近距离煤层水力冲孔多场耦合效应及卸压瓦斯抽采效果评价研究

发布时间：2020-07-13 16:30

【摘要】：煤层松软、瓦斯含量高压力大、透气性差和抽采效果不理想,一直是导致我国高突煤矿瓦斯治理难度大、瓦斯事故多发频发的重要问题,这些问题在贵州地区尤为明显。水力冲孔较为广泛地应用于煤层瓦斯卸压增透,但水力化措施在贵州地区争议还比较大,且水力冲孔多场耦合演化规律及卸压抽采效果评价方面,还缺乏深入科学分析研究。基于此,本文以具有松软低透近距离高突煤层条件的贵州盘江矿区松河煤矿为工程背景,对煤体微观物理性质和力学参数进行实验测试分析,建立煤体变形破裂与卸压瓦斯运移耦合模型,模拟研究近距离煤层水力冲孔的多场耦合效应,对松河煤矿现场试验验证水力冲孔多场耦合效应并评价其卸压瓦斯抽采效果。取得主要研究成果如下:(1)实验测试分析了煤体的微观物理特征,将煤体孔隙率与渗透率分别考虑,针对煤体变形及瓦斯压力之间的相互作用,建立了包含固体体积应变项及瓦斯压力项的孔隙率动态演化模型,根据Klinkenberg效应、Kozeny-Carman方程建立了渗透率动态演化模型,将其有机融合构建了煤与瓦斯气固耦合模型。渗透率动态演化模型与现场参考数据的成功匹配,煤与瓦斯气固耦合模型与前人模型计算结果的对比分析,证明了该模型可适用于低透气性含瓦斯煤层的气固耦合规律的模拟。(2)基于构建的煤与瓦斯气固耦合模型,采用数值模拟方法分析研究了不同孔径和孔间距条件下的近距离煤层水力冲孔卸压瓦斯抽采多场耦合效应,得到了冲孔孔径、煤体位移、应力迁移、卸压瓦斯抽采时间与有效抽采影响半径之间的关系。结果表明,在冲出煤量恒定、瓦斯压力下降到安全临界值的条件下,随着抽采时间的增加有效影响半径逐渐增大;冲孔孔径增大,导致煤体应力迁移范围越大,孔洞周围煤体位移量越大、瓦斯压力下降越快,对应的有效影响半径越大;双孔、多孔冲孔时,抽采叠加效应显著,孔间距越小或孔径越大,钻孔之间的煤体卸压效果越好,煤体位移越大,瓦斯压力下降幅度越大。(3)现场监测并分析了水力冲孔过程煤体的电磁辐射信号响应规律。水力冲孔破煤的电磁辐射响应符合赫斯特统计规律,电磁辐射信号随冲孔时间的增加而增强;电磁辐射信号越强烈,煤体变形破裂越剧烈,喷孔时异常强烈的信号对此予以了印证;冲孔完成后,煤体的力学行为相对“安静”,电磁辐射信号大幅降低但仍高于冲孔前的信号,表明相对于冲孔过程煤体的急剧破裂,此时煤体内部的变形破裂仍在缓慢进行。(4)现场实测并分析验证了水力冲孔时和冲孔后孔洞周边煤体应力、瓦斯压力分布及动态演化规律,揭示了应力分布演化规律与卸压半径的关系。水力冲孔钻孔周边煤体应力呈现卸压区和应力集中区逐渐向深部转移且持续时间较长,水力冲孔钻孔周围效果考察孔的瓦斯浓度、流量和应力均随与冲孔钻孔间距的增大而减弱。单孔冲孔孔径0.8 m、冲出煤量8 t、抽采时间80天左右时,瓦斯压力下降到0.74 MPa以下,对应的卸压抽采有效影响半径为4.5 m。(5)提出了水力冲孔卸压增透瓦斯抽采及消突达标的评价方法,建立了消突达标时间、有效影响半径与冲孔瓦斯抽采累计量的对应关系方程,建立了水力冲孔卸压瓦斯抽采及消突达标评判方法,实现了试验矿井水力冲孔卸压增透瓦斯抽采及消突达标的评价。(6)现场工程验证及效果考察结果表明,水力冲孔的瓦斯抽采效果明显优于普通钻孔。冲孔后的钻孔瓦斯浓度随时间先迅速增加、稳定到一个较高浓度并维持较长时间后再缓慢降低,冲孔钻孔初始瓦斯浓度、最高浓度及高值持续时间分别是普通钻孔的1.5倍、1.7倍和8.75倍;工业试验记录71天,瓦斯日均抽采量及抽采总量为同样抽采时间内普通钻孔抽采效果的3.19倍。本研究成果对于深入认识高突矿井近距离煤层水力冲孔的多场耦合效应及其卸压瓦斯抽采考察评价,提高水力措施应用效果,促进煤矿实现安全高效防治瓦斯灾害具有重要的理论意义和应用价值。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD712.6
【图文】：

技术路线图,研究方法,水力冲孔,卸压

分析揭示高压水力扰动作用下煤体变形破裂的化规律。水力冲孔破煤工业试验的多场耦合效应及其卸压瓦斯抽采集水力冲孔钻孔、效果考察孔和普通钻孔的瓦斯抽采浓度数，分析研究不同钻孔的煤层应力、裂隙和瓦斯渗流动态水力冲孔卸压增透和瓦斯抽采效果的定性评价。水力冲孔卸压瓦斯抽采效果的评价方法及应用研究、工业试验研究得到的结果为基础，提出水力冲孔卸压增，建立消突达标时间、有效影响半径与瓦斯抽采计量的关近距离高突煤层水力冲孔破煤卸压抽采的有效影响半径法与技术路线研究内容，采用的研究方法主要包括：实验测试、理论分评价等。研究方法及技术路线如图 1-1 所示。

煤层瓦斯,运移,解吸,煤体

博士学位论文-渗流”的运移形式离开煤体涌入井下采掘空间的。水力冲孔作为井下水力化卸压瓦斯抽采效果的重要方法，可在高压水力破煤后增加煤体裂隙，这对加速瓦斯的解、渗流具有十分重要的作用。因此，研究煤体的孔裂隙发育特征，对模拟水力冲合条件下卸压增透及效果评价，具有重要意义。

示意图,场发射扫描电镜

2-1 煤层瓦斯解吸-扩散-运移过程示意图（据张勇，20gram of gas desorption-diffusion-migration process within c微孔裂隙特征镜实验场发射扫描电镜分析煤层微观孔裂隙，实验设备如对不导电样品和对电子束敏感的样品实现低电压微观形貌分析，其主要技术指标参数为高真空kV；3.0 nm@1kV。加速电压：0.1-30 kV。探针电倍。

【参考文献】