瓦斯抽放的案例研究优化基于硅镁层有效钻孔间距的煤矿

文摘

根据煤层的孔隙率和渗透率的动态表达式派生,multiphysical场耦合数值模型的气体迁移交互作用下的应力场和渗流场成立。瓦斯抽放工程3号煤层由硅镁层煤炭工业有限公司有限公司被选为研究对象。在各种不同的排水时间排水洞的位置考虑,结合之前的硅镁层煤矿1207工作面,气体混合布局排水系统方案具有有效的钻孔间距是通过COMSOL多重物理量模拟。此外,一系列的现场工业试验进行了验证研究结果,揭示全面考虑煤的萃取时间和优化开采布局的孔可以有效提高工程经济效益。

1。介绍

煤层瓦斯抽放是我的一个重要措施来控制气体(1,2]然而,大多数研究以有效的排水半径为排水洞布局的基础上,俯瞰的影响重叠排水系统和裂缝扩张没有采取不同排水的排水洞的影响在不同煤层的位置考虑在内。此外,大多数研究采用单个钻孔的布局,这常常导致一些常见的问题,比如浪费资源,不均匀的瓦斯抽放,达到相关标准的失败。许多现有的研究没有考虑建立multiphysical场耦合模型的气体迁移的相互作用下应力场和渗流场和忽视的动态特性煤层的渗透率和孔隙度。所有前面提到的缺乏在先前的研究有必要进行深入优化研究煤层瓦斯抽放。

在这篇文章中,3号煤层的瓦斯抽放优化硅镁层煤炭工业有限公司路安集团有限公司进行了研究。基于煤层应力的变化、气体压力、气体吸附和解吸,往往产生重要影响煤层渗透率和孔隙度、煤层渗透率和孔隙度的动态表达式推导出用来建立移民multiphysical场耦合的数值模型的交互作用下应力场和渗流场。此外,在各种不同的排水时间排水洞的位置考虑,结合推进情况的硅镁层煤矿1207工作面,气体混合布局排水系统方案具有有效的钻孔间距由COMSOL获得多重物理量模拟。此外,进行了一系列现场工业试验的目的是验证研究。

2。气固耦合分析煤层气体迁移

2.1。煤层气的迁移规律

两种类型的气流在煤层已确定包括层流扩散流和针对不同类型的煤层(3- - - - - -5]。一般来说,具有微孔结构的煤层或低渗透、扩散流中起着至关重要的作用在微孔结构或高渗透的煤层,层流控制(6- - - - - -8]。在这项研究中,气体流动过程中排水作为层流,遵循达西定律。

许多因素可以影响煤层气的运移,存储、地质条件等发生煤层,煤和岩石的力学性能,煤层渗透率和孔隙度,煤层气体的吸附容量,气体压力。在这些因素中,气体压力、气体吸附能力的煤层,煤层孔隙度,渗透率是主要的。气体压力的驱动力是煤层气体迁移而气体吸附能力决定煤层储存气体的能力。与此同时,孔隙度和渗透率是光滑的指标气体迁移在煤层9- - - - - -11]。

3号煤层的瓦斯压力测定为0.31 MPa在硅镁层矿作为本研究的基本的气体压力,尽管气体压力测量保持低于0.74 MPa的临界值。气体吸附常数a和b的# 3煤层被确定在17.52米左右^{3 /}t和0.75 MPa¹,分别,这被认为是低,这表明3号煤层的气体吸附能力弱。在现场排水,可以采取几项措施促进排水和提取包括选择适当的负压引流孔,孔的布局的优化,促进气体的解吸,增加气体的扩散和迁移速度。

2.2。动态表达式的推导煤层的孔隙度和渗透率

在天然气开采过程中,气体往往是眠和迁移,使煤炭骨架应力变化,导致小变形,孔隙度和渗透率相应地改变。根据现有的研究和田间条件下硅镁层我和2 d模型的数值模拟计算,平面应变介绍,导致修改动态表达式煤层孔隙度(12- - - - - -14]。 在哪里煤的初始孔隙度,是体积应变,气体压力的变化, , 是真正的气体压力,是初始气体压力,骨架是煤岩体的弹性模量。

