钻孔布置方法研究液压铣槽的长途Through-Coal天然气开采煤层隧道

文摘

如何快速消除爆发在长途through-coal seam隧道是在山区隧道行业面临的主要挑战。与煤矿岩石横切煤炭揭露,through-coal seam的岩石隧道周围的工作有一个高程度的破损,大截面的煤炭揭露和严格的时间和空间。摘要网络开槽的方法在长途through-coal seam隧道快速减压和爆发提出了消除。基于这种方法,相应的数学控制方程,建立了数值模拟模型。最优钻孔布置间距和位置布置间距得到的数值优化是2.85米和3.1米,分别。through-coal seam隧道现场天然气生产数据表明,与传统dense-borehole气体提取相比,网络化的开槽的方法在长途through-coal seam隧道快速减压和爆发消除可以缩短提取时间66%,峰值提取的净数量增长了3.55倍,和总数量的天然气开采时达到预防爆发指数增长了1.26倍,验证该方法的可行性和数值模拟结果的可靠性。本研究可以作为一个有价值的例子为其他类似的地质条件下开采煤矿。

1。介绍

与世界的国家经济的快速发展,高速铁路隧道和形成现代城市综合交通系统相互沟通和联系。然而,在一些国家,复杂的地形,山区丰富的各种岩性将遇到隧道施工过程中,使隧道施工特别困难。作为一个代表典型的多山的国家,中国的山区占总面积的三分之二。特别是在面对中国的中部和西部地区的蓬勃发展,中国将迎来大规模工程建设的新高潮高速铁路和高速公路等交通基础设施。除了山区地形的复杂性,有许多地层与发达在中国西部煤措施,使天然气隧道在交通基础设施的建设不可避免的挑战。据不完全统计,在最近的20年里,已经有超过70年天然气隧道建在中国,穿透超过300煤层(1]。关键技术问题带来的不利地质条件的煤系地层在山区的一个挑战,我们迫切需要解决。

由于煤系地层的地质构造的复杂性,软弱破碎岩体,和高气压、大变形甚至不稳定和崩溃的围岩和各种气体灾害可能发生。隧道过程中煤层揭露,煤岩体的不稳定故障原始地应力高场和高气压场诱发煤与瓦斯突出事故,这是一种灾难的最高强度和最大的危险。瓦斯隧道施工在中国开始较晚,没有成套的技术系统隧道煤揭示和突出预防形成。对隧道瓦斯灾害的研究主要集中在风险评估、施工安全管理和监测围岩变形,爆发预防技术研究。因此,煤的技术揭示和突出预防措施through-coal seam隧道的发展远远落后于现场生产实践(2,3]。

现有through-coal seam隧道的设计和施工主要是相关理论和经验的基础上煤矿地下岩石横切煤炭揭露或煤巷道开车。Through-coal seam隧道和地下煤矿巷道驾驶开挖和施工的一些相似之处,但也有明显的差异,特别是大型隧道断面的特点和严格的时间和空间来实现爆发预防措施,使煤的难度和风险揭示更高比煤矿岩石横切煤炭揭露。因此,它是不科学的,直接使用爆发预防煤矿岩石横切煤炭技术发现指导瓦斯隧道的建设,这是急需研究的突出预防技术对瓦斯隧道的特点。李等人。4江,et al。5王),和李。(6)等开展了研究隧道煤发现技术方面的探索,预测,预防和控制,取得了丰硕成果。然而,由于气体渗透系数极低(低至0.01 mD)大多数煤层在中国西南地区,传统permeability-enhancing技术差的影响,需要很长时间来消除爆发并达到标准。程等。7- - - - - -9陆,et al。10),冯和康11]王et al。12)等研究了preextraction煤层渗透性增强煤矿地下水力割缝后,实践表明,该技术可以快速和广泛提高煤层渗透率和preextraction效应,奠定了基础,迅速消除瓦斯突出的危险(13,14]。

通过分析的特点,在异地through-coal seam隧道瓦斯灾害预防,提出网络化的方法在长途through-coal缝槽隧道快速减压和爆发消除,进行理论和数值分析对钻孔的布置参数和液压槽长途through-coal seam隧道,并通过现场试验验证该方法的可靠性气体的隧道青海,中国,从而提供技术支持,快速消除煤揭示和突出的技术体系在长途through-coal seam隧道。

