文摘

是最常用的天然气开采控制在煤矿瓦斯灾害。周围塑性区分布的钻孔和密封质量是影响天然气开采的关键因素。摘要COMSOL法来模拟塑性区和塑性区半径的理论公式。此外,一个antispray孔设备和“两个堵和一个注入”提出了密封技术。结果表明,一个更大的钻孔孔径对应于一个更大的塑性区和大范围的卸压钻孔。之间的误差计算和模拟塑性区半径内1%,修改后的方程适用于浦西。造成的损失和伤害减少钻孔喷涂设备运用antispray洞。通过应用“两个堵和一个注入”密封技术和phosphogypsum-based自产气体膨胀粘贴材料阻止钻孔,密封质量提高和一个精确的气体混合流,纯流和浓度。塑性区增大,气体提取流量逐渐增加,但是流的相对变化先增加然后减少。考虑到安全和经济建设,优化塑性区半径是64.9毫米。

1。介绍

煤炭是一种能源在世界各地使用,并广泛应用于电力、燃料和石油工业(1- - - - - -4]。然而,与浅层煤炭储量的不断减少和增加对煤炭的需求,煤矿灾害与开采深度的增加逐渐增加(5- - - - - -8]。在煤矿灾害,瓦斯灾害是最严重的威胁,中国煤炭行业的安全(9- - - - - -13]。在过去的70年里,已经有25灾难性的煤矿事故,已造成100多人死亡在中国,和18的这些事故气体灾害(14,15]。因此,为了防止煤矿煤与瓦斯突出过程中,高压注水水力压裂,瓦斯抽放矿井通风稀释气体,保护煤矿,和其他技术措施通常采用煤矿,其中瓦斯抽放是最常用的方法16- - - - - -19]。在一些high-gas-content矿山在中国南方,钻井通过层通常是执行控制气体灾害(20.- - - - - -22]。

的一个主要影响因素的影响瓦斯抽放钻孔直径(23- - - - - -25]。一旦形成钻孔,钻孔周围煤体进行减压和塑料损坏,为天然气运移形成塑性区(26- - - - - -29日]。目前,基于弹塑性理论,郭et al。30.]研究了应力分布特征和钻孔卸压范围的煤通过分析井眼压力和漏风形式。程等。31日]钻孔软化和膨胀的力学模型建立基于Hoek布朗准则,推导出弹性区、塑性软化区,钻孔周围骨折。苏(32)使用理论分析和数值模拟分析煤的破坏机理的身体在床上用品洞,洞周围的弹性变形区域形成。煤体的应力分布和位移方程在塑性软化区和减压断裂带进行分析。

另一个主要因素影响的影响瓦斯抽放钻孔的密封质量(33,34]。近年来,许多新的密封方法和密封材料已经被许多学者提出。Zhang et al。35,36开发“strong-weak-strong”钻孔密封技术,可以改善CMM排水效率一个汽油低渗透性煤层。刘等人。37]10组的密封材料和测试提出了一个新的密封方法和适当的密封设备,包括自动灌浆泵和两种类型的橡胶底潜艇,这是用来提高斜cross-measure排水钻孔的密封性能。周et al。38)提出了一个second-sealing-plugging对瓦斯抽放技术,分析气体的迁移规律运动煤层的裂缝网络。倪et al。39]研究了钻孔的microcharacteristics密封材料组成的冷冻与聚氨酯复合材料和膨胀水泥。香等。40)开发了一种灵活的凝胶密封材料和实验相比,其密封性能与传统的密封材料。通用电气等。41)构思小说水力压裂密封材料由水泥、硬化,加速,和减外加剂;聚丙烯纤维;和混合水。尽管新技术和材料的出现为防空的泄漏,这些方法提高排水效率在很长一段密封的前提下深度,从而增加密封钻孔的施工难度和成本。一种经济、有效的密封方法和短封深度内水井有必要延长有效连续排水时间和增加排水的甲烷(42- - - - - -45]。

本文基于弹塑性理论,采用COMSOL仿真软件来模拟塑性区范围的钻孔周围煤体和验证理论和模拟的塑性区范围是否相互一致,分析了不同钻孔直径和塑性区范围之间的关系。新型防喷器被用来构造一个测试钻孔,“两个堵和一个注入”密封技术和phosphogypsum-based自产气体膨胀水泥浆材料被用来阻止钻孔,和准确的气体混合流,纯流,并测定浓度数据。最后,适当的塑料的钻孔决心通过分析区域瓦斯抽放钻孔的影响在不同的塑料区域。