根据Kozeny-Carman公式,结合以前的动态表达式孔隙度、渗透率的修改后的动态表达式可以得到如下: 在哪里是煤炭和初始磁导率平面应变。

2.3。Multiphysical场耦合的煤层气运移模式

本研究关注的是变形的煤层由于强加的力量和气体流量(15- - - - - -18]。因此,以下假设了:(1)瓦斯抽放孔形成的流场在一定的负压下径向流场(2)气体的吸附内容所描述的是朗缪尔方程(3)气体流量是由达西定律描述(4)气体的渗流过程被认为是一种理想的等温过程(5)煤层是各向同性的线性弹性变形,只有一个小(6)水的影响在煤层瓦斯抽放是被忽视的

考虑到上述假设,煤层气的渗流运动的理想气体应遵循如下列出的控制方程的气体流(13,14,19- - - - - -25]。

2.3.1。质量守恒定律

气体在煤层通常需要两种形式包括自由州和吸附状态。尽管状态,源和煤层气体的总量保持不变。换句话说,气体迁移应该首先遵循质量守恒定律: 在哪里气体含量(公斤/米³),是气体密度(公斤/米³),是气体的达西渗流速度(米/秒),源或汇项目(公斤/ (m³·s))是时间变量(s)。

2.3.2。气体的状态方程

气体渗流运动被视为理想气体,满足理想气体的状态方程: 在哪里是气体的分子量(公斤/ kmol),是气体压力(Pa),理想气体常数(kJ / (kmol·K)),然后呢是绝对温度(K_o)。

2.3.3。朗缪尔方程

煤层是一种多孔介质,有许多孔隙和裂缝,在气体吸附状态和自由州的共存。朗缪尔方程描述气内容定义了瓦斯吸附和解吸瓦斯压力之间的关系: 在哪里孔隙度,大气压力(Pa),朗缪尔常数(m³/公斤),朗缪尔常数( ),和是煤层密度(公斤/米³)。

2.3.4。达西定律

当压力梯度分布确定的煤层瓦斯压力,气体迁移会出现,这通常是一个线性渗流和遵循达西定律: 在哪里是达西流速度(米/秒),煤层的渗透率(m²),是气体动态粘度(Pa·s),然后呢重力加速度( )。

天然气开采的过程中有两个物理现象包括液体和气体的渗流运动的微小变形煤。煤体的应力和变形导致孔隙特征变化,然后影响到气体渗流运动。因此,气体渗流往往改变煤的身体内的气体压力,导致不同有效应力。两种现象就像一个连锁反应的相互作用相互约束和影响。

煤层孔隙度的动态表达式代入方程(5),然后

煤层渗透率的动态表达式代入方程(6),然后

用公式(4)和派生公式(7)和(8)到公式(3),得到以下结果:

公式(9)是气固耦合模型最终派生。模型嵌入到COMSOL多重物理量瓦斯抽放软件优化。

3所示。计算模型的引入

3.1。计算模型的参数设置

在建立数值模型之前,相关参数的确定是至关重要的。根据相关文献和地质力学测试,测试和调整系数后COMSOL多重物理量5.0内置模块,得到了模型中所使用的主要参数,如表所示1。

3.2。模型的建立

# 3煤层原始瓦斯压力的硅镁层矿山为0.31 MPa。由于气体浓度测量误差大,原来的气体压力降低30%被选为标准的模拟,导致气体排水标准压力设定在0.22 MPa。

为了提供直接指导现场施工,介绍了有效的钻孔间距的模拟。整个煤层的瓦斯压力可以减少最大钻孔间距值在标准压力值排水后一段时间。换句话说,通过数值模拟,可以确定最合理的钻孔间距值,这不仅符合减少气体压力的需要,也减少了现场施工的难度和成本。

