瓦斯非线性渗流机理及钻孔抽采半径研究

摘要

钻孔瓦斯抽采是综合治理及利用瓦斯的重要措施，有效抽采半径、抽采时间、钻孔间距等抽采参数的确定关系着抽采的效率及采掘进程。其中，钻孔的有效抽采半径是在瓦斯抽采煤层中涉及到钻孔的设计、布置和抽采时间长短的一个重要参数，它直接影响着煤层瓦斯抽、采衔接。有效抽采半径的测定与钻孔及钻孔周围煤层的瓦斯渗流规律密切相关，然而目前煤层瓦斯非线性渗流机理尚不明确，当煤层中布置多个钻孔时，由钻孔之间相互作用产生的叠加效应对有效抽采半径的影响还未确定。SPH方法作为一种无网格粒子方法，可以通过赋予粒子一定的物理属性描述煤层的非均质特性，为瓦斯非线性渗流机理提供新的研究思路和方法。本文通过构建单钻孔与双钻孔瓦斯抽采SPH模型，研究煤层赋存参数及抽采技术对有效抽采半径的影响，进而确定在规定的瓦斯预抽时间内合理的钻孔排布间距。主要工作如下：
　　（1）根据瓦斯达西渗流理论与非达西渗流理论，建立了煤层瓦斯渗流SPH模型；通过计算均质煤层中瓦斯压力及涌出量的解析解和SPH解，分析了采用SPH方法对煤层瓦斯渗流进行数值模拟的准确性和可行性；研究了渗透指数与透气性系数对均质煤层中瓦斯渗流规律的影响；分析了两种渗流理论下的瓦斯渗流规律。
　　（2）通过改变煤层透气性系数，建立了煤层走向非均质、Weibull随机分布非均质、两者共同作用非均质，三种典型的煤层非均质工况，进行了基于达西定律的非均质煤层中瓦斯渗流数值模拟，揭示了由煤体介质的非均匀特性引起的瓦斯非线性渗流机理；通过与均质煤层中基于非达西定律的瓦斯流动规律进行对比分析，得到了基于达西定律的Weibull随机分布非均质煤层与基于非达西定律的均质煤层中的模拟结果具有一定的相似性，瓦斯压力与瓦斯涌出量会随着非均质度和渗透指数的减小逐渐接近。
　　（3）建立了煤层瓦斯渗流双重粒子排布SPH模型，编制了双重粒子排布的SPH计算程序，通过对比单重粒子排布与双重粒子排布下的瓦斯压力，验证了双重粒子排布方法的可行性。
　　（4）进行了双重粒子排布下单钻孔瓦斯抽采SPH数值模拟，分析了钻孔及钻孔周围煤体的瓦斯压力变化规律，研究了抽采时间、抽采负压、煤层原始瓦斯压力、原始透气性系数对钻孔有效抽采半径的影响。
　　（5）建立了双重粒子排布的双钻孔瓦斯抽采数值模型，从抽、掘、采接续问题入手，分析了钻孔间瓦斯压力变化规律；对比了单钻孔与双钻孔抽采时有效抽采半径的差异；针对煤层原始瓦斯压力和透气性系数，确定了在规定的预抽时间内的钻孔间距。

目录

声明

1绪论

1.1课题研究的背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3 主要研究内容及方法

2煤层瓦斯渗流的SPH模拟

2.1煤层瓦斯运移基本规律[47]

2.2 SPH方法基本原理

2.3均质煤层瓦斯渗流的SPH模拟

2.4本章小结

3 瓦斯非线性渗流机理研究

3.1煤层非均质性描述

3.2基于达西定律的非均质煤层瓦斯渗流规律

3.3基于两种渗流理论的非线性渗流机理研究

3.4本章小结

4钻孔抽采条件下非均质煤层瓦斯运移规律研究

4.1钻孔瓦斯抽采基本原理分析

4.2双重粒子模型的SPH程序实现

4.3单钻孔瓦斯抽采数值模型建立

4.4钻孔周围煤体内瓦斯压力场的时空变化规律

4.5钻孔有效抽采半径影响因素研究

4.6本章小结

5钻孔瓦斯有效抽采半径及布孔间距研究

5.1双钻孔抽采物理模型建立

5.2双钻孔瓦斯抽采有效半径研究

5.3孔间距影响因素研究

5.4本章小结

6主要结论与展望

6.1结论

6.2创新点

6.3不足与展望

致谢

参考文献

主要成果