2。浦西的概况

嘉禾县矿业有限公司是湖南的原煤公司Heijin *有限公司,有限公司,下属浦西矿井的瓦斯突出矿井嘉禾县县东北部,郴州,湖南省,如图1。行政区域管辖Xinglang镇,嘉禾县县。矿区的地理坐标是112°24 52 ~ 112°27 11 E和25°35 10 25°~ 39 41 n .南北罢工我4.5公里;东西方罢工是1.8公里,平均;面积是8.6186公里2。有七个矿井煤层:煤层II,煤层三世,煤层IV, V V煤层,煤层2第六,煤层,煤层七从上到下。煤层V有一个稳定的发生和是我的主要煤层,煤层二世和VI在本地可开采的煤层。的平均厚度和倾角煤层V 2.42 m和25°,分别。我投入运营以来,煤与瓦斯突出发生106次,以及突出的类型主要是挤压和倾诉。最大的煤炭爆发数量是430吨,最大瓦斯突出数量是46000米3。随着开采深度的增加,爆发频率和强度增加。虽然已经完成了许多项目通过煤层钻孔通过地板在矿井巷道,钻孔,直径65毫米,并不理想。提取时间长、提取浓度很低,和地区爆发消除成本相对较高。因此,它是非常重要的,以确定合适的钻孔直径和塑性区范围。


图1
我的位置浦西。

3所示。数值模拟井眼周围的塑性区

3.1。模型和计算参数

摘要COMSOL多重物理量是用来模拟,研究在交叉钻孔周围煤体塑性区与不同孔隙大小。模型尺寸选择的范围取决于井眼周围应力变化的影响。根据理论分析,煤的局部变化的身体只有在有限范围内产生重大影响,和压力的变化可以忽略不计的当地的建筑工地。根据2254年我在浦西工作表面的特点,建立了模型。因为模型的对称性,只有一半的计算域被用来实现数值解。一个 模型建立,如图2。钻孔位于模型的左边界的中心。模型的底部边界是固定的,也就是说,垂直位移是0,左边界对称约束,和右边界水平限制,也就是说,对边界的水平位移是0,和顶部边界的均布荷载为1.3 MPa模拟重量上覆岩体的边界。煤层的基本参数如表所示1。


图2
几何模型。
表1
煤层的基本参数。
3.2。数值模拟分析结果

完成后的钻孔,钻孔周围的应力场变化和重新分配。煤炭的身体会扩大、变形和向井流动,导致塑料煤体内的失败。在井眼形成过程中,煤的身体附近钻孔逐渐熊的支持压煤的身体。煤矿井眼附近的身体显示应力集中状态,损害相邻地区煤炭的身体因为强度低于集中应力和塑性区。

如图3后,完成钻孔、塑性区、弹性区,和初始应力区先后从内到外的、井眼周围形成的。因为钻孔周围的煤是难以承受很大压力,集中应力的峰值移离井壁,和井眼周围的应力由煤逐渐减少,最后降低了比原来的压力,压力释放的过程。当煤体内的压力在一定距离钻孔低于煤体内的力量,只会导致一个弹性改变而不是塑料的煤的身体,不会减少在这方面的压力。因此,塑性区范围,可以表示塑性区半径,将影响钻孔卸压的范围。


图3
井眼周围的应力分布规律。

图4显示钻孔周围的塑性区分布的75毫米,87毫米,94毫米,105毫米,113毫米从左到右。钻孔孔径的增加,井眼周围的塑性区逐渐增加。如图3煤的身体进入了塑性状态时,最大切向应力转移从钻孔的外围连接的弹性区和塑性区。它扩展到煤的身体,切向应力逐渐返回到初始应力,切向应力的峰值点和有效塑性应变为零的边界塑性区。

(一)钻孔直径75毫米
(一)钻孔直径75毫米
(b)钻孔直径87毫米
(b)钻孔直径87毫米
(c)钻孔直径94毫米
(c)钻孔直径94毫米
(d)钻孔直径105毫米
(d)钻孔直径105毫米
(e)钻孔直径113毫米
(e)钻孔直径113毫米
图4
不同的孔隙大小的塑性区。

