馬蘭礦煤體滲流特性及超長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采數(shù)值模擬研究.pdf

1、瓦斯涌出量高、治理難度大是多年來(lái)高瓦斯礦井安全生產(chǎn)面臨的最關(guān)鍵的問(wèn)題之一，高效的抽采瓦斯是解決該問(wèn)題的主要方法。馬蘭礦多年來(lái)連續(xù)被鑒定為高瓦斯礦井，自2013年開(kāi)始被鑒定為突出礦井，煤層瓦斯抽采工作從未間斷，為了能夠更加高效地進(jìn)行瓦斯抽采，本文針對(duì)9＃層的具體情況，采用實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)本層煤的瓦斯?jié)B流特性進(jìn)行了多方面的研究，并將研究所得的滲透率的變化規(guī)律作為耦合變量引入到數(shù)值模擬所用的數(shù)學(xué)模型中，對(duì)本層煤使用超長(zhǎng)鉆孔進(jìn)行煤層瓦斯抽采過(guò)程中瓦

2、斯壓力分布規(guī)律以及瓦斯抽采總量的變化進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過(guò)工程實(shí)踐結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)值模擬的正確性，并據(jù)此提出了下一步瓦斯抽采目標(biāo)，具體研究?jī)?nèi)容如下：
　　使用電液伺服三軸滲流實(shí)驗(yàn)裝置研究了固定載荷下瓦斯壓力、圍壓、軸向應(yīng)力對(duì)含瓦斯煤滲透率的影響以及全應(yīng)力-應(yīng)變和卸圍壓條件下煤樣滲透率變化規(guī)律。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析得出：由于 Klink enb erg效應(yīng)的存在，瓦斯壓力與滲透率之間存在明顯的拋物線關(guān)系，Klinkenberg拐點(diǎn)在1.4M

3、P a左右，低于1.4MP a時(shí)，滲透率逐漸降低，高于1.4MP a時(shí)，滲透率逐漸升高；圍壓和軸向應(yīng)力與滲透率的變化關(guān)系都為非線性指數(shù)關(guān)系；含瓦斯煤全應(yīng)力-應(yīng)變以及卸圍壓過(guò)程中滲透率都表現(xiàn)出先減小后增大的規(guī)律，瓦斯壓力較小時(shí)，軸向應(yīng)力為整個(gè)破壞過(guò)程中最關(guān)鍵的因素，瓦斯壓力越高，煤樣越容易破碎，較大的瓦斯壓力會(huì)在煤樣破碎過(guò)程中起到?jīng)Q定性作用。
　　使用COMSOL Multiphysics軟件對(duì)瓦斯抽采鉆孔深度不同、抽采負(fù)壓不同、抽

4、采時(shí)間不同時(shí)瓦斯壓力分布規(guī)律和抽采瓦斯總量進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果顯示：抽采初期，鉆孔淺處徑向壓力梯度的改變明顯快于鉆孔深處，隨著抽采天數(shù)的增加，鉆孔深處徑向瓦斯壓力梯度的穩(wěn)定明顯滯后與鉆孔淺處，說(shuō)明瓦斯抽采初期，瓦斯抽采重點(diǎn)區(qū)域在徑向距離較小以及鉆孔較淺區(qū)域，隨著抽采天數(shù)的增加，瓦斯抽采重點(diǎn)區(qū)域向徑向距離較大以及鉆孔深處轉(zhuǎn)移；鉆孔深度越大，瓦斯抽采難度越大，適當(dāng)提高瓦斯抽采負(fù)壓能夠有效提高鉆孔深處瓦斯抽采效率；抽采負(fù)壓為13KP a，

5、鉆孔總深度分別為600m、700 m時(shí)，從抽采瓦斯總量可判斷出其抽采瓦斯有效天數(shù)分別為為500d左右和600d左右；
　　對(duì)馬蘭礦9#層600m超長(zhǎng)鉆孔進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，通過(guò)對(duì)不同時(shí)期瓦斯抽采總量的分析驗(yàn)證了數(shù)值模擬的正確性，并據(jù)數(shù)值模擬提出，1#鉆場(chǎng)有效抽采瓦斯時(shí)間為500d左右，單孔瓦斯抽采總量預(yù)計(jì)為105572m3，2#鉆場(chǎng)有效抽采時(shí)間為600d左右，單孔瓦斯抽采總量預(yù)計(jì)為123167 m3。通過(guò)本文的研究對(duì)9#層煤的瓦斯?jié)B流