计算,推断,地板断裂发生在seam PCSM过程中保护。因此,可以认为,没有完整的岩体之间的防护和保护。这种假设是审议在接下来的计算。

5。气体渗流模型验证

最具有挑战性的物理测量的参数在GSM,虽然一些参数在相同地质条件下保持不变。然而,它可以从上述分析得出结论,层间的岩体裂隙岩体。方程(15)可以简化为

根据实际数据考虑PSWF4216在汉城,中国,与天然气相关的参数如下: MPa(保护煤层的气体压力), MPa (PSWF的气体压力), ,和面积(斜宽度PSWF×地板宽度)的工作面是180米²和200米²分别为PSWF4216 PSWF4215。的价值天然气是1.75×10⁻¹¹MPa·s。的和被分配为−0.8616和2.613×10⁻¹³米²分别介绍了在文献[22]。用上面的数据(22),保护脸的气体排放计算通过使用

保护和保护之间的接缝,改变值与层间间距得到的瓦斯抽放钻孔。这是放置在地板上的空气返回网关。在工作面推进距离30米,地板骨折PSWF可以发展成缝的保护。在工作面通风空气中甲烷的数据也被后进步30米的距离。如图8、散点图和拟合曲线的通风空气中甲烷与层间间距的PSWF4216获得相应的层间间距数据。

损失系数( )计算通过使用通风空气中甲烷的散点图(图8)。相关系数( )拟合方程的0.9022,这显示了一个可接受的工程实测数据的拟合情况。这些发现证实了(22)是用于计算保护煤层气体排放数量,对应与现场测量精确。此外,损失系数( )1.012×10⁻³获得了。为了进一步验证的正确性GSM,损失系数( )1.012×10⁻³和参数的PSWF4215(只有PSWF4215的面积是不同于PSWF4216)。被替换成(22)。图9显示了理论曲线,它是根据(22PSWF4215)。图9显示测量数据与理论曲线相匹配,这也进一步验证了GSM的可行性和有效性。

6。讨论

深煤层开采过程中,PCSM已经成为一个最重要的地区爆发的措施缓解固有的爆发风险很高。在PCSM过程中,甲烷浓度超过极限的现象通常发生在工作面。是非常重要的理解PSWF的气体排放影响因素和开发一个方程计算其数量。在这项研究中,一个GSM开发上层PCSM的过程。使用GSM的方程、气体的数量而眠保护缝到保护煤层估计。菲克第二定律的扩散和达西流定律被用于估计。此外,渗透率和压力之间的关系研究处于弹塑性状态。围岩的力学也被调查。有四个假设和简化几个用于GSM的建立;它极大地简化了计算复杂度,减少了选择参数的工程计算。 As shown in (15),它更简单,更容易使用GSM。该模型不需要花很多的时间和金钱为额外的实地测试,并没有额外的GSM的不确定性因素。这个模型对于工程应用,具有独特的优势和效率高。然而,温度、气体成分、含水率因素假设和简化管理。他们也影响煤和岩石的渗透率,降低了模型的精度。在未来的工作中,上述因素被认为是在GSM。

7所示。结论

PCSM的过程中,围岩渗透性分为两种类型,即失败塑料和弹性岩体。岩石渗透率和压力之间的关系也总结下这两种演化类型,GSM之间的防护和保护提供理论依据。最终,从保护煤层气体排放分类分三个阶段,即(1)气体从保护煤层卸压解吸阶段,(2)气体渗流阶段完整的岩体,和(3)气体在裂隙岩体渗流阶段(图10)。从这些方程,可以得出的初始气体压力保护焊缝,夹层岩石的特点,和通风压力的工作面瓦斯涌出量的主要影响因素,从保护煤层PSWF流淌。

保护煤层的实际地质条件研究了煤矿,位于汉城,中国。GSM是用来计算从保护煤层气体排放数量。建模结果精确对应的拟合曲线与现场测量通风空气PSWF4216甲烷数量和PSWF4215层间间距和损耗系数( )1.012×10⁻³。值得注意的是,实际情况提出了简化的模型。这些条件是基于上述假设。在未来的研究中,从采空区气体排放及其影响因素确定。此外,一些这些方程中参数的调整分析的基础上额外的字段数据测量的工作面PCSM的过程。未来的研究将帮助我们进一步降低气体积累风险PCSM的过程。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

金融支持这项工作得到了北京自然科学基金(8184082);中国国家自然科学基金(51704274号,51502339,,51704278);一流的本科院校的专业建设贵州省(SJZY2017006);国家重点实验室开放项目的煤炭资源安全开采,CUMT (SKLCRSM16KF 06);贵州教育的年轻科学家和技术人员发展项目部门(钱他肯塔基州子[2018]115号);和曰气杰出学者项目,中国矿业大学科技,北京。

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