如数据所示5和6,钻孔周围的切向应力增加,随后减少,而井眼周围的煤的有效塑性应变逐渐随井眼中心的距离增加而降低。因此, - - - - - -坐标对应的切向应力峰值点和点的有效塑性应变成为0塑性区半径的定义。


图5
切向应力分布不同的孔隙大小。

图6
不同的孔隙大小的有效塑性应变。

如表所示2水井的塑性区半径与孔隙大小的75毫米,87毫米,94毫米,105毫米,113毫米和46.3毫米,53.9毫米,57.6毫米,65.0毫米,70.3毫米,分别。因此,一个更大的孔隙大小对应于一个更大的塑性区和大范围的压力释放。从天然气开采的角度、更大的钻孔直径对应于一个更大范围的卸压煤的身体和一个更好的天然气开采效果。

表2
模拟的塑性区半径不同的孔隙大小的水井。

4所示。修改后的模型塑性区范围

4.1。塑性区范围的基本模型

分析钻孔的塑性区之前,我们可以假定一些条件将井眼周围的应力分布转换成一个圆孔的平面应变问题:(1)井眼围岩的是均匀的,连续的,和理想弹塑性各向同性体;(2)煤的特性在不同的方向是相同的;(3)井眼形成后,横向和纵向位移和变形小;(4)围岩侧压力系数是1。

建立了平面坐标系统与井眼的中心为原点。飞机的任何点之间的距离和井眼的中心 。如果塑性区半径 ,凝聚力的变化梯度塑性区可以表示为方程(1)。 在哪里 是变化的梯度; 最初的凝聚力,MPa; 剩余的凝聚力,MPa; 塑性区半径,m;和 井眼半径,m。塑性区,凝聚力的距离 钻井中心可以表示为方程(2)。

在弹性区, 。对于轴对称问题,压力满足平衡方程,方程(3)可以获得。 在哪里 径向应力,MPa, 切向应力,MPa。在塑性区岩体材料满足平衡方程和相应的屈服准则。因此,在本文中,莫尔-库仑准则,目前使用最广泛的标准,仍在使用。在极坐标,莫尔-库仑准则可以表示为方程(4)。 在哪里 ; 煤的内摩擦角,°。

以下4.4.1。在塑性区应力

代入方程(4)方程(3)获得方程(5)。 在哪里 。使用微分公式,方程(6)。

用方程(2)方程(6),结合 ,我们得到方程(7)。

当 等于 , 等于0。因此,可以通过获得的积分常数 和 并结合应力边界条件。因此,方程(8)可以获得。

用方程(8)方程(4),我们得到方程(9)。

根据总塑性理论, 等于0的平面应变问题。因此,塑性本构方程(10)可以获得。 在哪里 是径向应变; 塑性指数; 疲软的剪切模量,MPa;和 切向应变。弹性本构方程(11)如下: 在哪里 泊松比; 弹性模量,MPa。我们代入方程(8)和(9)到方程(10)和(11)获得应变表达式如方程(12)。 在哪里 和 径向应变和切向应变的塑性区,分别MPa。

4.1.2。压力在弹性区

压力的解决方案在弹性区域可以表示为方程(13)。 在哪里 和 是待定系数。

当 趋于无穷时, ;当 等于 , 。同时,弹塑性界面满足方程(14)。 在哪里 是初始压力,MPa。

方程(15)可以得到方程(14)方程(3)。

用方程(15)方程(13),我们得到方程(16)。

用方程(16)方程(11),我们获得应变在弹性区域。 在哪里 和 径向应变及切向应变在弹性区,分别MPa。

4.1.3。塑性区半径

在弹塑性界面, 和 。因为 ,方程(18可以根据方程(获得)8)和(16)。

用方程(1)的表达式 和 在方程(18),我们得到的塑性区钻孔的范围。

特别是,当井眼围岩的理想弹塑性体,方程(19)可以减少方程(20.)。

4.2。修改后的模型塑性区范围

水井的塑性区半径不同的孔隙大小,由公式计算(20.),如表所示3。

表3
计算的塑性区半径与不同的孔隙大小的水井。

表2和3表明有一个错误在数值模拟和计算塑性区半径。因此,公式(20.)必须纠正。图7显示了塑性区范围的变化规律与井眼半径的变化规律,两种方法之间的不同半径的确定。


