团论文网
团论文网
-
摘要：超前钻孔是我国局部综合防突措施之一，它由于具有工艺简单、实用性强和防突效果好等优点而被广泛应用。煤是一种由煤体、裂隙和孔隙构成的组合体，显而易见，它应具有多孔介质的性质。而超前钻孔就是在所要控制的突出煤层中打入一定数量钻孔，煤层瓦斯通过渗透流动和扩散流动到超前钻孔中，从而减小所控制煤层的压力而达到防突的效果。
关键词：低渗透气性；超前钻孔；模型
0引言
众所周知，煤层是由块煤内的微观孔隙和块煤之间的宏观裂隙以及固体骨架所组成的，同时煤层内部含有大量的瓦斯气体，当向煤层中打超前钻孔时，钻孔周围瓦斯压力会减小，这说明瓦斯可以通过煤体这一介质从一侧流向另一侧，符合上述多孔介质的第一条和第二条基本性质，瓦斯在煤体中流动，很明显块煤的固体骨架存在于整个介质空间，符合第三条多孔介质的基本性质。综上所述，可以运用多孔介质渗流力学的理论来研究钻孔周围瓦斯流动情况。
1多孔介质基本参数概述
多孔介质的研究涉及多种反映多孔介质内部渗流能力的基本参数，有孔隙率、渗透率、渗流速度和比表面积等。
1.1孔隙率
孔隙率是指多孔介质内微小孔隙和裂隙所占的总体积与该多孔介质的外表体积的比值，如式（1）所示：
多孔介质中相互连通的孔隙和裂隙体积的和与该多孔介质外表总体积的比值，既为孔隙率，本文研究所用的孔隙率是指有效的孔隙率。
孔隙率是影响多孔介质中流体容量及流体渗流状态的重要指标。根据本课题研究的煤层瓦斯的流动情况，ε的大小是指选取煤层孔隙和裂隙的平均孔隙率值。在煤矿开采工艺和顶底板岩质不发生变化的情况下，超前钻孔周围煤体的孔隙率相对较为稳定，根据相关研究资料，一般取值为0.03~0.08，本文取ε为0.05。
1.2渗透率
渗透率是衡量多孔介质渗透性能强弱的物理量，渗透性是指流体在多孔介质中相互连通的微小孔隙间互相流动的性质，流体的渗透率与多孔介质孔隙的大小及孔隙的分布有关。渗透率的值是由达西渗透定律定义来表示。
其达西定律的基本表达形式，如式（2）所示：
式中：∂p为流动方向上的压力梯度；k为为渗透率，m2；μ为流体动力黏度，N·s/m2；v为为流体在孔隙中的渗流速度，m/s。
煤层渗透率k对于煤层的瓦斯抽放或是钻孔瓦斯排放起关键性因素，渗透系数越高，瓦斯抽放或排放的效果越好，对于渗透系数低的煤层，抽放或排放的意义不大，或者只有人工增大煤层渗透率，再对煤层进行抽放或排放。不同煤层的渗透性差异很大，范围大约在1.0×10-19~1.0×10-13 m2之间，本文的模拟过程选取了三种煤层渗透率，分别是4.0×10-14、4.0×10-16、4.0×10-18 m2。
2瓦斯渗透—扩散理论
瓦斯在煤层中的运动状态，包括瓦斯煤体煤岩中的渗透及瓦斯在煤层、围岩裂隙中扩散，瓦斯在煤体的渗透及煤层、围岩裂隙扩散双重作用过程下。煤体煤岩内部通过渗透作用将瓦斯气体渗透到煤层、围岩裂隙且裂隙互相连通，瓦斯通过裂隙从高压区渗透扩散至低压区[1]。所以，煤层、围岩中瓦斯运移状态是由煤层、围岩的渗透率、煤层、围岩裂隙性等共同决定的[2]。
2.1瓦斯在煤层中的流动状态
当煤层、围岩中的瓦斯所受压力分布不平衡时，煤层瓦斯由高压区渗透扩散低压区，瓦斯气体运移范围为“瓦斯流场”[3-4]。
在x、y、z三维坐标体系中，流速有向上、下两个方向，流速为零的第三个方向流动所形成的流场为径向流场。径向流场的一般流线垂直于巷道，瓦斯压力线为同心圆形。
径向流动符合质量守恒定律，遵循连续性方程，由式（3）、式（4）所示：
令λ=λ0f（r，t）=λ0T（t）rnX=ap则有：
其初始条件为：t=0，p=p0=p02其边界条件为：
2.2钻孔瓦斯周围压力分布情况
煤层未受到采掘活动破坏影响时，岩体及煤层应力处于平衡状态；在煤层进行开采过程中，为对煤层瓦斯进行抽采，对煤体实加钻孔施工后，煤层岩体因开采原有的应力平衡状态遭到破坏，岩体应力分布被重塑。呈现塑性区、弹性区、原始应力区，如图1所示。随着应力重新分布，钻孔周围瓦斯渗透率、压力同时发生变化。由图1可知，随着距离钻孔中心的距离增大，煤体周围应力呈现先升后降的趋势。图1中r0为钻孔半径，R0为塑性区域范围，Re为弹性区域边界。在塑性区，煤体周围的应力逐渐增大，直到极值，达到重新平衡状态，弹性区，应力降低至原始应力状态。
3低渗透气性煤层抽采钻孔排放煤层瓦斯数值模型建立
3.1提出模拟方案，设定模拟条件为：
1）取煤层顶、底板、围岩的透气性为0，瓦斯含量为0；
2）煤层、围岩各向同性，渗透、孔隙率不变；
3）煤层岩体瓦斯分布处于最佳状态；
4）瓦斯吸附性符合朗格缪尔方程。
3.2确定模拟方案
瓦斯在煤层中流动设置为多孔介质模型，确定了以下三种模拟方案进行分别模拟对比：
1）不同抽采钻孔直径，煤层及岩体的渗透率、瓦斯状态都相同情况下，超前抽采钻孔的有效释放半径。
