文摘

为了实现高效提取和大口径钻孔煤层大流量,并迅速降低煤层瓦斯含量和压力,一个大口径钻孔煤层卸压和渗透性增强技术。本文数值模拟是用来研究减压和渗透性增强的机制与大直径钻孔煤层,和的进化压力,裂缝,天然气和煤的渗透率的身体周围钻孔直径不同,进行了探讨。研究结果表明,钻孔周围煤体的应力变化钻孔周围对称分布。压力演化控制煤炭的发展身体的裂缝。首先,损害发生在钻孔,然后延伸到上面的左边和右边的角落里,像一只蝴蝶翅膀蔓延。破碎带孔直径的增加而增加,影响半径的100毫米,200毫米,300毫米,350毫米直径井眼破裂是0.375米,0.65米,1.0米,1.25米,分别。的破裂半径双350毫米钻孔直径可达2.4米。钻孔的直径越大,越会产生裂缝,空气渗透率影响煤层地区煤炭的身体会明显提高。研究结果提供理论支持瓦斯抽放软,低渗透性,汽油煤层。

1。介绍

煤层渗透率限制了瓦斯抽放效率。世界上大部分的煤与瓦斯突出矿井10之间通常有煤层渗透率⁴和10³医学博士(1- - - - - -3]。随着煤矿开采深度逐渐增加,原岩应力逐渐增加,煤的渗透率开始逐渐减少(4- - - - - -8]。这也是气排水的困难的原因。尤其是在结构煤层,可怜的渗透性的特点,在煤体内瓦斯含量高、和低强度,这使得它很难提取气体在煤层9- - - - - -12]。

当前传统解决汽油和低渗透性煤层增透技术包括采矿减压、水力压裂、水力切割,钻孔和空化,炸药爆破,爆破和二氧化碳。开采卸压和渗透性增强技术改变了煤体内气体流速和煤的渗透系数的身体本身,和气体排放增加,导致气体分析和扩散的毛孔,瓦斯抽放提供依据(13- - - - - -20.]。高能液体disturbance-induced压裂增透技术使用特殊液体影响煤的身体,调整压力场,增加孔隙和裂缝的长度和数量在煤体内,扩大开放程度,增加煤层之间的互联区域(21- - - - - -25]。空气渗透系数可以减压的要求(26]。它主要包括两类:高压水力压裂和高压水射流27- - - - - -33]。钻探技术的机制和方法是形成一个腔煤岩体在特定位置,从而改变煤炭质量的压力,重新分配孔和缝隙的煤炭质量,并形成新的空白适合所需的状态,从而宣泄煤炭质量(34- - - - - -36]。确保安全、高效开采高气体和低透气性煤层,关键的问题是如何使解除吸附和释放大量不断地快速吸附气体在低透气性煤37- - - - - -39]。目前,柔软和低渗透性煤层排水体积小的特点,排水浓度低,和快速流衰减predrainage期间,严重影响predrainage效应(40- - - - - -42]。

研究钻井在软的机理和低渗透性煤层强化瓦斯抽放;实现大孔径、流量大、高效开采煤层;并迅速降低煤层瓦斯含量和压力是迫切需要解决的重要问题。大直径钻孔钻井使用的障碍。裂隙场的演化机理,煤的渗透率,渗流场钻孔的先决条件是揭示了气体迁移机制和制定瓦斯抽放技术。数值模拟和理论分析的气体迁移机制煤层在不同钻井组合提供理论支持瓦斯抽放软,低渗透性,汽油煤层。

2。卸压原理和渗透性增强煤层的大直径钻孔

瓦斯含量方程可以表达如下根据瓦斯含量系数法: 在哪里是在煤岩体瓦斯含量,m³/ m³;煤层瓦斯含量系数;是煤层的瓦斯压力,MPa。

气固耦合方程之间的主要区别和液固耦合方程是气体的压缩性和质量变化的气体的吸附和分析。

当元素的应力状态和应变状态将满足给定的损伤阈值,元素开始被损坏,损坏的元素的弹性模量 在哪里损伤变量;和受损,未损坏的元素的弹性模量;这些参数被认为是标量。

单轴压缩破坏标准的单位采用莫尔库仑准则,即 在哪里单轴力的单位,和最大和最小主应力的单位,分别内摩擦角,单轴抗压强度。

当剪切应力达到莫尔-库仑破坏阈值,损伤变量表示如下: 在哪里单轴压缩残余强度;最大压应变;残余应变。实验表明,损伤会导致空气渗透系数的时间增加了几句话,和单位空气渗透系数的变化可以描述由以下公式: 在哪里是初始渗透系数;孔隙压力; 是空气渗透系数,增加了放大,孔隙压力系数和耦合系数。

