穿层钻孔瓦斯抽采有效半径的时变规律研究

摘要

当前我国矿井中高瓦斯和突出矿井所占比例大，随着采深的增加，瓦斯危险性呈增加趋势，矿井瓦斯已成为制约煤矿高效安全生产的决定性因素，加强瓦斯灾害的研究刻不容缓;矿井瓦斯抽采是解决高瓦斯和突出矿井中瓦斯危害的有效措施，进行矿井瓦斯抽采并积极的开展瓦斯利用，不但可消除瓦斯危害，提高矿井生产能力，还可保护环境，增加企业效益。
　　抽采半径是进行抽采设计的主要依据，因此，为提高矿井瓦斯抽采效果，根据煤层含量、透气系数以及预抽时间的不同，开展确定合理抽采半径的理论研究和应用，具有重要的现实意义。
　　本文以渗流力学、岩石力学等理论为基础，建立了考虑吸附-有效应力耦合作用影响的非线性瓦斯流动数学模型，并根据有限体积法推导了模型的数值解算算法，建立了数值模型，利用计算机编程技术开发了计算钻孔抽采半径的数值分析软件，实现了对所建模型的数值求解，得到了煤层瓦斯基本参数和预抽时间对钻孔有效抽采半径影响的时变模型。通过与现场考察结果的对比分析，验证了软件解算结果的可靠性，为研究成果的现场应用奠定了坚实的基础。
　　本文的通过研究得到了以下结论:
　　①通过实验数据的分析，结合达西定律的力学特征分析，对吸附作用对含瓦斯煤体渗透特性的影响做了假设，通过力学平衡方程推导出了吸附作用影响下含瓦斯煤渗流模型;
　　②在分析了有效应力对煤体渗透率的影响后，以Kozeny方程为桥梁建立了吸附-有效应力耦合作用对煤体渗透率影响的数学模型，并在进行合理假设的条件下建立了计算钻孔抽采半径的数学模型。
　　③通过对现代数值模拟技术的对比分析，确定了采用有限体积法为求解钻孔瓦斯流动方程的最优算法，并利用有限体积法推导了方程的数值解算方法，用go语言编制解算程序，实现了钻孔周围瓦斯压力分布的数值解算;
　　④通过对数值解算结果的数值分析，得到了钻孔有效抽采半径随时间和煤层瓦斯基本参数变化的关系式，即钻孔有效抽采半径的时变规律;
　　⑤利用现场实测钻孔周围煤体瓦斯压力和突出预测指标的方法，考察了钻孔抽采半径随时间的变化规律，并与数值解算的结果进行了对比，结果表明:软件根据煤层瓦斯基本参数能很好的预测钻孔周围瓦斯压力分布，其数值解算结果与现场考察结果具有较好的吻合度，证明了解算结果的可靠性和适用性

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 论文研究的背景及其意义

1．2 瓦斯抽采研究现状

1．2．1 国内瓦斯抽采技术的发展

1．2．2 煤层瓦斯流动理论的研究现状

1．2．3 钻孔瓦斯预抽技术及理论研究发展

1．2．4 存在的问题

1．3 论文主要研究内容和技术路线

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究内容

1．3．3 技术路线

2 煤层瓦斯流动基础

2．1 概述

2．2 煤的物性特征

2．2．1 煤的化学结构

2．2．2 煤的孔隙特征

2．2．3 煤对瓦斯的吸附特性

2．3 煤层瓦斯的赋存

2．3．1 煤中瓦斯的赋存状态

2．3．2 煤的瓦斯含量

2．4 煤层瓦斯的流动

2．4．1 煤层瓦斯流场的分类

2．4．2 煤层瓦斯的流动规律

2．4．3 煤层的透气系数

2．5 本章小结

3 抽采钻孔周围瓦斯流动的数学模型

3．1 基于线性渗流理论的瓦斯流动数学模型

3．2 吸附-应力耦合作用影响的瓦斯流动数学模型

3．2．1 吸附作用影响的瓦斯流动模型

3．2．2 有效应力变化对煤体渗透率的影响

3．2．3 考虑吸附-应力耦合作用影响的瓦斯流动数学模型

3．3 本章小结

4 钻孔有效抽采半径时变规律的研究

4．1 数值模型

4．1．1 生成离散网格

4．1．2 方程的离散

4．1．3 数值计算模型

4．2 程序设计

4．3 实例计算及分析

4．4 钻孔有效抽采半径时变规律

4．4．1 钻孔有效抽采半径时变特征

4．4．2 钻孔有效抽采半径影响因素分析

4．4．3 钻孔倾斜角度对有效抽采半径影响分析

4．5 本章小结

5 现场应用

5．1 钻孔有效抽采半径考察方法

5．2 安顺煤矿现场应用

5．2．1 试验区概况

5．2．2 试验区瓦斯流场模拟结果分析

5．3 建新煤矿现场应用

5．3．1 试验区概况

5．3．2 试验区瓦斯流场模拟结果分析

5．4 本章小结

6 结论和展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