钻孔抽采半径测定研究报告.doc

淮北矿区钻孔抽采半径测定淮北矿区钻孔抽采半径测定 研研 究究 报报 告告 中国矿业大学安全工程学院中国矿业大学安全工程学院 二二 一二年八月一二年八月 淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告 目 录 1 前 言 1 2 钻孔周围煤体中瓦斯流动理论及影响因素 3 2 1 瓦斯在煤层中的流动状态 3 2 2 抽排钻孔瓦斯径向流动模型 4 2 3 瓦斯抽采效果影响因素 6 2 3 1 抽采时间 7 2 3 2 抽采负压 7 2 3 3 钻孔直径 7 2 3 4 钻孔施工及封孔质量 8 2 3 5 煤体渗透特性 8 2 3 6 地应力 9 2 3 7 瓦斯压力 10 2 3 8 煤体吸附特性 11 3 抽采钻孔瓦斯渗流数值模拟分析 12 3 1 数值模型建立 12 3 1 1 数值模拟软件简介 12 3 1 2 钻孔瓦斯渗流模型的建立 13 3 2 模拟参数设置 14 3 2 1 模型基础参数设置 14 3 2 2 模型边界设置 15 3 3 数值模拟结果及分析 15 3 3 1 抽采时间的影响 15 3 3 2 抽采负压的影响 20 3 3 3 煤层渗透率的影响 21 3 3 4 钻孔孔径的影响 23 4 瓦斯抽排半径测定方法 26 淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告 4 1 穿层钻孔抽采半径测试方法 26 4 1 1 平行钻孔布置法 26 4 1 2 终孔圆周布置法 27 4 2 顺层钻孔抽采半径测试方法 28 4 2 1 测试原理 28 4 2 2 测试方法 29 4 3 煤巷掘进工作面浅孔排放半径测试方法 30 5 瓦斯抽排半径现场测试及结果分析 32 5 1 芦岭矿穿层钻孔抽采半径测定及结果分析 32 5 1 1 测试地点概况 32 5 1 2 钻孔施工参数及钻孔间距的确定 33 5 1 3 有效抽采半径确定依据 34 5 1 4 测试结果及分析 35 5 1 5 抽采后煤层消突效果 42 5 2 杨柳矿穿层钻孔抽采半径测定及结果分析 44 5 2 1 测试地点概况 44 5 2 2 钻孔设计及施工参数 45 5 2 3 测试结果及分析 45 5 3 祁南矿顺层钻孔抽采半径测定及结果分析 49 5 3 1 测试地点概况 49 5 3 2 钻孔设计及施工参数 49 5 3 3 测试结果及分析 50 5 4 祁南煤矿穿层钻孔抽采半径测定及结果分析 54 5 4 1 钻孔设计及施工参数 54 5 4 2 测试结果及分析 55 5 5 祁南煤矿掘进工作面钻孔排放半径测定及结果分析 58 5 5 1 钻孔设计及施工参数 58 5 5 2 测试结果及分析 58 淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告 6 瓦斯抽采半径预测程序设计 61 6 1 钻孔瓦斯抽采半径程序解算模型及算法 61 6 2 程序设计流程图 62 6 3 程序界面及算例 63 7 总结 66 淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告 1 1 前前 言言 淮北矿区随着开采深度的增加 煤层瓦斯压力 含量相对增加 采掘工作面瓦 斯涌出量也逐渐增加 严重制约着矿井的安全生产 预抽煤层瓦斯是大多数突出矿 井采取的防突措施 目前淮北矿区瓦斯治理多采用穿层钻孔及顺层钻孔预抽煤层瓦 斯措施以降低煤层瓦斯含量进而降低工作面瓦斯涌出量 达到治理瓦斯的目的 其 中 有效抽采半径是该措施的一个重要参数 直接关系到预抽钻孔间距的设计 影 响瓦斯抽采的效果 若抽采钻孔间距较大 易出现抽采盲区 达不到抽采效果 留 下安全隐患 若抽采钻孔间距较小 则容易造成工期延长及工程量浪费 所以 比 较准确地测定抽采钻孔的抽采半径 可避免设计及施工的盲目性 提高抽采效果及 施工进度 对抽采瓦斯防治突出及瓦斯超限具有十分重要的意义 目前国内应用的钻孔瓦斯抽采半径的测试方法主要有钻孔测试法和计算机模拟 法及二者相结合的方法 在有效性指标的确定上 钻孔测试法国内外采用的指标主 要有以下三种 瓦斯压力指标 瓦斯含量指标 相对瓦斯压力指标 计算机模拟法 主要应用的指标有含量指标和压力指标 国内大多数矿区抽采钻孔抽采半径为 2 5 4m 多数矿井抽采半径根据经验得到 并没有进行现场实测 造成了抽采钻孔设计 及施工的盲目性 因此 淮北矿区有必要现场考察抽采钻孔的抽采半径 为矿区抽 采钻孔设计提供科学依据 受淮北矿业股份有限公司通防处委托 中国矿业大学结合淮北矿区煤层瓦斯赋 存状况 开展了淮北矿区钻孔抽采半径测定的研究 两年来具体研究工作如下 理论分析了影响瓦斯抽采钻孔抽采效果的因素 建立了钻孔瓦斯抽采流动模 型 运用流体力学软件 Fluent 对瓦斯抽采钻孔在非稳态 单一抽采因素下的抽采 流场规律进行了模拟研究 找出钻孔抽采影响因素对抽采半径及瓦斯抽采量的影响 关系 根据国内外现有的穿层及顺层钻孔抽采半径测试方法 结合淮北矿区实际情 况 优选出穿层及顺层钻孔抽采半径最佳测试方法 即 针对穿层钻孔抽采半径传统 测试方法中存在的缺陷 制定出以相对瓦斯压力为观测指标 以实际煤层赋存状况 淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告 2 进行三维制图的圆周布孔法来测定穿层钻孔抽采半径 采用流量法测试顺层钻孔瓦 