图7
塑性区半径的比较。

如图7,两种方法之间的差异显示了一个近似的一阶函数与半径方程(21)。 在哪里 的区别是,m; 斜率是。计算后,斜率为0.12,所以修改后的方程所示方程(22)。 在哪里 修改后的塑性区半径,m。表吗4显示了一个比较计算的塑性区半径方程(22)和模拟半径。

表4
塑性区半径的比较。

表4表明,塑性区半径之间的误差计算方程(22)和模拟半径在1%,这证明了方程(22我)适用于浦西。在方程(22),初始应力、凝聚力和内摩擦角是常数,所以方程(22)是一个一阶半径的函数。根据方程(22),当半径增加,钻孔周围的塑性区也增加。钻孔卸压的范围会增加,以及钻孔的天然气开采的影响将会改善。

5。分析影响天然气开采下不同的钻孔的塑性区范围

5.1。测试方法

研究塑性区之间的关系不同的钻孔和天然气开采的效果我在浦西,塑性区半径的影响46.4毫米,53.8毫米,58.1毫米,64.9毫米,69.9毫米在天然气开采效果初步确定,调查,和气体浓度的变化,混流率和纯流在不同塑性区钻孔的调查。原则上,测试区域,我们选择一个新挖掘地面道路的长度超过150米,和测试网站确定为2254楼巷道结合我浦西的现场条件。

5.2。建设和钻孔的密封
5.2.1。应用新型Antispray孔设备的软煤层

期间或之后的建设大水井,煤粉和天然气不断射精的水井在很短的时间内由于软煤的煤炭质量V我在浦西。这种现象称为钻孔喷涂。瓦斯涌出大量的钻孔在很短的时间内将使隧道中的气体浓度异常增加,危及地下施工人员的人身安全。解决异常问题的气体浓度的增加引起的巷道钻孔喷洒在高度瓦斯和软煤层,设备采用一种新型antispray洞在测试减少钻孔喷涂造成的破坏,如图8。


图8
新型antispray孔设备。

如图8的设备是由气缸上部和更低的半圆弧形板。在钻孔施工过程中,如果发生钻孔喷涂,气体抽出泵将立即打开了。当煤粉和天然气通过antispray孔设备,气体通过泵的空气孔进入气室负压的作用下,随后进入气体抽出泵通过提取短管。煤粉失去动能和流出之间的空间上下汽缸半圆弧板。在使用过程中,气体浓度可以监测气体浓度监测,以确定钻孔喷涂已经停止。与现有设备相比,新型antispray孔设备结构简单,安装和拆卸方便。它可以有效地减少钻孔喷涂时的气体浓度。与此同时,它可以将煤粉和天然气两次以确保瓦斯抽放效果,最后确保巷道的安全人员。应用这种新型antispray孔设备解决了这个问题,巷道中的气体浓度异常增加钻孔施工过程中由于气体泄漏。

5.2.2。钻孔密封

钻孔密封的质量直接影响天然气开采煤层的影响。通过选择合适的钻孔密封技术和材料,钻孔密封的质量和效果可以提高天然气开采的煤层。因此,钻孔施工完成后,“两个模块和一个注入”密封技术是选择钻孔密封(见图9)。灌浆和封孔的过程在图中进行了描述10,注浆管注入phosphogypsum-based自产气体膨胀材料粘贴到包,和摩擦生成袋和袋后的井壁之间的扩大。在注浆泵的持续作用下,周围的泥浆会填补裂缝井壁,防止气体流出的裂缝。


图9
“两个模块和一个注入”原则密封技术。

图10
封孔过程。

的phosphogypsum-based自产气体膨胀粘贴材料由以下组件:55部分磷石膏,30部分水,9部分水泥、聚氧乙烯烷基胺的0.18部分,0.9部分的羟乙基纤维素、丙烯酸的0.22部分,0.39部分显示出钠,0.01部分的氨过硫酸盐,4.0部分碳酸氢钠和0.3部分微粒硅粉。的制备方法是添加聚氧乙烯烷基胺与丙烯酸水搅拌成混合物。然后,水泥、羟乙基纤维素、氨过硫酸盐、甲基丙烯磺酸钠、微粒硅粉和小苏打添加磷石膏形成混合粉。最后,混合粉添加到混合和搅拌浆扩展。的phosphogypsum-based自产气体膨胀粘贴材料在室温下反应缓慢,具有良好的流动性,可以注入裂缝,具有较高的抗压强度。与此同时,它可以提高磷石膏的利用率,减少对环境的污染。