方法类似于“水桶理论”是用来计算的有效钻孔间距,旨在找出最低的地区钻孔抽水的叠加效应仿真计算模型,确保区域内的压力下降低于标准的价值。

多孔弹性模块和达西定律模块(13,14,26在COMSOL本模拟中使用,所需的变量和参数输入到软件。根据实际钻孔瓦斯抽放过程,一个理想化的二维计算模型 的 建立如图1。排水井被安排在中间模型底部的固定约束。同时,上,左,右边界的边界载荷8.25 MPa,实际的围压条件。各方的模型是密封的初始气体压力为0.31 MPa在模型中。

作为显示在图1,钻孔是安排在2 d的计算模块。单一变量法后,提取的有效提取半径对应于不同直径钻孔(95毫米,113毫米和133毫米),萃取压力(20 kPa, 25个kPa, 30 kPa, 35 kPa, 40 kPa, 45 kPa),和提取时间(90 d、180 d和360 d)。并给出了详细的计算表2。

根据表2,随着提取时间、压力和提取钻孔直径增加,单一的排泄孔的有效半径增加,展示一个积极的相关性。

目前,通常采用萃取钻孔直径大小的at113毫米和133毫米直径的25个kPa和40之间kPa萃取压力。提取通常会消耗大量的时间,超过1年甚至2到3年。由于相对较厚煤在硅镁层密封,采用多个提取洞多个层。提取孔通常安排在三种方式包括三花风格,四朵风格,和five-flower风格,显示在图2。

一些模拟各种条件进行包括提取钻孔直径113毫米和133毫米的抽汽压力下25 kPa, 30 kPa, 35 kPa, 40 kPa。提取时间被设定为360 d。计算的有效提取半径是显示在图3在下面。

根据图3,直径133米的排水洞证明更好的提取。提取的负压孔35 kpa的煤炭开采实践。提取的five-flower布局洞比三花布局而优越的三花布局优越四朵布局。

4所示。的模拟和分析1207工作面硅镁层煤

4.1。仿真过程分析

罢工的1207工作面长度3号煤层的硅镁层我的是220的倾斜长度1092米。生产过程中,为了确保生产的安全性,进行了天然气开采。然而,这种泵方案单一而不考虑具体情况。

如前所述,排水时间大大影响了瓦斯抽放。不同的排水时间应采取不同的排水洞布局方案,如不同钻孔间距或模式。没有。1207工作面先进、不同提取时间的不同位置中提取矿山巷道钻孔。在这种情况下,不同部分应该划分基于不同的提取时间,允许个人提取条件设计对应于不同的领域。

根据行车速度的综合分析,工作面布局,和矿业采矿巷道的速度。1207工作面,考虑到排水效果,煤层瓦斯抽放的没有。1207工作面在仿真可以分为三个部分,如图4。三个部分的平均提取时间是110 d, 210 d和310 d,分别。

平均萃取时间、负压和孔直径的三个部分,优化天然气开采的三个部分也详细研究。优化的计算模型的提取变化单列孔布局five-row模式洞布局,直到得到最优结果。根据提取的实验计划,整个的目标层的# 3煤提取0.22 MPa。

4.2。仿真结果的分析

4.2.1。准备第一个和中间部分的分析

第一部分的萃取时间和中间部分被设定为110天,210天,分别。根据仿真计算,煤层气体压力可以降低标准的价值在一个固定的时间内只有当five-flower布局采用。由于不同的提取时间,有效的钻井两部分不同的空间。仿真过程中的气体压力云图所示的数字5(一个)和5 (b)。

根据图5更多的天然气开采,煤层中气体的压强有经验的不断变化。气体压力下降最接近排水洞。进一步排泄孔的距离会导致更少的气体压力下降到阈值距离达成的气体压力保持在初始值,表明煤炭以外的边界并不影响提取的影响。为了描述气体压力分布five-flower安排,结构线的值线图如图6云是插入到模拟气体压力图,可以生动地说明中的气体压力值的分布区域five-flower包裹的洞。值线图如图7。

