文摘

由于浅层煤炭资源的枯竭,深部开采煤矿已经占领了。深埋煤层是伟大的地应力、瓦斯压力高、低渗透,提高瓦斯灾害的风险,从而极大地威胁着煤矿的安全。煤层瓦斯压力和瓦斯含量可以减少了天然气开采,是矿井瓦斯灾害防治的主要措施。煤炭质量简化为连续介质双重孔隙结构和骨折和单一的渗透率。在考虑气体滑脱和两相流的影响,气体迁移的水力耦合模型提出了煤。这个模型包括气体吸附和扩散方程、气体和水渗流,煤变形,孔隙度和渗透率的演化。在此基础上,通过地板天然气开采巷道的程序结合液压冲孔和普通模拟排水洞,和气体提取结果被用来评估巷道开挖爆发的危险,来验证工程实践。结果表明,可以减少天然气开采煤层气体压力和气体释放的速度放缓,和建立了水力耦合模型可以准确揭示天然气开采的法律钻水井。后采用天然气开采技术的钻井和水力冲孔地板巷道,剩余的气体压力和气体含量减少到低于0.5 MPa和5.68米3分别/ t。设置一个成就的钻探和冲压成形理论基础到应用集成技术,以提高天然气开采。

1。介绍

随着煤矿开采深度的增加,煤的瓦斯压力和内容增加。煤和天然气等气体事故频繁爆发和天然气爆炸发生,威胁着煤矿安全生产(1,2]。可以减少天然气开采煤层瓦斯压力和瓦斯含量,消除突出危险,似乎明显的预防瓦斯事故(3]。合理的排水钻孔布置参数可以避免排水盲水井之间的区域,增加天然气开采体积,减少钻井数量,降低天然气开采工程的资本支出项目。在煤层气体迁移的规则,这是确定合理的排水钻井的关键参数(4]。

关于气体迁移的煤,煤和天然气之间的相互作用已经被很多学者探讨。他们认为改变煤层部队和气体压力的变化将变形煤的身体,造成孔隙度和渗透率的变化,提出了许多气固耦合模型。例如,煤和天然气的气固耦合模型在不同压力条件下证明了王et al。5),杨et al。6,康奈尔大学(7]。之后,气体吸附在煤变形的影响了气固耦合反应(8,9]。夏et al。10,11和王et al。12)提出了一种耦合模型,煤变形和组合流premining煤层气开采。杨et al。13)结合的进化压力,伤害,和透气性煤和岩石的变形。高et al。14和刘et al。15)考虑热效应与开槽钻孔煤层开采天然气。赵et al。16)的影响模拟组合形式的一个完整的子层和构造变形子层煤的瓦斯抽放钻孔的性能。

事实上,水迁移在煤煤层气的块传输控制的气相对渗透率(17,18]。同时,有效渗透率是影响气体的压缩性和压力,从而导致不同煤层的气体流量和液体流量(19]。煤渗透率,依靠骨折的宽度,气体的压力,和克林肯伯格效应,对质量有至关重要的影响运输和传热20.]。在现有的文献中,地下水和滑移的影响往往被忽视,导致大型排水水井设计中的错误和计算体积(天然气开采21,22]。

本文考虑气体滑脱效应的综合效应和两相渗流和水力耦合模型建立了天然气开采的煤层气体渗流场方程,水渗流场、应力场和数学方程嵌入到有限的一组方程。数学模型是从来不属于模拟钻井和水力冲孔的天然气开采过程集成水井从地板上道路和原位进行工程应用程序根据最优设计方案。研究结果为优化排水洞布局的指导意义。

2。从天然气开采煤层水力耦合模型

按照煤天然气存储环境,提出一些假设(10,21- - - - - -23]。(1)煤炭质量是一个弹性连续介质双重孔隙结构和骨折和单一的渗透率。(2)水只发生和迁移。吸附和气体存在于孔隙和裂缝,眠,尽管水仅运送的骨折。气体吸附/解吸的过程完成。(3)气体迁移似乎与煤的微观结构密切相关。它串联可分为三个步骤:首先,毛孔的吸附气体使解除吸附到空间满足朗缪尔法律;然后,气体扩散从毛孔骨折满足菲克定律;最后,气体从骨折到气井满足达西定律。(4)气体似乎符合理想气体方程。 (5) The volume force of the gas is ignored.