比较之前和之后的井壁裂缝充满了phosphogypsum-based自产气体膨胀粘贴材料如图11。当密封部分粘贴材料,关闭卸料管和粘贴材料膨胀和填充井壁周围的裂缝沿井眼直径的影响下灌浆压力。的制备过程phosphogypsum-based自产气体膨胀粘贴材料,聚氧乙烯烷基和羟乙基纤维素的加入可以提高泡沫粘度。因此,泡沫可以扩大,但表面不被破坏。如图12泡沫分布是均匀的,泡沫的结构墙完好无损。因此,粘贴材料进入裂缝后,它可以有效地密封裂缝,提高密封质量。此外,在正常温度下,粘贴材料缓慢反应,从而很好地保证了粘贴材料进入裂缝后流动性。


图11
灌浆前后比较。
(一)
(一)
(b)
(b)
图12
光学微结构的粘贴材料。
5.3。测试的结果

如图13,每个钻孔的调查区域塑性区被定义为一个单位,分成五个调查单位,每个单位有5个钻孔,和五个钻孔提取每个单元的网络化。“两个模块和一个注入”密封技术和phosphogypsum-based自产气体膨胀粘贴材料被用于测试改善密封质量和气密性。气体混流,因此,准确数据纯流和浓度测量。钻孔施工完成后,密封,每日气体混合流,纯流,每个单元的浓度测量了15天。管道上的阅读红外甲烷传感器是每个单元的气体浓度,和阅读多参数传感器对矿井瓦斯开采每个单元的混合流和纯流,如图14。


图13
钻孔施工和钻孔网络。

图14
流动气体的浓度。

平均混流的变化规律,纯流,浓度在不同单位的前15天图所示15。在图15,当井眼的塑性区半径增加从46.4毫米到69.9毫米,混流增加从0.061 m30.268米/分钟3/分钟,纯流增加从0.027 m30.196米/分钟3/分钟,浓度从44.53%增加到73.03%。在塑性区半径的增加提高了天然气开采效果。


图15
流量和浓度的变化。

一方面,增加钻孔导致的塑性区增加了钻孔卸压圈,导致天然气开采效果更佳。另一方面,增加塑性区半径的钻孔,有必要扩大钻孔直径,施工难度增加,施工成本,施工风险。因此,为了实现安全、成本最小化和最大化提取,有必要分析混流和纯流的变化相对于不同的塑性区半径的增加塑性区,如表所示5。

表5
混流和纯流的相对变化。

如表所示5、混流的相对变化从5.68增加到21.58,随后下降到7.60,而纯流的相对变化从3.92增加到18.42,随后下降到6.2。与塑性区半径的增加,混流的增加率和纯流先增加,然后降低。因此,考虑到安全与经济建设,优化塑性区半径为64.9毫米。

6。结论

(1)COMSOL多重物理量用于模拟煤的塑性区钻孔。更大的钻孔孔对应于一个更大的塑性区和更大范围的卸压钻孔。塑性区范围的基本模型,建立了压力和弹性区和塑性区半径都是派生的一步一步。通过比较塑性区半径的数值模拟和计算,塑性区半径的理论公式的修改。结果表明,修改后的方程适用于浦西(2)新型antispray孔设备用于构造一个钻孔,和钻孔喷涂造成的损失和伤害降低。“两个堵和一个注入”密封技术和phosphogypsum-based自产气体膨胀粘贴材料用于块钻孔,和密封质量提高(3)准确的气体混合流、纯流和浓度。的增加塑性区,流动的天然气开采逐渐增加,但相对变异流先增加然后减少。因此,考虑到安全与经济建设,优化塑性区半径是64.9毫米

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是财务支持的湖南省研究生创新基础(CX2018B657),安全生产重点实验室的基础在预防和控制的气体和中国南部煤顶板灾害(E21825),中国国家自然科学基金(51974299,51974299,51974299,51974119),湖南省青年人才(2020 rc3047),以及中国的湖南省自然科学基金(2019 jj50180和2020 jj4023)。