斯抽采半径 现场对淮北矿区三个典型突出矿井芦岭矿 祁南矿和杨柳矿穿 顺 层抽采 半径进行了测定 对已有测定方法的缺陷进行了改进 优化了钻孔设计 用于指导 现场抽采钻孔的设计及施工 根据瓦斯流动连续性 瓦斯运动方程 煤层瓦斯含量方程及瓦斯状态方程 结合一维径向流场瓦斯流动初始及边界条件 采用 VB 编程 运用迭代算法解算瓦 斯压力梯度微分方程 得出瓦斯抽采影响半径及有效半径 对比程序解算结果及现 场实测结果 吻合度较高 并对解算程序进行了修正与完善 最终开发出适用与淮 北矿区瓦斯抽采半径解算的应用程序 通过以上的研究工作 能够比较准确地测定与解算淮北矿区瓦斯抽采钻孔的抽 采半径 可避免钻孔设计及施工的盲目性 提高瓦斯抽采效果及钻孔施工进度 对 预抽煤层瓦斯防治突出具有十分重要的意义 淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告 3 2 钻孔钻孔周围煤体中周围煤体中瓦斯瓦斯流动理论流动理论及影响因素及影响因素 2 1 瓦斯在煤层中的流动状态 瓦斯在煤层中的流动是一个十分复杂的运移过程 主要取决于煤层介质的孔隙 结构和瓦斯在煤层中的赋存状态 煤是一种多孔的微裂隙发育的介质 微裂隙间含 有孔隙和大部份与微裂隙相连的毛细管通路 而孔隙和毛细管通路的数目是变化的 它们之间或多或少互有联系 其直径由几 um 变化到几 mm 不等 瓦斯在煤层中主要是以吸附和游离状态赋存在煤体中 其中呈游离状态压缩在 微裂隙和大孔隙中的较少 大部份为吸附在煤体中 根据煤体中的孔隙分布和煤层 中的裂隙系统可知 瓦斯在煤层中的流动主要是层流渗透运动和扩散运动 其中前 者基本上服从 Darcy 渗透定律 且主要发生在煤体大孔和微裂隙中 后者则基本上 服从 Fick 扩散定律 且主要发生在煤体微孔隙之中 因此 瓦斯在煤体中的运动可 以认为是一个扩散渗透的过程 瓦斯抽排过程中 钻孔周围煤体中瓦斯压力分布不均匀 在煤层中就会形成一 定的瓦斯流动范围 这一范围通常被称为流场 瓦斯流场按空间流向可以划分为三 种形式 即球向流动 单向和径向流动 瓦斯在煤层由高瓦斯区域向低瓦斯区域运 移 流向 流速和瓦斯压力梯度及瓦斯浓度都属于瓦斯的流动状态 1 单向流动 在三维空间内 只存在一个方向的流速 其余 2 个方向流速均为 0 在矿井掘 进过程中如沿煤层开掘巷道 平巷全部开切煤层 且巷道高度大于煤层厚度 则巷 道两翼的瓦斯流动都沿着垂直于巷道的开掘方向 形成相互平行 且方向相同的流 场 如图 2 1 a 所示称为瓦斯单向流动 淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告 4 3 1 2 a 单向流 b 径向流 图图 2 12 1 瓦斯流动示意图 瓦斯流动示意图 1 1 流向 流向 2 2 等压线 等压线 3 3 巷道 巷道 2 径向流动 在三维空间的 2 个方向存在分速度 另一个方向的分速度为 0 比如矿井中的竖 井 石门 及钻孔垂直穿透煤层时 煤壁内的瓦斯流动都属于径向流动 形成的流 场为径向流场 如图 2 1 b 所示为瓦斯径向流动 一般情况下 其等压力线与煤 壁平行且呈近似同心圆形 3 球向流场 在三维空间内 3 个方向都存在分速度 例如在厚煤层矿井中 掘进煤巷的工作 面煤壁内 石门或钻孔即将进入煤层时从中涌出的瓦斯流动基本上都属于球向流动 球向流动的特点在于 在煤体中形成类似同心球状的瓦斯压力等值线 流线则一般 呈放射网状 2 2 抽排钻孔瓦斯径向流动模型 当钻孔垂直贯穿煤层时 煤层中将会形成同心圆状的瓦斯压力等值线 瓦斯将 向钻孔流动 符合径向流理论 一般情况下 径向流动属于平面流动 其特征是在 三维空间中有二向流动 由于煤层本身介质性质的变化不均 以及受矿井周围条件 的影响 瓦斯在煤层中的流动也存在均质与非均质 稳定与非稳定的径向流 但从 宏观上看 在一个较大的区域内 除断层 褶皱 煤层变厚变薄等地质构造带外 可以看作是均质的 煤层内的原始瓦斯压力在一定的区域内也可以看作是均匀的 因此 为使问题简化 按下列假设来建立抽排钻孔瓦斯径向流动模型 1 煤层顶底板透气性比煤层要小得多 因此 可以将煤层顶底板视为不透气 岩层 淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告 5 2 煤层各向同性 透气系数及孔隙率不受煤层中瓦斯压力变化的影响 但在 巷道及钻孔周围的卸压范围内增大 3 瓦斯可视为理想气体 瓦斯渗流过程按等温过程来处理 4 吸附瓦斯符合朗格缪尔方程 煤层中瓦斯解析在瞬间完成 5 瓦斯为理想气体 瓦斯在煤层中流动为层流渗透 且服从达西定律 根据以上假设 径向流场的瓦斯在煤层中流动的微分方程以遵循流体在多孔介 质中的质量守恒定律和达西定律为基础 根据多孔介质动力学 煤层瓦斯吸附理论 可以推出如下方程 2 1 1 nn w divv t vkgradP Wabcpbpnp pp 上式分别是 瓦斯流动连续性方程 瓦斯运动方程 煤层瓦斯含量方程和瓦斯 状态方程 式中 瓦斯质量转移矢的散度 vpdiv 瓦斯压力时的瓦斯密度 p 瓦斯压力时的瓦斯密度 n n p 煤层瓦斯压力 Pa p 1 个标准大气压 Pa n p 煤层内瓦斯流动速度矢 v 瓦斯源的质量强度 tw t 时间变量 s 瓦斯压力梯度 gradP 煤的渗透率 k 瓦斯的绝对粘度 煤体吸附瓦斯的最大值 a 32 mm 煤体吸附瓦斯的常数 b 1 pa 淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告 6 单位体积煤所含的游离瓦斯量 或者为煤体的孔隙率 n 33 mm 煤质参数 c 1 c g A f W 煤的灰份 g A 煤的水份 f W 结合一维径向流场瓦斯流动的初值条件和边界条件 当 t 0 时 煤层瓦斯压力 等于原始瓦斯压力 当 r 即抽采钻孔孔径处的瓦斯压力等于钻孔抽采压力 根 0 r 据上述 2 1 式 可得煤层瓦斯流场内瓦斯压力函数随时空变化的控制微分方程 2 2 0 0 22222 0 2 22 00 22 1 1 0 0 0 r r r rr R PPP S PtrrR trrr PrtPrrR P PrtPt r 2 3 22 2 2 1 n S PP PnabcpbPbPr 式中 煤层原始瓦斯压力 Pa 0 P 煤层钻孔的抽采压力 Pa 1 P 煤层透气性系数 与渗透率的关系如下式 sPam 22 n p k 2 径向流场的半径变量 m r 抽采钻孔半径 m 0 r R 径向流场的影响半径 m 式 2 2 中的瓦斯流动方程是非线性的二阶偏微分方程 求解是极其困难的 可通过计算机数值算法求出在给定条件下钻孔周围瓦斯压力随抽采时间增加的变化 得出近似解 来研究煤层钻孔周围的瓦斯压力分布规律及其在煤层抽排瓦斯中的应 用 2 3 瓦斯抽采效果影响因素 瓦斯抽采效果受多种因素影响 分析各影响因素对瓦斯抽采效果的影响机制 找出主要影响因素 有针对性的采取措施 可显著提高瓦斯抽采效果 瓦斯抽采效 果的影响因素主要包括主观因素和客观因素两个方面 主观因素主要是指抽采参数 淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告 7 及钻孔施工封孔质量等对抽采效果的影响因素 主要包括 抽采时间 抽采负压 钻孔直径 钻孔的施工及封孔质量等 客观因素主要是煤层的渗透特性对抽采效果 的影响 主要包括 煤层瓦斯压力 地应力 煤体吸附特性等 以下就各因素对瓦 斯抽采效果的影响机制进行分析 2 3 1 抽采时间 随着抽采时间的增加 钻孔抽采总量增加 钻孔周围煤体瓦斯被不断抽出 抽 采影响区域范围增大 大量实验及现场应用研究表明 抽采初期 钻孔瓦斯抽采浓 度及流量较大 在抽采后期 抽采量不再增加或呈负指数规律逐渐减小 该规律表 明 随着抽采时间的增加 能够增加瓦斯抽采量 但存在最佳极限抽采时间 超过 这个时间 即使延长抽采时间 瓦斯抽采纯量增加很少 若延长抽采时间可导致延 误工期 造成抽采工程量浪费 因此矿井应根据煤层瓦斯赋存情况 结合抽采半径 测试结果 在满足煤层消突及降低瓦斯涌出量的前提下 综合确定最佳抽采时间 既保障抽采效果 同时降低抽采费用 2 3 2 抽采负压 为使煤体瓦斯易于流向钻孔 传统的观点认为提高抽采负压可相应提高煤体中 瓦斯流动的压力差 从而达到提高煤层瓦斯抽采率的目的 但是 从瓦斯在煤层中 的运移情况来看 瓦斯能够在煤体内运移需要两个条件 即压力差和移动通道的存 在 前者为瓦斯压力差 构成了瓦斯在煤体中运移的动力 后者则为煤体中存在的 裂隙 构成了瓦斯在煤体中运移的通道 所以要增大瓦斯在煤体中的流量 一方面 应加大压力差 另一方面应增大煤层的透气性 而提高抽采负压 对煤层中瓦斯压 力差的增大是有限的 因为其极限值只能达到 0 1Mpa 况且提高抽采负压对抽采设 备的要求也有所提高 因而受到一定限制 相关研究表明 提高负压对煤体透气性 的提高也不大 因此 提高抽采负压对钻孔瓦斯涌出量影响不大 抚顺院在鹤壁六 矿所做的实验也证实了这一观点 即提高抽采负压对钻孔瓦斯涌出量影响不大 但 在瓦斯抽采过程中 应保障各类钻孔抽采负压符合 防治煤与瓦斯突出规定 中的 要求 2 3 3 钻孔直径 淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告 8 钻孔直径对瓦斯抽采效果的影响主要表现在两个方面 一是增大钻孔直径相应 增大了与煤体的接触面积 二是增大钻孔直径导致钻孔周围煤体的卸压圈增大 因 而对瓦斯抽采产生一定的影响 如图 2 2 所示 但是 这都是有限的 相关理论研 究表明 在钻孔抽采前期 孔径大的钻孔抽采瓦斯流量大 而钻孔抽采后期 孔径 的大小对瓦斯抽采量影响不大 即可认为 在一定孔径范围内的钻孔 经过一定抽 排时间后 不同孔径大小钻孔抽采的瓦斯量基本是相同的 因此 对于短期内需要 加快抽排瓦斯的煤层 可适当加大钻孔直径以加快煤层中瓦斯的释放 反之对于长 期抽采的煤层 如预抽煤层瓦斯 由于孔径大小对瓦斯抽采量的影响不大 为了减 少工程量 节省费用和便于封孔 可采用孔径较小的钻孔进行抽采 抚顺院进行的 现场预抽试验研究表明 直径为 300mm 的钻孔与直径为 75mm 的钻孔相比较 在抽 采期内 大直径钻孔的瓦斯涌出量高于小直径钻孔的瓦斯涌出量 抽采时间相同时 钻孔直径越大 抽采率越高 但抽采率的增长幅度远比直径的增长幅度小 相反 施工难度却增加 一般情况下 结合我国的钻进技术及淮北矿区煤层瓦斯赋存情况 孔径在 105 155mm 之间较为理想 2 3 4 钻孔施工及封孔质量 对于顺层钻孔 由于在全煤中施工 很容易造成塌孔 堵孔 因此钻孔施工情 况的好坏直接影响到瓦斯抽采结果 顺层钻孔应保证钻孔始终在煤层中 若钻孔施 工质量不佳 施工过程中对钻孔方位和倾角控制不准 由于钻孔长度大 钻头在钻 进过程中 会发生偏移 钻孔容易进入煤层顶底板 从而减少钻孔有效抽采长度 降低抽采效果 封孔质量的好坏 直接决定着钻孔抽采负压 