2。分析技术挑战Through-Coal缝中爆发的消除隧道

长途沿煤层开挖隧道的罢工和through-coal接缝有共同点与煤矿巷道开车,但也有其特殊性。总之,差异主要有以下几点:(1)瓦斯隧道的埋深一般不超过300,和周围的岩石有很高程度的破损由于风化作用的影响。与埋深近一公里的煤矿、天然气隧道开挖扰动的影响,和tunnel-surrounding岩石失稳的可能性更高(2)煤矿开采之前,一般有详细的地质调查数据,但瓦斯隧道的地质调查是受许多因素的影响,导致低程度的地质调查。因此,制定爆发预防措施可能无法满足实际地质条件的需要(3)through-coal seam隧道的横截面是比煤矿巷道开车。对煤矿巷道截面小,一般不超过20米²,而瓦斯隧道的横截面是大。目前,双线公路隧道的开挖部分已经超过110米²,双线铁路隧道的开挖部分甚至近150²(4)through-coal seam隧道,突出预防是困难和紧张的时候,这是因为先进的煤矿开采部署留下足够的时间和空间实施爆发预防措施,而天然气隧道只有一个工作面,从而无法实现爆发提前预防措施(5)隧道断面开挖引起煤层频繁的干扰,而煤矿巷道一般采用全截面的方法揭露煤层。为了减少释放的能量在揭示煤与减少突出危险,断面隧道通常采用multiple-section分区煤的方法发现,由外力扰动频繁,更复杂的动态响应特性(6)Through-coal煤层巷道支架隧道有更高的要求。道路的使用寿命在煤炭矿区将废弃的煤矿后,和大变形巷道是允许的,而服务段隧道很长,一般从几十年到一百年,大变形或大量的气体排放在服务期间是不允许的(7)与煤矿的可用循环空间相比,气体通道的single-roadway通风一公里的长度使它更难以排烟和稀释气体

总之,在瓦斯隧道挖掘和揭示煤时,有必要考虑长途through-coal缝之间的相似点和不同点隧道和煤矿巷道驾驶根据具体工程情况,采取有针对性的爆发与低围岩损伤预防措施准确预测突出危险的前提下,根据动态的特点,及时调整行为,确保安全、快速发现煤层。这就要求preextraction天然气在燃气隧道采矿需要减少对围岩的扰动的特点的道路,气体排放周期短、效率高、等。

根据网络的方法在长途through-coal缝槽隧道快速减压和爆发消除提出本文需要使用尽可能少的水井和槽来实现最高的提取效率,以满足气体爆发预防道路的要求或隧道。本文通过数值分析和现场试验验证钻孔布置间距的关键参数和液压槽布置间距preextraction天然气隧道,它的目的是获得最佳的钻孔布置间距和开槽符合气体preextraction指数。

3所示。数学模型方程

3.1。煤炭质量变形方程

假设热扩张/收缩和矩阵扩张/收缩的各向同性、非等温煤层变形的本构关系可以写成(压缩负)15,16] 在哪里和 ,分别代表总应力张量和应变张量。 , , , ,和 ,和煤的体积弹性模量,是煤的体积弹性模量矩阵,是正常的一个裂缝,刚度杨氏模量的煤,剪切模量,泊松比,和固结系数,克罗内克符号,孔隙压力。在以下表格,和分别代表矩阵和裂缝参数;煤储层温度;和是煤炭的热膨胀系数矩阵。基于方程(1),体积应变是 在哪里 是煤炭质量的体积应变; 是指的是压应力。的体积应变由吸附生成满足朗谬尔曲线,计算了朗谬尔方程: 在哪里是代表最大的朗缪尔体积应变不变,体积应变引起的吸附,然后呢朗缪尔压力恒定。

煤的应力平衡方程和几何方程可以表示为包含气体 在哪里是身体力组件和变形位移的吗方向。结合方程(1)- (5)和排序,Navier-type煤炭质量变形方程可以得到:

3.2。煤层瓦斯流动方程

煤层的气体流动遵循质量平衡方程: 在哪里煤的单位体积天然气质量,煤炭质量的气体密度,是达西定律的速度矢量,是气体的源项目或项目。假设气体吸附只发生在煤基质,煤的气体发生单位体积质量矩阵和气体发生裂缝的质量可以表示为 在哪里和 ,分别代表煤炭矩阵和煤炭质量的气体密度裂缝;和 ,分别代表了煤基质孔隙度和煤裂隙孔隙度;标准条件下的气体密度;和煤的密度。根据理想气体状态方程、气体密度和压力之间的关系可以表示为 在哪里摩尔质量的气体和吗是通用气体常数。