3所示。数值分析的压力释放和渗透性增强煤炭身体周围的一个洞

这项研究是进行Shiquan煤矿3 #煤层。整个模型是由煤层和屋顶和地板的岩石。钻孔直径100毫米,200毫米,300毫米,350毫米,分别模拟压裂井眼周围的煤和通透性增强。

单层煤炭身体是用于建立一个模型。煤层模型沿走向的长度是9米,高度为6米,加强水井设置在1.2米的高度。根据地层的平均总厚度178.50米,垂直地面压力设置为4.0 MPa,模型分为 ,共有86400个单位。

两端的边界条件如下:横向约束,上端是可移动的,底端是固定和克制,在空气分离。计算参数如表所示1。

3.1。减压的法则和渗透性增强约100毫米直径钻孔

模拟最大主应力演化的云图100毫米钻孔周围煤体中显示数据1和2。可以看出,在钻井过程中,井眼周围的主应力是重新分配,有显著影响周围的煤层钻孔的稳定性。钻孔后,井眼周围的主应力急剧增加,和分布更明显的两边的钻孔。井眼周围应力的增加导致钻孔周围煤体破坏,应力释放和减少,形成一个卸压区;相邻煤炭身体压力突然增加,其次是毁灭,所以继续扩展在钻孔周围。

后形成一个椭圆断裂带在钻孔的主要压力增大向左上角,右上角,左下角和右下角的钻孔。破裂带的范围进一步增加,最终损害区需要一个蝴蝶的形状。图2显示了煤炭后的应力分布曲线的身体坏了(身高1.4米)。可以看出,钻孔周围煤体应力两侧对称分布的钻孔井为中心。

煤的身体损伤与断裂的过程可以通过声发射特征。图3是一个云的声发射过程的进化图100 - mm直径钻孔。可以看出,当煤炭的身体开始被破坏,破坏首先出现在水平位置;然后两边的钻孔声发射现象逐渐增加,这意味着损害继续形成井眼周围,和损伤面积椭圆;左上、右上、左下、右下的钻孔继续发展,破坏变得越来越强烈,形成了一个钻孔周围裂隙网络。煤炭损失和破坏的过程在井下钻孔周围对称分布。最终损害周围钻孔蝴蝶形状,和破坏倒塌的孔半径约为0.375 m。

后钻孔,因为钻井产生裂缝和崩溃在身体周围的煤,煤的身体上的压力有效地减毒,和空气渗透率的增加,这样最初气体吸附在煤的身体可以被释放,以便钻孔的气体被释放。浓度急剧增加。图4显示了数值模拟的气体速度变化图。可以看出,气体排放速度是非常高的初始阶段,然后突然下降。逐渐慢下来,计算50步后,气体排放体积增加了波动。这是因为新的地方破坏发生在左上角和右上角的钻孔,导致气体喷出来在一个集中的方式。因此,值得指出的是,在钻孔煤粉碎过程中,可能存在一种现象,由于注气洞碎煤的积累。

3.2。减压的法则和渗透性增强约200毫米直径钻孔

图5解释了进化的云图最大主应力引起的周围煤裂缝的发生和扩张后钻一个直径200毫米的洞。可以看出,钻孔周围的煤压力与井眼为中心对称分布。钻孔后,周围的煤压力增大,水平方向的面积变化比较大。损害形成stress-concentrated地区环境和继续扩大,最后椭圆井眼附近的破碎区;然后压力在左上角和右上角的钻孔增加,同时,它以一定角度向上延伸形成的主要断裂。从图6,可以看出,最终损害区域作为一个整体呈现出“V”形的张角大约80°。削弱的过程中井眼周围的应力的过程和形成破碎区就像“蝴蝶展开翅膀。”