根据图5,最大气体压力的包装区域five-flower孔是0.22 MPa,和其他地方的气体压力低于设定值。在这个时候,两个相邻排水洞之间的距离在同一水平得出的结论是有效的钻孔间距。

根据仿真结果,有效的钻孔间距值five-flower安排了两个部分,如表所示3。

4.2.2。分析的结果结束部分

最后部分的提取时间被设定为310天。仿真表明,煤层气体压力可以减少标准价值三花在一个固定的时间安排。仿真过程中的气体压力云图如图8。

同样,从图8更接近排泄孔导致更高的压力下降。气体压力达到峰值0.22 MPa的三角形重心。为了更好地描述气体压力的分布在三花洞,value-taking的构造线线路图如图9云是插入到模拟气体压力图,可以生动地说明中的气体压力值的分布区域包装的三花洞,value-taking线图如图10。

根据图10,最大气体压力在包装区域的三花洞是0.22 MPa,和其他地方的气体压力低于设定值。这时,提取两个相邻孔之间的距离在同一级别是有效的钻孔间距。

仿真表明,水平有效的钻孔间距是2.00米的垂直行间距2.00米,三花图案布局采用最后一节。

4.3。混合布局的建议方案

根据前面的计算结果,混合布局方案是专门为开发的瓦斯抽放。我1207工作面硅镁层。提出了如下所示的细节。

第一部分:five-flower模式布局采用水平钻孔间距为1.15米。上部排钻距地面5.50米的中间行纵向钻探3.30离开地板,和底部行drilling1.10 m离开地板。

中间部分:采用five-flower模式布局水平钻孔间距为2.45米。上部排钻是5.55米的地板纵向中间行钻井3.30离开地板,和底部行drilling1.05 m离开地板。

结束部分:采用三花模式安排水平钻孔间距为2.00米。上部排钻是4.92米离地板纵向排钻孔底部1.68米的距离。

5。工业测试

5.1。详细的测试计划

在这个工业实践,回风巷道的没有。1207工作面被选中。而不影响原来的生产和提取,提取练习测试进行了在中间部分的450米~ 485米和750米~ 785米的最后部分回风巷道。根据前面的计算结果,具体方案如下:(1)在450 ~ 485回风巷道的中间部分

five-flower孔布局采用的负压35 kPa,直径133毫米,平均长度为161 m,水平钻孔间距为2.45米。纵向,上部排孔是5.55米的距离,孔的中间行3.30米的距离,和底部排孔1.05离开地板。(2)在750米~ 785米的最后部分回风巷道

三花洞布局采用的负压35 kPa,直径133毫米,平均长度为161 m,水平钻孔间距为2.00米。纵向,上层行和地板之间的距离是4.92米,与底行和地板之间的距离为1.68米。

5.2。现场试验的分析

瓦斯抽放的工业性试验方案显示,排水钻孔煤层有效、均匀。中间的残余瓦斯含量和结束部分的空气巷道降低了31.24%和32.16%,分别分析气体含量减少了46.86%和49.81%,分别和煤层瓦斯压力降低45.03%和48.33%,分别。

6。结论

随着提取时间,提取的负压,并提取钻孔直径增加,有效提取单一的排泄孔的半径增加,展示一个积极的相关性。

基于仿真的提案,包括一个有效的提取孔之间的间距。提议,提取孔排列基于有效排水洞的距离,采取不同的提取时间考虑巷道对应于不同的位置。

云图,根据气体压力更大的压降是确定接近提取孔。气体压力保持稳定在达到阈值距离。

气体压力随开采时间的增长,最后变得稳定。一些叠加效果已确定两个排水洞更密集的气体压降叠加区域。

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有关的出版。

确认

本文得到了优先级的学术程序开发江苏高等教育机构和重庆市自然科学基金,中国(批准号cstc2019jcyj-msxmX0633也没有。cstc2020jcyj-msxmX0972),九龙坡区科技计划项目,中国(批准号2020 - 02 - 005 - y)。

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