2.1。渗流场的控制方程

煤层是一种多孔的有机矿物埋在岩石地层。煤层不仅是煤层气的气源,但也为煤层气储水库。它是由pore-fracture特色双重结构。煤的气体质量矩阵似乎由吸附和游离气体,可以被定义为(24] 在哪里 基质孔隙度, 气体的密度(公斤/米3), 吸附气含量(m3/公斤), 煤的密度骨架(公斤/米3), 在标准条件下气体的密度(公斤/米3)。

根据理想气体状态方程,气体的密度 在哪里 气体摩尔质量(公斤/摩尔), 是摩尔气体常数(J /(摩尔·K)), 气体压力(MPa), 是煤层温度(K)。

考虑修改后的朗缪尔法律,煤的吸附气体矩阵可以说明10]: 在哪里 朗缪尔体积常数(m3/公斤), 朗缪尔压力常数(Pa), 矩阵是煤层气压力(MPa)。

在初始状态,气体解吸速率等于气体吸附速率的煤炭矩阵,即吸附的平衡状态。气孔的气体压力的价格都是一样的骨折。天然气开采的操作将会打破这种平衡状态。因此,吸附气体使解除吸附和迁移骨折通过气体扩散。基于菲克定律和质量守恒定律,气体传输矩阵方程(19] 在哪里 是在裂缝(MPa)和气体压力 气体解吸时间,等于矩阵的时间使解除吸附吸附气体的63.2%,可以通过煤的解吸实验样本。

提交方程(1)- (3)方程(4),煤中的气体输运方程矩阵可以获得:

地下水和气体中存在断裂系统同时,和流体迁移是一个两相流。眠气体从煤基质作为质量的骨折。天然气运输断裂的控制方程可以被定义为(25] 在哪里 是气相饱和度, 裂缝孔隙度, 气流速度(米/秒), 是水相饱和度, 是水密度(公斤/米3), 水流速度(米/秒)。

在考虑滑脱效应,结合气-水两相渗流的广义达西定律,气体和水的流速在骨折(25,26] 在哪里 骨折的绝对渗透率(m2), 是气相的相对渗透率, 是气相动态粘度(Pa·s), 单因素(Pa), 水相动态粘度(Pa·s),然后呢 裂隙水压力(MPa)。

将方程(8)方程(6)和方程(9)方程(7),气体和水渗流场的控制方程可以得到:

2.2。应力场的控制方程

煤变形组合造成的压力,气体和水压力,气体吸附。因此,提出了煤炭质量的应变(23] 在哪里 克罗内克符号; 相当于煤炭弹性模量(GPa),然后呢 ; 是煤炭剪切模量(GPa), ; 是煤(GPa)的体积弹性模量,然后呢 ; 体积弹性模量的煤炭骨架(GPa),然后呢 ; 的弹性模量是煤炭骨架(GPa); 是骨折刚度(GPa); 泊松比; 和 是毕奥有效应力系数对应于孔隙和裂缝,分别 ,和 ; 的吸附气体压力框架; 是断裂流体的压力(MPa);和 的宽度是煤炭矩阵(m)。

吸附气体压力的骨架与吸附量成正比19]: 在哪里 是吸附压力系数(公斤/米3), 气体吸附能力(m3/公斤)。

服从弹性力学理论,可以得到以下方程: 在哪里 是体积力(MPa)和 位移的吗 方向(m),在那里 。

结合方程(12)和(14),修改后的纳维方程,考虑孔隙压力变化,吸附,即获得应力场控制方程:

2.3。孔隙度和渗透率方程

孔隙度和渗透率是气体迁移过程的关键参数的提取和密切与压力和煤的力学性能。mesotructure煤炭质量概念模型如图1。矩阵和裂缝的宽度的变化将会改变在煤孔隙度和渗透率的大小,导致煤层的进化的大规模运输。


图1
实际中构造煤的质量:(a)煤表面;(2)煤的概念模型;(c)大小改变煤炭矩阵和骨折。

煤的孔隙度矩阵可以被描述为(27] 在哪里 , 煤的体积应变,下标“0”意味着变量的初始状态。

裂缝孔隙度可以被定义为(27] 在哪里 是改善骨折刚度, (GPa) 裂缝的宽度(米)。

立方定律是用来表达之间的关联煤层裂缝渗透率比和孔隙率(28,29日]:

