文摘

为了提高瓦斯抽放效率,合理布局参数对巷道钻孔头了。假设煤质量具有双重孔隙结构与骨折和毛孔,multiphysical场耦合数学模型,提出了瓦斯抽放。控制方程的气体吸附、渗透和扩散。气体preextraction和excavating-extraction协作的过程中巷道标题脸上2606年邢台矿的运输巷道建模有限元(FE)方法。瓦斯抽放的影响在不同钻井安排进行了分析。结果表明,气体含量的减少最快速度发生在排水的开始,和减少气体含量的速度在后期趋于稳定。删除predraining在巷道头上后,气体含量在巷道煤壁的中心正面临将反弹。钻孔之间的夹角和巷道中线确定瓦斯抽放的空间区域。过小夹角的面积将减少气体含量减少,而太大夹角将导致盲区两边的道路。钻孔间距的变化影响瓦斯含量的降低率在巷道周围岩石和煤。 Large spacing may cause an inadequate decreasing rate in the middle of the roadway, while small spacing may cause an inadequate decreasing rate in both sides of the roadway. In the field application, the pure gas flow and gas concentration of drainage show a downward trend in whole. The gas concentration decreased from 13.2% to 10.8%, and the pure gas flow decreased from 10.6 m³8.15米/分钟³/分钟。研究成果可以在地下巷道瓦斯抽放提供依据。

1。介绍

煤矿瓦斯是煤炭生产的主要危害,它也是一种清洁能源1]。随着开采深度的增加,煤层的渗透率逐渐降低(2,3]。在这种情况下,危险和煤与瓦斯突出强度增加(4]。地下瓦斯抽放是主要的方法来减少气体含量,防止气体灾害(5,6]。因此,研究渗流规律和合理的钻井布局参数在瓦斯抽放有效气体predrainage和降低工程成本的重要意义。

前人已经做了很多研究渗流法在瓦斯抽放。吴(7)提出了一个基于交互的气煤耦合模型中气体扩散,渗透和煤变形。阴et al。8,9)被认为是克林肯伯格效应和ab /解吸诱导应变效应建立气固数学模型进行数值模拟和有限的帮助元素。Zhang et al。10)获得的孔隙度和渗透率方程吸附变形引起的。根据气体渗流特征和煤渗透率动态变化,梁等。11]研究了气体在裂缝渗流过程,微孔吸附气解吸和扩散,煤岩体的变形,建立了渗流模型。林等。12)建立了一个稳定的物理扩散的耦合模型,应力和渗流领域,介绍了动态扩散系数研究渗流演化在瓦斯抽放。此外,一些学者研究了煤的解吸和吸附行为在微观层面(13,14)和聚合物在煤的解吸和吸附的影响15]。对钻孔间距也小间距的工作量会增加钻井施工和增长的不稳定风险钻井如皮尔斯或崩溃洞造成煤和岩石的卸压破坏,而太大间距将排水的盲区,这不仅难以消除的爆发也加剧燃气事故的隐患16]。为此,学者们发起了一项研究提取半径。Zhang et al。17)使用自主研发的设备进行实验研究在不同钻井安排和探索提取半径时,钻孔与彼此互动。林等。18]研究了吸附常数对提取的影响半径通过数值模拟。秦et al。19获得合理的排水系统参数通过排水半径的研究。这些提供一个参考的数值模拟和工程实践地下瓦斯抽放。

然而,很少有研究对天然气predrainage和excavating-drainage协作在巷道的头上。本文的假设是基于双重孔隙度和渗透率和全面考虑气体滑脱效应,有效应力、煤层和变形特征,和多重物理量耦合模型组成的流体迁移、压力下煤变形,建立了气体扩散控制方程。这个数学模型嵌入到菲software-COMSOL多重物理量,来模拟瓦斯抽放的2606年邢台煤矿运输巷道。天然气predrainage和excavating-drainage协作的流程在不同方案模拟巷道头上。研究结果可以为排水水井布局的优化提供指导。

2。煤层瓦斯抽放的数学模型

2.1。一般的假设

基于煤层内气体运输的一般规律和相关文献[20.- - - - - -23),提出了一些假说:(1)煤岩体具有双重孔隙结构与pores-fractures组成。(2)气体在煤基质的孔隙系统遵循菲克扩散定律,和天然气渗流在断裂系统遵循达西定律。(3)水只在骨折。(4)忽略温度对瓦斯抽放煤层的影响。(5)天然气被视为理想气体。(6)拉应力为正。

2.2。渗透率演化模型

根据假设,基质孔隙度模型可以获得(24]: 在哪里是原始矩阵孔隙度; 是毕奥的系数矩阵;煤的体积弹性模量,平均绩点; 是煤炭骨架的体积弹性模量,平均绩点;是煤炭骨架的弹性模量,平均绩点;煤的泊松比; 是矩阵孔隙压力;是体积应变;术语“0”代表的原始值。