及抽采流量和浓度 若钻孔的封孔质量不佳 则孔内容易漏风 瓦斯抽采浓度降低 抽采纯量减少 因 此 在保证抽采泵站的负压稳定不变的情况下 尽可能地减少开孔位置处漏风量 提高钻孔的封孔质量 增加单孔抽采瓦斯量 2 3 5 煤体渗透特性 煤层渗透率主要通过煤层透气性系数表达 它对钻孔抽采半径及瓦斯抽采量影 响较大 是影响瓦斯抽排钻孔抽排效果最重要的客观因素之一 往往渗透率大的煤 层比渗透率小的煤层瓦斯压力及瓦斯流量随抽采时间降低得快 矿井瓦斯抽放规范 淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告 9 AQ1027 中以煤层透气性系数来评价煤层瓦斯抽采难易程度 从目前的技术条件来 看 只有透气性好的煤层 其抽采效果才好 而提高煤层瓦斯抽采率的一个最主要 的方面就是如何提高煤层的透气性 实验表明 煤体透气性变化的主要影响因素有 地应力 瓦斯压力 2 3 6 地应力 瓦斯抽采钻孔施工过程中 钻孔周围应力场便会重新分布 煤体向孔洞方向发 生流变 膨胀变形 造成煤体塑性破坏 弹性能得以释放 钻孔周围煤体经历了原 始应力 集中应力 峰值应力 残余应力四个过程 钻孔未施工至煤层时 煤体处 于原岩应力状态 随着孔洞逐渐形成 孔洞煤体支承压力转移至邻近煤体上 造成 邻近区域煤体出现应力集中现象 随着孔洞影响范围的逐步扩大 邻近单元体集中 应力高于煤体强度后 煤体发生塑性破坏 不能继续承载较大的应力 集中应力峰 值向深部煤体转移 煤体承受的应力逐渐减小 最终低于原岩应力 使煤体卸压 钻孔孔径的大小对煤体应力及塑性区半径影响较大 图 2 2 是基于拉格朗日快速有 限差分程序 FLAC3D 进行数值模拟得出的不同孔径下钻孔周围煤体应力及塑性区 分布云图 FLAC3D 3 00 Itasca Consulting G roup Inc M inneapolis M N USA Step 2000 M odel Perspective 09 46 09 W ed Dec 21 2011 Center X 0 000e 000 Y 2 500e 000 Z 0 000e 000 Rotation X 0 000 Y 0 000 Z 0 000 Dist 3 015e 001M ag 1 Ang 22 500 Plane O rigin X 0 000e 000 Y 2 500e 000 Z 0 000e 000 Plane Norm al X 0 000e 000 Y 1 000e 000 Z 6 123e 017 C ontour of SM in Plane on M agfac 0 000e 000 G radient Calculation 1 8948e 007 to 1 8000e 007 1 8000e 007 to 1 6000e 007 1 6000e 007 to 1 4000e 007 1 4000e 007 to 1 2000e 007 1 2000e 007 to 1 0000e 007 1 0000e 007 to 8 0000e 006 8 0000e 006 to 6 0000e 006 6 0000e 006 to 4 0000e 006 4 0000e 006 to 2 0000e 006 2 0000e 006 to 0 0000e 000 0 0000e 000 to 0 0000e 000 Interval 2 0e 006 FLAC3D 3 00 Itasca Consulting G roup Inc M inneapolis M N USA Step 2000 M odel Perspective 09 21 09 W ed Dec 21 2011 Center X 0 000e 000 Y 2 500e 000 Z 0 000e 000 Rotation X 0 000 Y 0 000 Z 0 000 Dist 3 015e 001M ag 1 Ang 22 500 Plane O rigin X 0 000e 000 Y 2 500e 000 Z 0 000e 000 Plane Norm al X 0 000e 000 Y 1 000e 000 Z 6 123e 017 B lock State Plane on None shear n shear p shear p 0 2m 孔径应力 0 2m 孔径塑性区 淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告 10 FLAC3D 3 00 Itasca Consulting G roup Inc M inneapolis M N USA Step 2000 M odel Perspective 09 49 48 W ed Dec 21 2011 Center X 0 000e 000 Y 2 500e 000 Z 0 000e 000 Rotation X 0 000 Y 0 000 Z 0 000 Dist 3 015e 001M ag 1 Ang 22 500 Plane O rigin X 0 000e 000 Y 2 500e 000 Z 0 000e 000 Plane Norm al X 0 000e 000 Y 1 000e 000 Z 6 123e 017 C ontour of SM in Plane on M agfac 0 000e 000 G radient Calculation 