汇率之间的气体质量矩阵和裂缝是由气体含量的差别,这是直接与气体的压力成正比(17]: 在哪里 煤炭和形状系数的吗和的长度是煤炭矩阵。

因为气体的气体质量很小,忽略重力的影响流和扩散过程的甲烷气体在煤层和假设迁移在煤层是层流,气体的速度矢量根据达西定律可以得到如下:

用方程(8)- (11)方程(7)和排序,煤的控制方程矩阵气体压力随时间变化的。气体迁移控制方程的双孔隙度媒体模型

煤的孔隙度变化矩阵可以表示由以下方程(18]:

在哪里

煤的渗透率和孔隙度矩阵(符合下列关系19]:

把方程(14)方程(16),煤基质渗透率

考虑到煤的渗透率的各向异性裂缝,2 d模型,可以计算煤炭质量裂缝孔隙度和渗透率由以下方程(20.]:

3.3。热传导方程

假设的本构方程满足傅里叶导热定律,忽略了互换性的热能和机械能,并考虑到温度场在一个二进制文件中是统一的,煤层中的传热方程的双孔隙度模型可以表示为21,22] 在哪里 和和固体和液体的导热系数是组件,分别。 是含流体多孔介质的热容;和流体和固体的比热容是恒定体积下,分别;是孔隙气体的体积模量;和 热膨胀系数的气体。

4所示。项目概述和计算模型

青海公路隧道长6024米的埋深116 - 452米。隧道的围岩的中间层strongly-moderately风化炭质页岩、煤层,砂岩,岩体有泥质结构和thin-lamellar结构,这是相当坏了。主要矿物是泥质矿物。由于地层工程地质条件的影响,这部分的关节和裂缝发展,岩体破碎,和围岩的稳定性差,碎裂结构。根据检测结果,左和右隧道的隧道已经超过1400甚至更长的部分通过煤层气区域。平均煤层的厚度是1.98米,和测量瓦斯含量和压力是11.5米³/ t 1.2 MPa,分别有一个非常高的煤与瓦斯突出的风险。为了提高施工效率,迅速消除煤与瓦斯突出危险的煤层暴露,水射流割缝技术被用来实现渗透性增强和天然气开采煤层有效(23- - - - - -25]。优化钻孔的位置安排,建立了数值模型(如图1)研究煤层的气体分布和沿监测线在不同的位置安排模式。非结构化三角形网格创建域的数值模型。这一研究获得的结果是独立的网格大小和时间步长。考虑到现场施工效率,设计了提取时间是15天。槽开槽钻孔长度是1.5米,宽度是0.165米,槽在同一along-seam钻孔间距(图1(一)),槽间距在同一个平面上不同的along-seam水井(图1 (b))。模拟煤层参数如表所示1。

4.1。合理的槽间距在同一个Along-Seam钻孔

图2是气体的云图分布在煤炭矩阵不同的槽间距15天之后提取。从图可以看出2,负压的影响下的萃取槽钻孔,开槽钻孔接近,煤层的瓦斯压力下降越快。与槽数的下降沿煤层钻孔,高气压地区煤层逐渐增加。所以,有一个最佳的槽间距布置。在中国,煤层气体压力低于0.74 MPa是作为一个索引来判断是否preextraction效应达到标准。因此,最佳的槽间距决心通过检测边界上的气体压力监测模型的线在不同的槽间距 。

从图可以看出3槽间距2米时,槽之间的最大煤炭矩阵天然气压力为0.57 MPa,这是远低于0.74 MPa的指数,但插槽的数量太多,而且需要削减9槽内沿缝长19米钻孔,大大增加了施工成本。槽间距时4米或5米,最大煤炭矩阵之间的气体压力槽超过0.74 MPa,这很容易带来的风险爆发后煤炭揭露。最后,通过仿真,发现,当槽间距3.1米,槽之间的气体压力只是不到索引值。因此,建议,在这项研究中,在同一along-seam槽间距在煤层钻孔应设计为3.1米,以优化天然气开采的煤层隧道前提取区域内。