煤吸附气体应变骨架之间的关系和吸附量可以表示如下25]: 在哪里是吸附诱导应变因素,公斤/米³;吸附气含量,米³/公斤。

根据修改后的朗缪尔方程,吸附气含量可能表达了以下(26]: 在哪里和朗缪尔常数;气体压力在煤炭矩阵,MPa。

裂缝孔隙度模型如下(27]: 在哪里是原来的裂缝孔隙度; 有效刚度,绩点;裂缝宽度,m;骨折刚度,GPa / m。

裂缝的渗透率可以获得的立方定律(28]: 在哪里是原点渗透率,米²。

将说明气体的相对渗透率和水传输速度两相流,这是衍生如下(29日]: 在哪里是气体端点渗透率;含水饱和度;束缚水饱和度;残余气饱和度;是水端点渗透率。

2.3。渗流场控制方程

2.3.1。气体传输矩阵

气体质量在一个单位煤炭矩阵包含自由和吸附组件(30.]: 在哪里煤的密度骨架,公斤/米³;在标准条件下气体密度,公斤/米³。

满足理想气体定律,气体密度可以得到如下: 在哪里气体摩尔质量,克/摩尔;摩尔气体常数,J /(摩尔·K);MPa的压力;是煤温度,K。

由于排水的影响破坏的动态平衡气广告/解吸,煤层的自由气体矩阵孔隙扩散到煤炭断裂由浓度差引起的。煤的气体平衡矩阵可以来自菲克扩散定律。对于[28), 在哪里气体吸附时间、年代;破裂压力,MPa。

结合方程(3)和(7)- (9),煤炭矩阵是天然气运移的控制方程。

2.3.2。裂缝内流体迁移

采用修改后的达西定律来控制流体流动的气体和水在骨折31日]: 在哪里MPa是克林肯伯格的因素;是水相对渗透率;气相对渗透率;是水的动态粘度,Pa·s;气体的动态粘度,Pa·s。

骨折的气-水平衡方程表示如下(32]: 在哪里意味着气体饱和度和意味着水密度,公斤/米³。

2.4。应力场控制方程

煤层变形固体应力引起的应变,气体和水压力引起的压力,和天然气吸附引起的应变。煤的应力-应变场的控制方程如下(33]: 在哪里煤的剪切模量,平均绩点;是骨折的流体压力,爸爸;是体积力,平均绩点;是毕奥系数的骨折。

3所示。物理模型和解决方案的设置

3.1。研究案例

邢台煤矿位于山西省沁水盆地的东部边缘。区域地层划分属于地层社区在山西太行山南部的部分地层。层通常北北东方向移动,轻轻蘸W, 5 - 15°倾角。2606巷位于北面巷26日300离巷2605在东部。开挖区域的地面高程 m。巷道的横截面 米( )矩形横截面积为23.2 m²。开采煤层属于3号煤层在山西的形成。煤层稳定,减少煤厚度的变化和煤层结构简单。埋深约537米,厚度5.33米- 6.19米,平均厚度为5.86米。原始瓦斯含量2606道路驾驶期间是8.5 - -10.0米³/ t,煤层温度是15°C - 17°C。在挖掘过程中,开采深度不断增加,气体含量为3 #煤层均呈增长趋势。

因此,天然气preextraction和挖掘提取采用协作,确保2606巷道开挖的安全运行。在开挖期间,气体predraining进行每130米。气体predraining安排正面5工作面钻孔。钻井长度是150米,20米的安全距离。挖掘的方法提取是安排的钻场的道路在一步距离50米(同侧钻场间距100米)。步进钻井领域的安排,每个步进与6孔钻探现场安排,钻井深度是130米。2606运输巷道天然气preextraction的布局和挖掘提取图所示1。

3.2。物理模型和定解条件

根据2606年巷道天然气开采计划,物理几何模型如图2建立了。并通过仿真结果获得钻孔间距和角度的变化后,确定最佳方案2606运输巷道瓦斯抽放邢台煤矿。物理模型的参考线a - b是将气体含量的变化。初始气体压力为0.8 MPa,上覆岩层的重力14.85 MPa方向的应用模型和滚子轴承在模型边界条件设置。底部边界是固定的。是不透水的外边界模型。钻孔的直径是94毫米,瓦斯抽放是20 kPa的负压。使用的其他参数如表所示1,这是来自文献[33)和现场数据。

4所示。数值模拟分析

4.1。不同的方案设计

来确定一个合理的排水钻孔布置方案,获得最佳的排水效果。通过改变钻孔间距和角度,以下五个方案制定的2606年邢台煤矿运输巷道瓦斯抽放,并使用有限元软件COMSOL多重物理量,这些计划的瓦斯抽放效果进行了分析。排水方案如表所示2。

