钻孔煤壁变形与渗流规律及钻孔参数优化研究

发布时间：2021-09-27 21:06

　　瓦斯抽采作为解决煤矿瓦斯突出、瓦斯超限问题的重要技术手段,同时也是开发利用煤层气资源的前提。但目前我国大部分矿井仍面临着瓦斯抽采浓度偏低的问题,除与煤层低渗透性的地质特性有关外,瓦斯抽采参数设置不合理和钻孔封孔失效也是影响钻孔抽采效果的两个关键因素。因此研究钻孔的抽采参数与封孔参数对于提高钻孔抽采率,实现煤层气的合理开发利用,具有十分重要的意义。本文分别以沙曲矿4号煤层顺层抽采钻孔和贺西矿钻孔封孔条件为研究背景,通过理论分析、有限元数值模拟和实例计算的研究方法,以优化钻孔抽采参数和封孔参数为主要目标开展研究,得到以下研究成果:（1）以弹塑性力学理论为基础,运用Mohr-Coulomb准则以及扩容流动法则,将抽采钻孔的孔壁煤体变形视为平面应变问题,推导出了孔壁煤体破裂区、塑性区和弹性区的应力—应变解;再结合有效应力和基质收缩效应对孔隙率、渗透率的影响研究,基于孔隙率定义和Kozeny-carman方程建立了抽采过程中煤储层渗透率的动态变化模型。（2）以渗透率动态变化模型为基础,结合多孔介质渗流理论和相关辅助方程,建立了渗透率动态变化下的瓦斯渗流微分方程,该物理数学模型可以准确模拟计算钻孔... 

【文章来源】：太原理工大学山西省 211工程院校

【文章页数】：81 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 选题背景与意义
    1.2 国内外研究现状及存在的问题
        1.2.1 钻孔参数的研究现状及存在的问题
        1.2.2 钻孔周边煤体应力场研究现状
        1.2.3 钻孔周边煤体渗流场研究现状
        1.2.4 钻孔周边煤体渗透率理论模型研究现状
    1.3 主要研究内容、方法与技术路线
        1.3.1 主要研究内容
        1.3.2 研究方法及技术路线
第二章 钻孔孔壁含瓦斯煤体的变形及渗流规律研究
    2.1 钻孔孔壁煤体的弹塑性变形分析
        2.1.1 力学模型
        2.1.2 基本假设
        2.1.3 本构方程及屈服准则
        2.1.4 钻孔孔壁煤体“三区”的弹塑性解
    2.2 瓦斯抽采过程孔壁煤体的变形
        2.2.1 有效应力变化引起的钻孔孔壁煤体变形
        2.2.2 基质收缩效应引起的钻孔孔壁煤体变形
    2.3 孔壁煤体孔隙结构参数的动态变化模型
        2.3.1 孔壁煤体的孔隙率动态变化模型
        2.3.2 孔壁煤体的渗透率动态变化模型
    2.4 渗透率动态变化下的瓦斯渗流微分方程
    2.5 本章小结
第三章 抽采钻孔布置工艺参数优化数值模拟与观测研究
    3.1 多物理场耦合软件COMSOLMultiphysics简介
        3.1.1 COMSOLMultiphysics软件基本介绍
        3.1.2 数值模拟求解过程介绍
    3.2 数值模型的建立
        3.2.1 模拟工程背景
        3.2.2 几何模型的建立
        3.2.3 定解条件的设定
        3.2.4 模拟参数与模型网格的划分
    3.3 数值模拟的结果与分析
        3.3.1 钻孔有效抽采半径的判定指标
        3.3.2 钻孔有效抽采半径的模拟结果分析
        3.3.3 基于瓦斯流量法的钻孔有效半径计算及与模拟结果的比较
        3.3.4 钻孔孔壁煤体孔隙率和渗透率的时空变化规律
        3.3.5 钻孔孔壁内瓦斯渗流速度分布规律
        3.3.6 钻孔有效抽采半径的影响因素分析
        3.3.7 钻孔合理布置间距的确定
    3.4 本章小结
第四章 钻孔封孔工艺参数的优化研究
    4.1 合理封孔长度的研究
        4.1.1 传统封孔长度研究的缺陷
        4.1.2 巷道围岩弹塑性分析及合理封孔长度的确定
    4.2 注浆封孔参数的研究
        4.2.1 钻孔“漏气圈”的形成及漏气原因分析
        4.2.2 注浆封孔堵漏机理
        4.2.3 钻孔封孔深度和注浆总量的理论计算
        4.2.4 合理注浆压力与注浆时间的关系研究
    4.3 贺西煤矿封孔工艺参数计算分析
        4.3.1 钻孔封孔长度的确定
        4.3.2 注浆封孔参数的确定
    4.4 本章小结
第五章 结论与展望
    5.1 本文主要结论
    5.2 不足与展望
参考文献
致谢
攻读硕士学位期间发表的学术成果


【参考文献】：
期刊论文
[1]考虑浆液扩散路径的多孔介质渗透注浆机理研究[J]. 张庆松,王洪波,刘人太,李术才,张乐文,朱光轩,张连震.  岩土工程学报. 2018(05)
[2]瓦斯抽采钻孔封孔成套技术及应用研究[J]. 刘延保.  煤炭工程. 2017(04)
[3]底抽巷穿层钻孔封孔深度与布孔间距优化研究[J]. 程志恒.  煤炭科学技术. 2017(02)
[4]2004—2015年全国煤矿事故分析[J]. 孙继平,钱晓红.  工矿自动化. 2016(11)
[5]煤矿顺层钻孔瓦斯抽采合理布孔间距研究[J]. 李波,孙东辉,张路路.  煤炭科学技术. 2016(08)
[6]瓦斯抽采钻孔动态漏气圈特性及漏气处置研究[J]. 王志明,孙玉宁,王永龙,王振锋.  中国安全生产科学技术. 2016(05)
[7]煤层瓦斯抽采钻孔漏气机理及应用研究进展[J]. 胡胜勇,刘红威.  煤矿安全. 2016(05)
[8]煤层瓦斯抽采钻孔密封理论模型与工程技术研究[J]. 周福宝,孙玉宁,李海鉴,余国锋.  中国矿业大学学报. 2016(03)
[9]瓦斯抽采过程中的煤层透气性动态演化规律与数值模拟[J]. 王登科,彭明,付启超,秦恒洁,夏玉玲.  岩石力学与工程学报. 2016(04)
[10]瓦斯抽采钻孔有效影响半径的理论模型及数值分析[J]. 王韶辉.  中国西部科技. 2015(09)

博士论文
[1]钻孔封孔段失稳机理分析及加固式动态密封技术研究[D]. 张超.中国矿业大学 2014

硕士论文
[1]考虑黏度时变性的宾汉姆浆液注浆扩散机理研究[D]. 韩烨.山东大学 2014



本文编号：3410615