用方程(17)方程(18),裂缝渗透率可以获得: 在哪里 是初始渗透率(m2)。

结合方程(5),(10),(11)和(15)、水力耦合模型建立了煤层中气体迁移。这些方程可以被编程到COMSOL多重物理量模拟通过水井天然气开采巷道的地板上。

3所示。几何模型和定解条件

3.1。研究背景

研究了煤矿位于平顶山,约4公里长,3公里宽。面积约12.87公里2,生产能力1.4吨/批准。动态灾难现象发生在这我的28倍。爆发的最大体积气体是25704米3,最大爆发煤炭293吨。随着浅层煤炭资源被耗尽,采矿工作已经进入深缝。深埋煤层显示复杂的发生条件的特点,大型原位应力、高气体含量,低外显率。天然气开采变得更加困难和爆发的风险增加。

31020位于面板的上部西翼的第三个层次(图2)。是相邻的小组17220年开采南部和小组31040年尚未开采。小组31020年开采煤层。煤层是相对稳定的,结构很简单。煤层的倾角是8°-11°,平均10°。煤层的厚度大约是3.2米~ 4.5米,平均煤厚度3.3米,原始瓦斯含量是14.97米3/ t,原来的气体压力是1 MPa,和原来的地面温度是29.4°C ~ 32.2°C。


图2
31020年面板示意图。

进气的巷道31020罢工的长度761米,驱动沿煤层顶板C15, 11到14米的距离上覆煤层的碳和1.5米到12米从底层煤层C16-17。道路建设31020进行了位置交错20米外的地板天然气开采巷道,和之间的距离两个道路是18米。巷道的海拔31020等于-630米到-696米,垂直埋深880米至976米不等。巷道的断面 ,它支持矩形锚网索梁、和行间距为700毫米。

3.2。几何模型建设

进气的巷道31020需要采取有效措施减少天然气开采天然气压力和确保安全运行的道路前进。因此,开采的天然气开采计划通过地板巷道采用防止爆发在31020年道路的面积。从地板的开放在35米的巷道,一组钻孔设计每6米。每组设计钻孔的直径89毫米,和井深0.5米的屋顶C15煤层。127套predrainage钻探钻孔是建于地面道路,其中包括1143普通钻粉和318打。此外,液压冲孔始于462米距离地板的开放道路(15米的巷道31020)和54套液压冲孔建于31020年道路的方向,每组间隔6米的。6冲孔,平均28米的井深和钻孔直径89毫米排列。图3显示了布局的天然气开采计划集成从地上钻粉和冲孔巷道。其中,部分很有3个液压冲孔和普通钻粉(630.),而b有6节液压冲孔,分别如图4。


图3
天然气开采布局巷道综合钻粉和冲压的地板上。
(一)钻井布局的一节
(一)钻井布局的一节
(b)钻井布局部分b
(b)钻井布局部分b
图4
从地上部分水井钻探天然气开采巷道,修改从文献[30.]。

按照31020年巷道天然气开采计划,建立了几何模型研究天然气开采效果和天然气进气道路驾驶的迁移特征脸,如图5。为了观察煤层瓦斯压力的变化,两个参考线设置在几何模型。他们是参考线c - d煤层位于中间的参考线E-F巷道轴31020。


图5
几何模型的天然气开采巷道31020。
3.3。测定溶液条件

定解条件的数值模拟包括边界条件和初始条件。为边界条件模拟钻井通过地板巷道,天然气开采上覆岩层的重力15.3 MPa 方向,水平应力的18.8 MPa 方向,水平应力的12.8 MPa 方向被应用到模型中。底部一侧的几何模型设置为固定边界的水平和垂直位移为零,和其他两个水平方向的滑动边界限制水平位移。模型是一个不透水边界包围。没有流动的气体和水的边界。外部气体渗流模型的边界是nonpermeable边界。排水井壁狄利克雷边界条件,设置排水负压是20 kPa。旨在模拟的初始条件通过地板巷道钻孔,天然气开采煤层的初始气体压力为1.0 MPa和初始渗透率 。相关参数如表所示1。

表1
数值模拟的相关参数。

4所示。模拟天然气开采巷道开挖前后的结果

4.1。气体压力分布在煤层巷道开挖

随着开采时间的延长,煤层的瓦斯压力降低和减少范围逐渐扩大,直到它延伸到整个煤层。图6显示了提取后的煤层瓦斯压力分布不同的时间。在煤层钻孔周围的气体压力降低后在一个小范围内提取了10天。当天然气开采运营了120天,气体压力下降更重要的是,和煤层的气体压力在大多数地区的初始气体压力下降1 MPa小于0.4 MPa。液压冲孔的影响似乎比普通钻井显著有效。存在几个主要原因。首先,液压冲孔拳煤体内的钻孔,延伸钻孔的孔壁之间的接触面积和煤层。其次,周围的压力在煤层水力冲孔煤炭质量是洗后被释放出来,这就增加了煤层的渗透性和加速气体的速度迁移钻孔;在结果中,天然气开采生产能力提升。