1 8099e 007 to 1 6660e 007 1 6660e 007 to 1 4994e 007 1 4994e 007 to 1 3328e 007 1 3328e 007 to 1 1662e 007 1 1662e 007 to 9 9960e 006 9 9960e 006 to 8 3300e 006 8 3300e 006 to 6 6640e 006 6 6640e 006 to 4 9980e 006 4 9980e 006 to 3 3320e 006 3 3320e 006 to 1 6660e 006 1 6660e 006 to 0 0000e 000 0 0000e 000 to 0 0000e 000 FLAC3D 3 00 Itasca Consulting G roup Inc M inneapolis M N USA Step 2000 M odel Perspective 09 16 29 W ed Dec 21 2011 Center X 0 000e 000 Y 2 500e 000 Z 0 000e 000 Rotation X 0 000 Y 0 000 Z 0 000 Dist 3 015e 001M ag 1 Ang 22 500 Plane O rigin X 0 000e 000 Y 2 500e 000 Z 0 000e 000 Plane Norm al X 0 000e 000 Y 1 000e 000 Z 6 123e 017 B lock State Plane on None shear n shear p 0 4m 孔径应力 0 4m 孔径塑性区 FLAC3D 3 00 Itasca Consulting G roup Inc M inneapolis M N USA Step 2000 M odel Perspective 09 10 54 W ed Dec 21 2011 Center X 0 000e 000 Y 2 500e 000 Z 0 000e 000 Rotation X 0 000 Y 0 000 Z 0 000 Dist 3 015e 001M ag 1 Ang 22 500 Plane O rigin X 0 000e 000 Y 2 500e 000 Z 0 000e 000 Plane Norm al X 0 000e 000 Y 1 000e 000 Z 6 123e 017 C ontour of SM in Plane on M agfac 0 000e 000 G radient Calculation 1 7949e 007 to 1 6000e 007 1 6000e 007 to 1 4000e 007 1 4000e 007 to 1 2000e 007 1 2000e 007 to 1 0000e 007 1 0000e 007 to 8 0000e 006 8 0000e 006 to 6 0000e 006 6 0000e 006 to 4 0000e 006 4 0000e 006 to 2 0000e 006 2 0000e 006 to 0 0000e 000 0 0000e 000 to 0 0000e 000 Interval 2 0e 006 FLAC3D 3 00 Itasca Consulting G roup Inc M inneapolis M N USA Step 2000 M odel Perspective 09 14 10 W ed Dec 21 2011 Center X 0 000e 000 Y 2 500e 000 Z 0 000e 000 Rotation X 0 000 Y 0 000 Z 0 000 Dist 3 015e 001M ag 1 Ang 22 500 Plane O rigin X 0 000e 000 Y 2 500e 000 Z 0 000e 000 Plane Norm al X 0 000e 000 Y 1 000e 000 Z 6 123e 017 B lock State Plane on None shear n shear p shear p 0 6m 孔径应力 0 6m 孔径塑性区 图图 2 22 2 不同孔径下煤体应力分布云图及塑性区范围不同孔径下煤体应力分布云图及塑性区范围 数值模拟结果可知 低于原始应力区域的边界至钻孔中心的径向位移表示钻孔 卸压影响范围 钻孔周围应力集中位置随孔径增大而远离钻孔 钻孔孔径增加 应 力集中区远离钻孔中心 钻孔卸压范围增加 钻孔施工使钻孔周围煤体卸压 钻孔 周围煤体裂隙扩展 同时产生次生裂隙 裂隙相互贯通 提供了瓦斯运移通道 大 量吸附瓦斯解吸为游离瓦斯并沿裂隙通道向钻孔运移 可显著增加钻孔抽采效果 以上为钻孔施工过程中钻孔周围煤体的应力变化规律 但通过现场了解应力变 化过程中钻孔煤体透气性的变化过程是十分困难的 目前一般通过实验室的模拟实 验来了解这一变化过程 实验表明 当瓦斯压力不变时 随着围压 模拟地应力 的增加 渗透率开始下降很快 但是 当围压增至 6 7Mpa 渗透率下降非常缓慢 当围压大于 10Mpa 时 煤样渗透气体量非常小 说明煤体渗透率对地应力十分敏感 即地应力对煤层的渗透率有着重要的影响 因此 为提高现场煤层渗透率 提高瓦 斯抽采效果 采用煤层卸压是一项重要措施 这也是现行大多数防治煤与瓦斯突出 措施 如预抽煤层瓦斯 开采保护层和水力冲孔等措施中 