钻孔抽采瓦斯的机理研究

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我国的主要能源之一是煤炭。煤矿生产中,瓦斯爆炸,瓦斯突出事故影响煤矿的安全生产。因此如何安全抽放开采瓦斯是各个国家研究的重点内容。钻孔法抽采瓦斯是现阶段我国治理瓦斯最重要的方式。防治瓦斯的最基础问题就是要弄清楚煤层中瓦斯的运动规律。本文结合瓦斯跟煤层本身所具有的一些特点以及有限元分析、流固耦合等理论,利用数值模拟方法,对瓦斯运动跟抽采进行了理论的研究,一些结果如下:(1)阐述了含瓦斯煤岩相关物理特性。从煤的变形机制出发,根据孔隙率的基本定义,考虑到钻孔抽放瓦斯的过程中,游离瓦斯压力变化较剧烈并对煤岩体产生变形的影响,建立了含瓦斯煤岩孔隙率的表达式。利用一系列假设和Terzaghi有效应力理论,建立了含瓦斯煤岩体变形控制方程。论述了瓦斯运移的相关参数。通过Carman-Kozeny方程推导出了含瓦斯煤渗透率的数学表达式。基于以往的假设和质量守恒定律得出了瓦斯流固耦合控制方程。(2)对不同条件下单孔抽放瓦斯运移变化的规律进行了研究。在瓦斯抽放初期,瓦斯压力变化较大,瓦斯压力梯度较大。随着抽放时间的推移,抽放范围逐渐扩大,有效应力逐渐增加,煤层孔隙率和渗透率逐渐减小,抽放难度加大。分析了不同埋藏深度条件下和不同抽放负压条件下,瓦斯压力、孔隙率以及渗透率的变化和分布。通过对不同钻孔半径条件下抽放瓦斯的分析,得出了不同钻孔半径条件下,有效抽放半径与时间的关系图。分析了不同的初始渗透率对抽放瓦斯的影响,初始渗透率越大,瓦斯越易抽放。(3)在阳泉矿区某煤矿回风巷中进行现场实验,在本煤层的同一抽放钻孔中,对普通钻孔抽放瓦斯、水力冲孔抽放瓦斯以及高压水力割缝技术抽放瓦斯三种方案的比较。水力割缝技术在煤体中再造裂隙,增大煤体在空气中的暴露面积,同时形成瓦斯流动通道,达到加快瓦斯解吸,提高瓦斯抽放效果。相较于普通钻孔排放瓦斯,水力割缝技术使瓦斯排放量提高了4.11-4.34倍。水力冲孔在本实验中实质上没有增大煤层实际裂隙,但在对钻孔的冲孔过程中,冲刷掉封堵在钻孔裂隙中的煤粉颗粒,也起到一定程度上的增大钻孔裂隙的作用,相较于普通钻孔,瓦斯排放量提高了0.46-0.56倍。水力冲孔技术跟水力割缝技术相比,后者更具有现实的应用价值。
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