钻孔抽采瓦斯的机理研究

发布时间：2017-04-01 07:11

  本文关键词：钻孔抽采瓦斯的机理研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：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。
【关键词】：钻孔法 瓦斯抽放 流固耦合 数值模拟
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TD712.6
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-16
• 1.1 引言10-11
• 1.2 煤层气开采国内研究状况11-12
• 1.3 煤层气开采国外研究状况12-13
• 1.4 本文研究的主要内容13-16
• 第二章 含瓦斯煤岩流固耦合基本方程16-36
• 2.1 引言16
• 2.2 含瓦斯煤岩的物理特性16-22
• 2.2.1 含瓦斯煤岩的孔隙结构16-22
• 2.3 含瓦斯煤岩体变形控制方程22-24
• 2.3.1 平衡方程22-23
• 2.3.2 几何方程23
• 2.3.3 本构关系23-24
• 2.4 煤层瓦斯运移参数及瓦斯含量24-32
• 2.4.1 含瓦斯煤岩中瓦斯赋存24-26
• 2.4.2 煤层瓦斯压力26
• 2.4.3 含瓦斯煤层中瓦斯的含量26-28
• 2.4.4 含瓦斯煤岩中瓦斯气体的含量28-29
• 2.4.5 含瓦斯煤岩的渗透率29-32
• 2.5 煤层瓦斯运移方程32-35
• 2.5.1 基本假设32-33
• 2.5.2 瓦斯运移连续性方程33-34
• 2.5.3 瓦斯运移耦合方程34-35
• 2.6 本章小结35-36
• 第三章 钻孔抽放瓦斯流固耦合数值模拟分析36-56
• 3.1 引言36
• 3.2 COMSOL MULTIPHYSICS SOFTWARE特性及应用领域简介36
• 3.3 钻孔抽放瓦斯流固耦合物理模型及定解条件36-38
• 3.3.1 物理模型36-37
• 3.3.2 定解条件37-38
• 3.4 单孔抽放瓦斯38-53
• 3.4.1 几何模型38-39
• 3.4.2 初始条件和边界条件39-40
• 3.4.3 抽放过程中瓦斯压力、渗透率、孔隙率的变化规律40-48
• 3.4.4 埋藏深度对瓦斯压力、渗透率、孔隙率的影响规律48-50
• 3.4.5 抽放负压对瓦斯压力、渗透率、孔隙率的影响规律50-52
• 3.4.6 钻孔半径对有效抽放半径的影响规律52
• 3.4.7 渗透率对瓦斯压力的影响规律52-53
• 3.5 本章小结53-56
• 第四章 本煤层瓦斯抽采几种方案的抽采效果比较56-64
• 4.1 水力冲孔抽采瓦斯的理论分析56-57
• 4.2 水力割缝抽采瓦斯的理论分析57
• 4.3 试验条件简介57-58
• 4.4 试验方法与过程58-59
• 4.5 几种方案的抽采效果比较59-62
• 4.6 本章小结62-64
• 第五章 结论及展望64-66
• 5.1 主要结论64-65
• 5.2 今后的研究工作65-66
• 参考文献66-70
• 致谢70-72
• 攻读学位期间发表的学术论文目录72

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：280204