为提高煤层瓦斯抽采率 淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告 11 而广泛采用的方法 2 3 7 瓦斯压力 瓦斯压力对井下瓦斯在煤层中的运移起着动力源的作用 即在煤体中 只有具 备一定压力差的瓦斯才能在煤层中流动 采用地应力不变情况下模拟井下煤层中瓦 斯压力的变化对煤体渗透率的影响 实验结果表明 在围压不变时 随着瓦斯压力 的升高 开始时 煤样吸附气体量增多 克林伯格效应 气体分子在固体表面上的 滑流现象 逐渐增强 导致煤样渗透率的降低 当瓦斯压力超过一定值时 由于煤 样对气体的吸附随瓦斯压力升高而逐渐达到平衡 克氏效应相对于较大的瓦斯压力 消弱了 因而渗透率又有所回升 最终瓦斯压力 P 与煤样渗透率 K 间的关系呈 V 形 实验表明 克氏效应只发生在瓦斯压力小于 1MPa 范围内 因此认为 煤 层瓦斯压力低不利于瓦斯抽采的原因 不仅和瓦斯压力低造成抽采范围内形成的压 力差小有关 而且还和瓦斯压力低 克氏效应显著 从而造成煤层透气性低有关 因此在预抽煤层瓦斯中 若原始煤层瓦斯压力小于 1MPa 则可能对煤层瓦斯抽采 不利 抽采效果可能不好 2 3 8 煤体吸附特性 煤体对瓦斯的吸附对煤的渗透性会产生一定的影响 实验研究表明 对于同一 煤样 在相同的条件下 煤吸附气体所呈现的吸附性越强 煤样渗透率越低 而且 随着孔隙压力的增大 这种关系越加明显 主要是因为煤的渗透率同煤的孔隙结构 和裂隙有关 且只和中孔 大孔以及裂隙有关 由于煤吸附气体后会发生膨胀变形 且吸附气体时的吸附性越强变形量越大 因此 当抽采钻孔周围煤体的围压保持一 定无法沿径向产生变形时 微孔隙或微裂隙在吸附气体后所产生的变形必然向内 从而影响中孔和大孔及裂隙的容积 使渗透容积减小 另外 从煤体骨架所受的力 来看 由于煤样所受的围压力等于骨架力 吸附应力 气体压力之和 因而在围压 力和气体压力保持不变的情况下 吸附应力越大 则骨架所承受应力就越小 因而 在同样力的作用下其变形值就越大 煤吸附气体时 气体分子会占据孔道面积 从 而使构成渗透的孔截面减小 因而煤的渗透率就降低 渗透率低 往往能保持高的 瓦斯压力 而高瓦斯压力低渗透率 会使瓦斯压力梯度增大 这是突出的直接原因 淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告 12 之一 淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告 13 3 3 抽采钻孔抽采钻孔瓦斯瓦斯渗流数值模拟分析渗流数值模拟分析 本章运用流体力学软件 FLUENT 建立数值模型 模拟抽采钻孔周围煤体中瓦斯 压力分布 研究抽采过程中煤体瓦斯渗流规律 通过改变模型参数及边界条件模拟 抽采时间 煤层渗透率 抽采负压 瓦斯压力及钻孔直径等因素对抽采钻孔周围煤 体瓦斯压力分布的影响规律 得出抽采钻孔瓦斯渗流规律及影响因素 为抽采半径 测定提供理论指导 3 1 数值模型建立 3 1 1 数值模拟软件简介 Fluent 是目前国际上较领先的 CFD 软件之一 在流体建模中有广泛的应用 用 来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动 由于采用了多种求解方法和多 重网格加速收敛技术 因而达到了最佳的收敛速度和求解精度 Fluent 软件有如下 特点 1 惯性或非惯性坐标系 复数基准坐标系 滑移网格以及动静翼相互作用模 型化后的接续界面在 Fluent 中可以很方便地找到并设置 2 Fluent 内部集存大量的物性参数的数据库 里面提供了多种材料属性参数 此外用户可以非常便捷地指定自己的材料 3 高效并行计算能力 提供相关自动 手动分区算法 内设 MPI 并行机制 大幅提高了并行运算速度 此外 Fluent 的动态负载平衡功能 确保全局高效并行 计算 4 Fluent 软件开发出便捷的图形窗口面向广大用户 并向用户提供了二次开 发接口 UDF 5 Fluent 具有后续数据导出功能 可对图形分析处理后的数据进行整理分析 而后创建可视化的图形并且给出相应的图表 曲线分析图等 Fluent 计算主要步骤有 1 绘制几何模型 生成网格 2 选择适当的 求解器 3 导入网格文件 检查网格 4 选择计算模型 确定解的基本模型 方程 无粘流 层流还是湍流 考虑有无化学反应 考虑传热与否 是否使用多孔 淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告 14 介质模型 5 确定附加模型 指定材料的物理性质 6 确定边界条件 7 调节解的控制参数 计算求解 图 3 1 为 Fluent 求解计算的基本程序结构示意图 GAMBIT 设置几何形状 生成2D或3D网络 其他软件包 如 CAD CAE等 FLUENT 网格输入及调整 物理模型 边界条件 流体物性确定 计算 结果后处理 prePDF PDF查表 Tgrid 2D三角网络 3D四面体网络 2D和3D混合网络 2D或3D网 络 PDF程序网格 边界网格 图图 3 13 1 基本程序结构示意图基本程序结构示意图 3 1 2 钻孔瓦斯渗流模型的建立 1 基本假设 基本假设 模拟方案中需要假设的条件包括 煤层各向同性 煤层中的瓦斯压力变化不影响其透气性系数及孔隙率 但在 钻孔周围内的卸压范围内增大 可将瓦斯按理想气体 瓦斯渗流过程视为等温过程处理 煤层中瓦斯解析在瞬间完成 