4.2。不同方案下气体含量的进化

为了确保提取进展2606运输巷道,头部predrainage排水10天后将被取消。在图3,气体含量参考线a - b在不同钻孔布置角度显示下降趋势提取时间延长。减少的速度最快的气体含量发生在排水的初始阶段。在煤层瓦斯压力下降,气体流量减少,所以气体含量的降低率在后期趋于稳定。比较数据3(一个)和3 (b),气体含量的降低率方案1和2是相同的在道路中线附近。然而,气体含量减少的面积是不同的。方案1中有更大的影响在巷道中线22米,和方案2有更大的影响在9米的巷道中线。井眼钻在一个角度的巷道中线方案1,涵盖广泛的区域两边的道路。钻孔之间的夹角和巷道中线是0°方案2。因此,空间面积的影响,第一个方案是比第二个方案。从图3 (c),比较方案3和方案1,虽然钻孔和巷道中线之间的角度变大,和气体含量减少面积增加,但整体方案3中气体含量的下降率是慢了下来。最重要的是,在扩展的水井,水井之间的角度在方案3中逐渐增加,和排水盲区域出现,导致气体含量下降缓慢(7 m地区可以看到左侧的中线的道路图3 (c)),而且无法达到理想的排水效果。删除predrainage在巷道头上后,气体含量在巷道煤壁中线的标题会反弹。巷道中线的气体含量相对低于巷道的瓦斯含量两个侧翼10 d后气体predrainage和excavating-drainage协作在巷道的头上。有一个压力梯度时,气体在巷道双方将巷道中线的方向。这时,巷道中线的气体含量会上升。

从图可以看出4。钻孔间距的变化有一个弱影响排水区域。然而,这种影响瓦斯含量下降率在巷道周围岩石和煤。比较数据4(一)和4 (b)方案4中,气体含量高峰在5米的巷道中线10后,30、60、90和120天的排水是8.3米³/ t、7.6 m³/ t、7.3 m³/ t、6.9 m³/ t、6.4米³分别/ t。气体含量高峰在5米的巷道中线方案1是7.8米³/ t、7.0 m³/ t、6.8 m³/ t、6.4 m³/ t、5.9米³分别/ t。与方案4相比,道路两侧的气体含量下降速度在方案1中,虽然双方巷道的瓦斯含量下降缓慢,因此,方案4的气体含量上升超过方案1的巷道煤壁的正脸。从数据4 (b)和4 (c),10天的气体predrainage和挖掘排水巷道头上协作,巷道中线上的气体含量高峰线方案5是6.6米³/ t,气体含量的峰值在巷道中线行在方案1是6.1米³/ t。方案1的气体含量的下降速度比计划5巷道中线的早期阶段。

从上面的分析,太小钻孔之间的夹角和巷道中线结果气体含量降低的空间区域,它不仅很难达到所需的排水效果,还可能会增加工程成本。当夹角太大井眼和巷道中线将导致一个盲区排水巷道的两面,钻孔间距太小,结果降低瓦斯含量的降低率在道路两边。钻孔间距太大,导致不适当的减少气体巷道中线上的内容,和排水的影响都很穷。因此,一般来说,在五气排水方案设计为2606年邢台煤矿运输巷道,方案1是最好的排水效果。

5。领域的应用

根据模拟的气体组合在2606年邢台煤矿运输巷道排水。这是初步确定的间距preextraction水井的前端2606运输巷道是1.8米。挖掘提取水井之间的距离是0.5米,钻孔之间的角度和巷道中线的0°,1°,2°,4°,6°,7°。的水井排水管网的连接。瓦斯抽放浓度和排水体积期间监测图所示5。

经过近2个月的排水系统,气体浓度和排水的纯量在2606运输巷道有明显下降趋势,和排水效果理想。气体的浓度从13.2%下降到10.8%,下降了18.2%。和纯气体流从10.6有所下降³8.15米/分钟³/分钟,减少23.1%。结果表明,它是可行的,采用方案1的瓦斯抽放2606巷道开挖期间的计划。

6。结论

(1)考虑到煤炭质量是双重多孔结构、多重物理量耦合数学模型,建立了煤层瓦斯抽放涉及气体吸附、扩散和渗流。软件COMSOL的多重物理量是用来模拟气体predrainage和excavating-drainage协作在巷道的头上(2)与不同的钻孔瓦斯抽放过程中安排2606年邢台煤矿巷道模拟。结果表明,气体含量的减少最快速度发生在排水的初始阶段,和气体含量的降低率在后期趋于稳定。删除predraining在巷道头上后,气体含量在巷道煤壁的中心正面临将反弹(3)钻孔和道路中线之间的夹角确定瓦斯抽放的空间区域。过小夹角的面积将减少气体含量减少,而太大夹角将导致盲区两边的道路。钻孔间距的变化影响瓦斯含量的降低率在巷道煤壁。大间距不足可能会降低率在中间巷道煤壁,而小间距可能会降低率不足在道路的两侧(4)瓦斯抽放是2606年邢台煤矿运输巷道。经过近2个月的排水、气体浓度从13.2%下降到10.8%,下降18.2%。和纯气体流从10.6有所下降³8.15米/分钟³/分钟,减少23.1%。排水的纯气体流量和气体浓度显示下降趋势在整个比赛中数值模拟的结果

数据可用性

实验数据用于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

这项研究是财务支持的项目支持中国博士后科学基金会(批准号2018 M641675)。