2）渗透率不同，钻孔直径和瓦斯压力设置相同状态下，超前钻孔的有效释放半径。
3）煤层及岩体瓦斯压力不同，渗透率和钻孔直径相同状态下，超前抽采钻孔的有效释放半径。
3.3抽采钻孔排放瓦斯物理模型
根据采区瓦斯排放半径测定实际，取垂直于抽采钻孔单位厚度的煤壁截面为平面模型，模型平面为5 m×100 m，钻孔直径取89 mm的孔径，设置于模型中心位置，采用四边形结构化网格单元，在钻孔周围设置压力梯度较大，并在钻孔周围进行加密，定向水平长钻孔排放瓦斯模型，如图2所示。
3.4抽采钻孔周围瓦斯流动情况分析
层瓦斯在钻孔周围的流动主要以径向流动为主，只有在钻孔的最深处属于球向流动，下面就以超抽钻孔直径为89 mm，煤层渗透率为4.0×10-16 m2，瓦斯压力为0.6 MPa为例来模拟钻孔周围的径向流动。钻孔周围瓦斯流动的速度矢量图，如图3所示。
由图3中可知：钻孔周围的瓦斯是径向流动的，在这种情况下，煤层瓦斯流动速度在1.84×10-10 m/s到3.19×10-3 m/s之间，图中的颜色和箭头的长度都能代表该处流动速度的大小，因此可以看出距钻孔中心的距离越小，瓦斯流动速度越快，反之越小，当距钻孔中心距离大到一定数值，这时钻孔对这一数值之外的煤层瓦斯就没有影响了，需要再打钻孔。
3.5煤层渗透率对抽采钻孔有效排放半径的影响
煤层的抽采钻孔排放直径为89 mm，煤层瓦斯压力为0.6 MPa，煤层渗透率分别为4.0×10-14 m2，4.0×10-16 m2，4.0×10-18 m2时，在模拟达到平衡时的煤层压力分布；可知有效排放半径随着渗透率的减小而增大，他们达到平衡所用的时间也都不在一个数量级上，但是由于平衡后又运行了一段时间，所用的平衡时间并不是他们真正所用的时间，单个分析距钻孔中心0.6、0.8、1.0、1.2 m时瓦斯不同渗透率的压力变化情况，如图4所示。
煤层渗透率为4.0×10-18 m2在达到基本平衡时的压力分布曲线，由于它达到平衡的时间要远远超过另外两种情况，因此，为了能清晰显示煤层渗透率为4.0×10-14 m2和渗透率为4.0×10-16 m2的压力分布曲线。有图4可以看出：在抽采钻孔直径和煤层的瓦斯压力一定的情况下，钻孔的有效排放半径随着煤层渗透率的减小而减小。由图4-1可知，煤层渗透率为4.0×10-14 m2在平衡时的压力在0.74 MPa左右，即煤层渗透率为4.0×10-14 m2时的有效排放半径为1.0 m左右；同理，煤层渗透率为4.0×10-16 m2的有效排放半径在1.0 m左右；煤层渗透率为4.0×10-18 m2的有效排放半径还不足0.6 m；同样我们还可以看出它们达到平衡所用的时间，其中煤层渗透率为4.0×10-14 m2达到平衡所需要的时间仅仅在500 s左右；煤层渗透率为4.0×10-16 m2所需要的时间在14 000 s左右；而煤层渗透率为4.0×10-18 m2所需要的时间则会超过250 000 s。因此可知，煤层渗透率是影响超前钻孔设计的重要因素，渗透率小的煤层不仅钻孔的有效排放半径小，并且达到平衡所用的时间是渗透率大煤层所用时间的十几倍，甚至上千倍，非常不利于进一步生产。
4结语
基于以上高位裂隙抽采采空区瓦斯原理，设计钻孔时主要考虑如何提高高位裂隙钻孔抽采浓度，优化钻孔设计，提高响应时间，将大部分钻孔布置在回采侧，在满足工程施工需要的条件下减少钻孔施工数量，形成具有沿空掘进巷道瓦斯防突防治的技术特点。发挥高位裂隙钻孔的最大价值，我们通过已经施工的高位裂隙钻孔，不断摸索，掌握采空区裂隙带高度范围，合理布置钻孔参数，提高抽采效果。
参考文献
[1]冀占强.平煤六矿丁组煤高效开采区域瓦斯治理技术研究[D].焦作：河南理工大学，2015.
[2]韦善阳，陈学习，王磊，等.瓦斯压力对超前钻孔有效排放半径影响数值模拟研究[J].煤炭技术，2015，34（4）：137-139.
[3]侯沣峻.王行庄矿二_ 1煤层瓦斯有效抽采半径研究[D].廊坊：华北科技学院，2020.
[4]冀占强.平煤六矿丁组煤高效开采区域瓦斯治理技术研究[D].焦作：河南理工大学，2015.后台-系统设置-扩展变量-手机广告位-内容正文底部 -
本文标签：
低渗透气性煤层抽采钻孔瓦斯防控技术研究论文
人参与 2024-11-06 10:39:57 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
-
站内搜索
-
随机文章
-
标签列表
-
-
最近发表
-
-
热门文章 | 最新文章 | 随机文章
-
-
最新留言
-
首页 论文知识 教育论文 毕业论文 教学论文 经济学 管理学 职称论文 法学 理学 医学 社会学 物理学 文献 工程论文 学位论文 研究论文
Powered 团论文网 版权所有 备案号：鄂ICP备2022005557号统计代码
全站搜索