200毫米钻孔声发射云图像如图7。可以看出,煤炭的身体开始接受49-1步中明显的损害。因为双方的压力相对集中,声发射第一次出现在水平位置,钻孔周围的损害继续进行,形成一个椭圆损伤区域;然后破坏发生在左上角和右上角的钻孔,和损害发生在一定的水平。的角度继续扩展的上部煤层;在延伸过程中,裂缝发展越来越主要的裂缝,形成和直接继续出现在主裂缝,身体的损伤和破坏煤增加;损伤区周围形成的洞是“蝴蝶形状的”损害半径约为0.65 m。

的故障演化过程与100毫米直径钻孔,损坏的位置开始和损伤扩展的过程大致是相同的,他们都表现出“蝴蝶形状”。然而,由于增加的直径200毫米钻孔,钻孔后的剪切主应力变化面积较大,导致更大区域的损伤周围的煤的身体,和“蝴蝶传播”的过程变得更加明显。

图8表示比较的流量变化过程曲线100毫米和200毫米直径钻孔。的曲线可以看出,气体流量变化过程的两个大致相同,都经历了大幅减少气体排放,然后改变往往是平的,最后的波动增加。由于大破坏面积由200毫米钻孔,新添加的气体量大,气体衰减趋势很小。

3.3。减压的法则和渗透性增强约300毫米直径钻孔

云的进化图最大主应力呈现在图9当煤300毫米直径钻孔周围的裂缝扩大。可以看出,增加和钻孔周围煤体应力的衰减是类似于100毫米和200毫米直径钻孔;然而,300毫米钻孔应力衰减的变化更快,和步骤的数量的失败开始和步骤完成的数量都高于100毫米。少孔的直径200毫米,和最后的张角“V”形破碎区较大,约90°角。

图10是主要的应力分布曲线的200毫米和300毫米直径钻孔。可以看出,主应力分布趋势形成的两个是大致相同的失败,他们与井眼为中心对称分布。然而,300毫米钻孔的压力较低,因为破碎地带的范围由300毫米钻孔是广泛的,压力衰减的范围更大,井眼附近的卸压区形成半径也大。

300 -毫米钻孔声发射进化云图呈现在图11。可以看出,钻孔周围煤体声发射进化与井眼为中心对称分布;以同样的方式,他们都显示“蝴蝶翅膀传播的过程。“然而,声发射的初始数量的步骤和最终失败之后的步骤300毫米钻孔的速度比100毫米和200毫米钻孔;钻孔周围的损伤区形成,主要的裂缝扩展从左上角和右上角,派生断裂网络更广泛,和损害半径约为1.0 m。

图12是一个比较气体流速曲线变化为200毫米和300毫米直径钻孔。可以看出,这两个的气体排放速度大致相同的趋势;因为300毫米钻孔的面积较大,初始排放速度较低。断裂演化的过程中,步骤的气流波动现象300毫米直径钻孔比早些时候由于失败是200毫米直径钻孔。

3.4。减压的法则和渗透性增强约350毫米直径钻孔

云的进化图的最大主应力引起的煤裂缝周围350毫米直径钻孔如图所示13。井眼周围的应力变化对称分布。压力增加和衰减的过程类似于100 - 300 mm直径钻孔,但350毫米钻孔产生变化更快,步骤的数量开始失败,步骤,最终彻底失败的数量都是先进的,张角的最后的“V”形破碎区较大,大约110°。

图14演示了4种不同的主应力分布曲线直径钻孔。可以看出,煤炭井眼周围的应力都是对称分布的钻孔,和主应力分布趋势大致相同。由于不同的半径,四种类型的水井有不同范围的破碎区在身体周围的煤。钻孔越大,破碎区越大,应力影响范围越大,平滑的压力变化趋势,和卸载在井眼附近,形成夹面积越大。

图15是一个云的声发射过程的进化图350 - mm直径钻孔。像前面的钻洞,造成的故障声发射的进化是与钻孔为中心对称分布。从计算步骤44-1,损害发生在双方的煤的身体,继续坍缩形成黑洞。然后新的损伤声发射出现在左上角和右上角的井眼,继续以一定角度。的上部煤层主要延伸形成宏观裂缝。同时,直接来源于主裂缝形成裂隙网络,这使煤体的损伤和破坏,显示“蝴蝶形状的损害。

比较100毫米,200毫米,300毫米和350毫米钻孔声发射过程进化云图,不难看到,煤炭的身体损害与井眼为中心对称分布,以及起始位置的伤害,破坏变化,和扩张过程大致相同,破坏过程性能是“蝴蝶翅膀传播”;然而,随着钻孔的孔直径变大,煤的面积在钻孔剪切主应力变化也在增加,地区造成的损害也增加。主要裂缝和裂隙网络扩大,和步骤形成裂隙网络的数量减少了。