图6
气体压力分布在煤层巷道开挖。

气体压力的值参考线c - d和参考线E-F煤层中提取曲线画线,如图7。参考线的气体压力逐渐随操作时间的增加而减小。在提取的早期阶段,气体压力显著下降。煤层和钻孔之间的气压梯度下降,气体迁移速度降低,气体压力是慢的后期排水。参考线E-F接近钻孔,钻孔周围的气体压力变化更广泛,因此,气体压力变化对参考线E-F更明显。参考直线CD位于煤层的倾角的方向。影响孔布局方法,钻孔穿过煤层的倾角附近的道路更小。长度越大的钻孔煤层井壁的面积,降低气体压力越大在这个区域(20 ~ 45米)和排水的效果越明显。例如,当排水时间是120天,最大气体压力在20 ~ 45米的范围是0.357 MPa和最大气体压力在10 ~ 20米的范围为0.475 MPa。

参考线c - d (a)气体压力
参考线c - d (a)气体压力
(b)气体压力E-F参考线
(b)气体压力E-F参考线
图7
气体压力沿煤层在不同萃取时间参考线。
4.2。在煤层巷道开挖后气体压力分布

煤层瓦斯压力分布在不同萃取时间作为初始压力的气体在煤层巷道开挖,这是导入到爆发风险仿真模型重新评估后的煤与瓦斯突出危险不同提取时间。图8显示了煤层瓦斯压力的分布,当巷道是60米10后,30岁,60岁,120天的天然气开采。


图8
气体压力分布时巷道驱动器60 m不同提取时间。

提取后10天,煤层的瓦斯压力大于0.8 MPa,气体在煤层巷道的开挖工作快速移动之前,和气体压力大大降低。随着开采时间的延长,巷道壁之间的气体压力梯度和煤层减少,气体迁移速度平方煤体内隧道前工作减少,并在短时间内气体运输的数量大大减少。当排水时间是120天,煤层的瓦斯压力降低到0.3 ~ 0.4 MPa,爆发风险消除,爆发可以得到有效控制。

5。在现场应用排水效果

采用原位实验方法来评估剩余的瓦斯含量和瓦斯压力。剩下的瓦斯含量和压力测量通过设置仪表通过跨层钻孔的地板巷道巷道31020进气。判断,地区爆发预防措施有效剩余的气体含量和残余气体压力小于6米3分别/ t 0.6 MPa。如果剩余的气体含量大于或等于6米3/ t或剩余的气体压力大于或等于0.6 MPa,继续实施区域爆发预防措施直到到达区域标准。构造一组测试钻孔每50米的低级天然气开采巷道从50米到500米。10组排列。剩下的瓦斯含量和压力如表所示2。

表2
测量结果的气体压力和气体含量。

测量结果,煤层气压力减少了~ 75%,瓦斯含量是减少~ 70.27%实现集成的钻粉和冲孔后巷道的地板上。最大气体压力和最大气体含量减少到0.5 MPa和5.68米3分别/ t。没有气体的动态现象在开挖巷道31020。这证明了建立的水力模型及其在天然气开采的数值模拟中的应用集成的钻粉和从地上打在地下煤矿巷道。

6。结论

(1)水力耦合模型,建立了煤层气体迁移,包括气体渗流场的控制方程、水渗流场和应力场,以及孔隙度和渗透率演化方程。气体滑脱效应和气水两相渗流的影响被认为是全面(2)天然气开采过程中通过地板巷道综合钻粉和冲压模拟,和排水的结果被用来评估巷道开挖的爆发风险。结果表明,可以减少天然气开采煤层瓦斯压力,减缓气体释放的速度,并有效防止爆发(3)综合从地上钻粉和冲孔巷道采用工程实践。煤层的瓦斯压力小于0.5 MPa,而煤层的瓦斯含量小于5.68米3/ t

未来工作,地质力学性能的结构和异质性的影响煤层天然气开采的效率,综合从地上钻粉和冲孔巷道可能考虑水力耦合模型。

数据可用性

本文使用的数据来自由COMSOL稳定的物理仿真结果。数据可从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金资助(批准号。52174117,52174117,52074146),基础研究项目的辽宁省教育部重点实验室(批准号LJ2020JCL005),中国博士后科学基金会支持的项目(批准号2021 t140290和2020 m680975),和项目支持的学科创新小组的辽宁科技大学(批准号LNTU20TD-03)。