4.2。合理的槽间距不同Along-Seam钻孔

图4是一个气体分布云图的煤炭矩阵不同槽间距下吗15天之后提取。共同提取多个插槽,下煤层的瓦斯压力下降,特别是在槽之间的区域。与不同along-seam水井之间的槽间距的增加,煤层槽之间的残余气体压力逐渐增加,逐渐超过了索引值小于0.74 MPa,这表明还有一个最佳槽间距不同along-seam水井之间的安排。通过提取煤炭矩阵的气体压力监测线2(图5),它是发现,当槽间距是2.5米,最大气体压力之间的煤层槽为0.55 MPa,达到preextraction指数。然而,这种安排太密集,这将增加施工。当槽间距是2.85米,槽之间的残余气体压力为0.72 MPa,只是到达preextraction指数。然而,当槽间距超过2.85米,3米或3.5 m,槽之间的残余气体压力达到0.79 MPa和0.95 MPa,分别超过了preextraction索引值的0.74 MPa,和天然气开采效果未能达到标准。总之,这将是更合理的安排槽间距不同along-seam钻孔煤层为2.85 m。

5。应用结果的分析和讨论

为了验证数值分析结果的正确性,液压铣槽的提取进行了优化along-seam钻孔间距2.85米和3.1米的槽间距60 m pretunneled through-coal seam隧道。一段隧道的长度相同,single-borehole提取方法作为一个空白的控制器进行分析,和该方法的钻孔间距是2米。钻孔的原理图设计的两种方法显示在图6。

为了比较这两种方法的天然气开采的影响,我们进行了统计分析天然气开采领域,如图7和8分别是天然气开采浓度的变化,天然气开采的净数量,和天然气开采数量的累积量。从统计数据可以看出花了44天的天然气开采突出预防要求会见single-borehole提取方法,虽然它只花了15天的方法提取液压开槽后,缩短了提取时间的2/3,大大提高了效率。图7表明浓度达到峰值浓度65%的天然气开采的第43天single-borehole提取方法,而液压开槽后气体浓度迅速上升,达到61%的峰值浓度只有8天。在图7single-borehole提取天然气开采的净数量保持一个相对温和的趋势在前35天,所有这一切都低于0.2米³/分钟,经过35天,提取的净量缓慢增加到0.31米的峰值³/分钟。另一方面,与液压铣槽提取方法,它达到了0.4³/分钟,很快第二天增加到峰值的第六天,约1.1米³/分钟,3.55倍的峰值提取的净数量single-borehole提取方法。根据提取的总数量,如图8气体的总量与single-borehole提取方法提取10011米³后气体压力低于0.74 MPa,当它达到这个值在第11天的方法提取液压开槽后,气体压力达到标准后,提取的总数量达到12585。6米³的1.26倍左右,无槽的提取方法。数据的数据7和8表明,与传统single-borehole提取方法相比,长途through-coal seam隧道采用液压开槽的方法快速减压和天然气开采可以迅速缩短工期,节省工作量,实现提取爆发预防指数。

获得的残余气体量和残余气体压力的两种提取方法如表所示2。预防的情况下能满足爆发指数,但液压开槽的方法快速卸压,因为更大的减压区和更高的提取效率,可使残余气体量和残余气体压力更低。

6。结论

(1)之间的差异长途through-coal seam隧道和地下煤矿巷道驾驶进行了分析。与煤矿巷道驾驶相比,长途through-coal seam隧道的工作通常有高度的围岩破碎的特点,地质勘探程度低,大截面的煤炭揭露,严格的时间和空间来实现爆发预防措施,严格控制围岩变形,等。根据爆发预防长途through-coal seam隧道所需的特征,提出了网络化的开槽的方法在长途through-coal seam隧道快速减压和爆发消除(2)数学控制方程和天然气开采数值模型方法的网络在长途through-coal缝槽隧道快速减压和爆发消除。提取模拟优化分析进行了钻孔间距的布置和槽间距布置在这种方法中,和已经获得的结果是:最优钻孔布置间距是2.85 m和最优位置布置间距是3.1米(3)天然气开采的效率的方法,网络在长途through-coal缝槽隧道快速减压和爆发消除dense-borehole气体提取的方法进行比较和分析,以及网络开槽的方法的可靠性在长途through-coal seam隧道快速减压和爆发取消已得到验证。两种气体的现场实验数据提取方法through-coal seam隧道显示与single-borehole提取方法相比,网络化的开槽的方法在长途through-coal seam隧道快速减压和爆发消除可以缩短提取时间约66%,峰值提取的净数量增加3.55倍,增加天然气开采的总量,当爆发预防指数达到1.26倍。由于大卸压区和更高的提取效率,剩余内容和残余气体的压力与这种方法甚至更低。实验结果验证了数值分析结果的正确性以及该方法的可靠性

数据可用性

数值模拟数据用于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

本文联合资助的青海交通科技项目(2020 - 01)。

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