可以将煤层顶底板视为不透气岩层 瓦斯在煤层中的流动符合达西定律 煤层中的瓦斯含量满足以下方程 3 1 100 100 1 0 31 1 N pMAabp pMbp 式中 是煤的最大瓦斯吸附量 单位 是煤的吸附常数 单位 a 3 m tb 1 MPa 是瓦斯压力 单位 是煤的密度 单位 是煤的孔隙体积 单位pMPa 3 t m 淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告 15 是煤的灰分 单位 是煤的水分 单位 33 m mA M 2 几何模型的建立 几何模型的建立 根据现场实际情况建立了顺层抽采钻孔的二维模型 包括水平与竖直走向的切 面模型 并进行网格划分 水平走向的横切面模型其中煤储层沿钻口方向距离设置 为 120m 煤储层宽 50m 钻孔长 60m 钻孔在煤层中间位置 封孔深度为 10m 共 划分了 14410 个网格 其中对钻孔加密部分 5140 个网格 煤壁切面的数值模型的大 小为 20 3 长 宽 钻孔孔径分别设置为 75mm 95mm 110mm 共划分了 2796 个网格 其中对钻孔加密部分为 876 个网格 通过模型建立与网格划分后的二维模 型图 如 3 2 所示 整个模型区域采用了结构化网格 由于钻孔周围压力梯度比较 大 对此处网格进行了加密 图图 3 23 2 数值模拟的网格划分图数值模拟的网格划分图 3 2 模拟参数设置 3 2 1 模型基础参数设置 根据实验要求 将煤层设置为多孔介质渗流边界 模型应用于层流条件下k 的计算 瓦斯在煤层中的渗流模型选择多孔介质 分组进行五种不同条件下的模拟 实验 条件参数设置如下 抽采时间分别为 2d 4d 10d 20d 50d 钻孔抽采负压分别为 8KPa 15KPa 30KPa 煤层渗透率分别为 单位 m2 15 2 22 10 17 2 22 10 19 2 22 10 钻孔直径分别为 75mm 95mm 110mm 煤层原始瓦斯压力分别为 2MPa 2 5MPa 3MPa 淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告 16 3 2 2 模型边界设置 将上面得到的网格模型 图 3 2 导出 采用 FLUENT 进行解算 假设气体为 理想气体 加入能量方程 由于煤层中瓦斯流速很小 设为层流 气体流动采用标 准的模型 煤体采用多孔介质模型 由于抽采与时间有关 流体设为非稳态流 k 通过不同抽采时间 改变煤层抽采负压 渗透率 钻孔直径等参数 来模拟不同参 数下流场抽采规律 在对进口边界进行初始化后 进行数值解算 3 3 数值模拟结果及分析 3 3 1 抽采时间的影响 图 3 3 3 7 是在煤层渗透率为 2 22 10 17 m2 钻孔直径 75mm 瓦斯压力 2MPa 及抽采负压 8KPa 情况下 不同抽采时间 2d 4d 10d 20d 50d 阶段煤层压力 分布 图图 3 33 3 抽采时间为抽采时间为 2d2d 时的瓦斯压力分布时的瓦斯压力分布 淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告 17 图图 3 43 4 抽采时间为抽采时间为 4d4d 时的瓦斯压力分布时的瓦斯压力分布 图图 3 53 5 抽采时间为抽采时间为 10d10d 时的瓦斯压力分布时的瓦斯压力分布 图图 3 63 6 抽采时间为抽采时间为 20d20d 时的瓦斯压力分布时的瓦斯压力分布 淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告 18 图图 3 73 7 抽采时间为抽采时间为 50d50d 时的瓦斯压力分布时的瓦斯压力分布 钻孔抽采瓦斯时 煤体中的某点瓦斯压力与抽采负压的压差超过渗流启动压力 时 瓦斯开始向钻孔流动 吸附瓦斯解吸为游离瓦斯补充流走的瓦斯 同时更远处 的瓦斯也缓慢的向该点扩散 从钻孔边缘至煤体瓦斯压力梯度为 0 处 就是钻孔抽 采瓦斯的影响范围 影响范围额定大小主要由煤体透气性决定 随抽采时间的延长 向外延伸 并存在一个极限影响范围 影响范围内达到消除煤与瓦斯突出危险性的 区域认为有效 由此可确定有效抽采半径 相关规定对消突指标的确定不一致 防 治煤与瓦斯突出规定 认为残余瓦斯压力小于 0 74Mpa 或残余瓦斯含量小于 8m3 t 为突出危险区 煤矿安全规程 规定以预抽率大于 30 为指标 本次数值模拟选择 抽采率大于 30 为评价指标 煤层瓦斯压力下降 30 的等压线位置距离钻孔中心线 的距离即为钻孔瓦斯抽采半径 从图 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 可以看出 随着抽采 时间的增加 抽采影响区域逐渐增加 钻孔附近的瓦斯压力衰减范围逐渐向钻孔两 帮 煤层深部延伸 沿 y 轴方向瓦斯压力则沿垂直煤壁向煤层深部呈逐渐衰减趋势 淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告 19 0 0E 00 5 0E 05 1 0E 06 1 5E 06 2 0E 06 2 5E 06 60 50 40 30 20 100102030405060 钻孔径向位置 m 煤层瓦斯压力 pa x 30mx 60mx 80m 图图 3 8 8 抽采抽采 2d 时钻孔径向煤层瓦斯压力分布曲线时钻孔径向煤层瓦斯压力分布曲线 0 0E 00 5 0E 05 1 0E 06 