图16解释了气体流量的变化曲线4类型的水井。可以看出,气体排放趋势4类型的水井是大致相同的。破裂形成的左上角和右上角钻孔气体流量突然增加和波动造成的。

4所示。数值分析的压力释放和渗透性增强约350毫米直径钻孔的两倍

模型将是9米长,6米高,350毫米双钻洞设置在1.2米的高度。模型如图17。计算步骤的数目设置为100步,停止计算,直到大裂缝井眼周围逐渐形成。模型参数表如表所示1以上。

云图引起的最大主应力演化的扩张煤炭裂缝周围350毫米双水井呈现在图18。双水井的应力变化过程是大致相同的,单钻孔:周围的煤体内的压力突然增加钻孔后最初钻,然后钻孔周围煤体破碎形成一个椭圆减压区,博彩所示的计算步骤,然后压力在左上角和右上角的钻孔开始增加,向上扩展在一定的角度。计算57-31最后一步时,很明显,压力衰减区和衰减区形成的压力变化在左上角和右上角都清楚地看到。整体外观是一个大型的“V形”约140°角。压力变化的衰减过程的双洞周围的煤体的过程也像“蝴蝶展开翅膀。”

图19是主要的应力分布曲线350毫米单洞,双洞在3.5米的高度。它可以发现两者的应力分布是对称分布在中心位置,和最后失败的350毫米双洞早于350毫米单洞,和压力衰减变化面积较大;在左上角和右上角的钻孔,广场,生成的主要裂缝的数量扩张的距离,和裂缝网络的形成的范围更大的一个洞,甚至裂纹扩张的速度快的一个洞。最后破碎区显示了一个“V”形,双孔的孔径角也大,大约140°。

图20.是云声发射过程的演变图与350毫米直径双洞。钻孔的过程声发射损伤演化是对称分布的两个钻孔的中点为中心。声发射失败的过程从计算步骤,比率是30 - 1两个洞之间的首次出现,然后出现在双方的煤炭身体和继续发展。破坏进展,声发射继续左上角和右上角的钻孔,形成主要的裂缝。与主裂缝,直接推导形成裂隙网络,这样煤炭的身体裂缝发育完全,最后破坏区域显示为“蝴蝶形状”;见57-31计算步骤,破坏半径约为2.4 m。

比较单孔和double-hole声发射进化云350毫米直径,地图的损伤和破坏周围的煤体钻孔分布对称,破坏和膨胀过程大致相同,伤害和扩张的形式是“蝴蝶。“双洞受损之间的位置两个洞,裂缝主要有派生的更远,损坏面积广泛,和裂缝网络形成较大,然后两侧扩展,最后形成时间较短。

图21是一个比较图350毫米之间的气体流量和双孔单洞。350毫米的气体排放变化过程单洞,双洞是大致相同的,并且都经历了一个过程从急剧下降从初始位置到逐步改变最后一种波动现象的破坏煤的身体。

5。结论

(1)钻孔周围煤体的应力变化在钻孔对称分布,从井眼附近的左上角和右上角在某个角度,如蝴蝶展开翅膀。最后的形状是一个“V”的形状以开放的角度。因为它变得越来越大,压力影响的范围变得越来越广泛。的失败最后时间350毫米双洞早于350毫米单洞,和压力衰减变化面积较大,和“V”形的张角也大(2)压力控制煤炭裂缝的发展进化。首先,损害发生在钻孔,然后延伸到上面的左边和右边的角落里,像一只蝴蝶翅膀蔓延。破碎带孔直径的增加而增加,影响半径的100毫米,200毫米,300毫米,350毫米直径井眼破裂是0.375米,0.65米,1.0米,1.25米,分别。350毫米的损伤和扩张过程双洞是大致一样的350毫米单洞,但两个洞之间的损害发生第一次,最终形成时间较短,破裂半径可以达到2.4米(3)不同直径下,气体排放来自煤机构的法律是大致相同的。随着钻井半径的增加,初始气体排放速率逐渐降低。钻孔的直径越大,越会产生裂缝,空气渗透率影响煤层地区煤炭的身体会明显提高。350毫米的气体排放变化过程单洞,双洞是大致相同的

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提交文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。