1 5E 06 2 0E 06 2 5E 06 60 50 40 30 20 100102030405060 钻孔径向位置 m 煤层瓦斯压力 pa x 30mx 60mx 80m 图图 3 9 9 抽采抽采 10d 时钻孔径向煤层瓦斯压力分布曲线时钻孔径向煤层瓦斯压力分布曲线 0 0E 00 5 0E 05 1 0E 06 1 5E 06 2 0E 06 2 5E 06 60 50 40 30 20 100102030405060 钻孔径向位置 m 煤层瓦斯压力 pa x 30mx 60mx 80m 有效抽采 半径3 8m 抽采影响 半径19m 图图 3 10 10 抽采抽采 50d 时钻孔径向压力分布曲线时钻孔径向压力分布曲线 图 3 8 至 3 10 是不同抽采时间下 2d 10d 50d 不同孔深 横坐标分别为 淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告 20 x 30m x 60m x 80m 处钻孔径向煤层瓦斯压力分布曲线 由图可知 随着抽采 时间延长 钻孔深部 x 80m 附近煤层瓦斯压力基本无变化 x 60m 与 x 30m 处 钻孔径向压力变化规律一致 都呈衰减趋势 且 50d 时的抽采影响范围明显大于抽 采 2d 与 10d 的范围 图 3 10 可知 当抽采 50d 后有效抽采半径为 3 8m 抽采影响 半径为 19m 图 3 8 是煤层渗透率为 2 22 10 17 m2 抽采负压 8KPa 条件下 抽采 2d 时 沿 y 轴方向分别为 x 30m x 60m x 80m 处钻孔瓦斯压力分布状况 从图中可以明 显看出 在 x 80 处 由于不在钻孔的抽采卸压范围之内 瓦斯压力值等于煤层原始 瓦斯压力 x 60 处 即钻孔末端位置 瓦斯压力最低衰减至 1 77MPa 相比原始 煤层瓦斯压力衰减了 11 5 x 30m 处 距离钻孔末端 30m 位置 瓦斯压力变化 最大 最低衰减至 1 55MPa 在原基础上衰减了 22 5 由此可知 钻孔周围瓦斯 衰减规律为 随着抽采时间的增加 沿钻孔径向向钻孔两帮深部延伸 且越靠近钻 孔 瓦斯压力衰减越快 沿煤巷 钻口两侧煤帮 受钻孔瓦斯径向渗流作用 钻孔 抽采时间影响 向煤储层深部延伸 且越靠近钻孔衰减区域逐渐扩大 衰减速度越 快 图图 3 11 11 抽采抽采 4d 时钻孔径向瓦斯压力分布曲线时钻孔径向瓦斯压力分布曲线 图 3 11 是煤层渗透率为 2 22 10 17 m2 抽采负压 8KPa 条件下 抽采 4d 时 沿 x 方向分别为 y 27m y 30m y 35m 处 即距钻孔中线线径向距离分别为 2m 5m 10m 瓦斯压力分布状况 分析图可知 径向距离 2m 处瓦斯压力最早出 淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告 21 现下降 其次是 y 30m 与 y 35m 区域 且 y 27m 区域瓦斯压力下降幅度大于 y 30m y 35m 处区域 这也符合了钻孔周围瓦斯渗流的基本规律 即在钻孔周围 卸压区内 由于钻孔施工 使煤层地应力卸载 煤层透气性升高 促使瓦斯流动的 趋势加强 但孔周围瓦斯的流动并不受卸压半径的限制 当瓦斯流场到达卸压区边 界时会向卸压区外扩展 只是在卸压区外的流动趋势和流场的扩展速度大为减弱 减弱的程度与原始煤层瓦斯参数有关 3 3 2 抽采负压的影响 构建了三种抽采负压下 8KPa 15KPa 30KPa 钻孔周围煤体瓦斯渗流模 型 得出不同抽采负压下钻孔周围煤体瓦斯压力分布见图 3 12 3 14 图图 3 123 12 负压为负压为 8KPa 8KPa 抽采抽采 50d50d 时的瓦斯压力分布时的瓦斯压力分布 图图 3 133 13 负压为负压为 15KP 15KP 抽采抽采 50d50d 时的瓦斯压力分布时的瓦斯压力分布 淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告 22 图图 3 143 14 负压为负压为 30KPa 30KPa 抽采抽采 50d50d 时的瓦斯压力分布时的瓦斯压力分布 图 3 15 是煤层渗透率为 2 22 10 17 m2时 不同抽采负压下钻孔抽采量随抽采时 间变化规律 可以看出 钻孔瓦斯抽采量随抽采时间增加呈下降趋势 且抽采负压 越大 瓦斯抽出量越大 但抽采流量增幅不高 受管路及钻孔密封性的影响 且对 抽采设备的要求也有所提高 因而现场提高抽采负压会受到一定限制 想把抽采负 压提高很多是比较困难的 因此应根据抽采情况选择合理的抽采负压 根据模拟结 果及相关规定 钻孔的抽采负压应保持在 15 30kPa 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0102030405060708090 抽采时间 d 体积流量 m 3 min 负压 30KPa 负压 15KPa 负压 8KPa 图图 3 153 15 抽采负压对瓦斯抽采量的影响抽采负压对瓦斯抽采量的影响 3 3 3 煤层渗透率的影响 根据煤层渗透率与垂向应力 埋深 关系可知 主煤储层渗透率具有随埋深加 大呈指数减小 随煤储层压力增大而减小的趋势 渗透率在相似埋深条件下的变化 可高达一个数量级 因此 本次模拟对煤层渗透率的影响研究根据矿井实际情况选 淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告