近距离上保护层开采瓦斯运移规律数值分析

采动裂隙是瓦斯运移的通道,搞清瓦斯运移规律是瓦斯治理的前提。在考虑岩石动态破坏过程和含瓦斯煤岩渗流-应力-损伤耦合的基础上,结合平煤五矿实际地质条件和开采工艺,建立了数值计算模型,应用RFPA-Gas程序模拟了近距离上保护层采动顶底板岩层变形破坏、裂隙演化规律与瓦斯运移规律。模拟结果较好地再现了保护层开采过程中煤岩层应力变化、顶底板损伤及裂隙演化过程,得到了上覆岩层移动的“上三带”（冒落带、裂隙带和弯曲下沉带）和底板变形的“下两带”（底板变形破坏带和弹塑性变形带）。得到了被保护层瓦斯流量分布、瓦斯压力分布和透气系数的变化规律,卸压煤层瓦斯透气性增大了2 500倍,得到了煤壁下方压缩区和膨胀区之间的张剪瓦斯渗流通道,并将保护层底板压缩区和膨胀区的瓦斯渗流特征提炼出来：压缩区对应的是渗流减速减量区、膨胀区由卸压膨胀陡变区和卸压膨胀平稳区组成,分别对应着渗流急剧增速增量区和渗流平稳增量区。指出卸压膨胀陡变区是瓦斯突出危险区,为近距离保护层开采瓦斯治理指明了方向。实践表明,瓦斯治理效果显著。     

淮南矿区保护层开采卸压范围及瓦斯抽采地面井部署

以保护层卸压开采和卸压瓦斯地面井抽采工程实践取得的大量资料为基础,结合采区上覆岩层变形变位检测和煤岩层力学性质实验室测试结果,总结了煤与煤层气开采地质条件,讨论了确定保护层开采有效卸压范围的方法,得到了淮南矿区保护层开采有效卸压范围的结果,分析了其对卸压瓦斯地面井部署的影响,提出了淮南矿区卸压瓦斯地面井部署的建议。研究结果表明:淮南矿区11-2保护层的最大有效保护距离为117 m,11-2保护层的开采对13-1被保护层的保护是有效的;走向有效卸压保护角为64°,倾向有效卸压保护角下方为77°、上方为83°,被保护层的卸压范围相对于保护层下部内错15.4 m,上部内错8.2 m;地面井应部署在走向上距始采线37 m外,倾向上靠近回风巷13～30 m之间的位置。研究结果对实现煤层气高效、持续、稳定的抽采和煤与煤层气共采意义重大。      

煤层瓦斯渗流特性研究进展

针对非线性瓦斯流动理论和煤层瓦斯流固耦合理论存在的问题,以及越来越多高温矿井引发的瓦斯灾害治理难题,在综述煤层瓦斯渗流研究进展的基础上,对国内外学者在非线性瓦斯流动理论、地温场效应的瓦斯流动理论以及煤层-瓦斯流固耦合理论3方面的研究成果给予了重点评述,展望了地球物理场作用下煤层瓦斯渗流特性研究领域的发展趋势。研究显示,在非线性瓦斯渗流、深部开采引起的高温和低渗透问题以及煤层瓦斯的流固耦合问题等方面,还需做更深层次的探索。      

下伏煤层瓦斯压力消散数值模拟

平煤五矿己15煤层为低瓦斯煤层,下伏己16-17煤层为高瓦斯煤层,相对层间距比例1.0-4。己16-17煤层煤厚3.5m,为主采煤层。为降低己16-17煤层的瓦斯压力,实现安全高效生产,该矿以已15煤层为保护层,采用上保护层开采技术改变具有突出危险的煤层瓦斯赋存状态,降低被保护层的瓦斯压力。基于多孔介质流体流动理论,利用有限元数值模拟技术,模拟平顶山五矿超近上保护层的开挖过程,分析被保护煤层的瓦斯流动过程和煤层瓦斯压力的变化规律,论证保护层开采技术可以改变高突、高瓦斯煤层瓦斯赋存状态的可行性。     

考虑Klinbenberg效应的煤中应力-渗流耦合数学模型

已有研究表明,瓦斯在煤层中渗流存在明显的Klinbenberg效应,建立考虑Klinbenberg效应的煤中瓦斯渗流应力耦合模型是煤层瓦斯抽放数值模拟的关键。通过试验研究了煤中的气渗透率与瓦斯压和围压的关系,试验数据的拟合分析表明,赵阳升公式能很好地模拟瓦斯渗流的Klinkenberg效应及围压对煤的渗透率的影响。将赵阳升公式引入到建立的煤层瓦斯渗流应力弹塑性耦合模型中,建立了考虑Klinkenberg效应的煤层渗流-应力弹塑性耦合数学模型,在数值计算程序Coupling Analysis中予以实现,并利用已有解析解对程序的可靠性进行了验证。按考虑和不考虑“Klinbenberg“效应两种工况进行了数值计算。结果表明,按前者计算的瓦斯压降要大于后者。这与理论研究的结论一致,表明所建立的考虑Klinbenberg效应的模型具有理论和工程价值。     

煤层群内多重保护层开采的防突试验研究

基于煤与瓦斯突出的煤层群开采所遇到的瓦斯问题,针对煤层群开采的特点,通过多参数的考察,对多重上保护层开采进行了试验研究,完善了保护层开采的基本理论;对保护效果、保护范围和合理参数进行综合分析、确定,得出了煤层群开采保护层过程中多重保护的具体指标和效果,建立了多重保护层效果考察及评价方法,对淮南矿区煤层群开采消除突出危险效果显著。研究成果对于类似条件突出矿井的保护层开采具有一定的指导意义和应用价值。     

软煤夹层水射流层状卸压增透抽采瓦斯数值模拟及试验

水力冲孔是煤层瓦斯增透抽采的主要技术措施,其主要以出煤量考察卸压效果,但是也存在出煤量大、卸压不均一、应力易集中等问题。因此,提出软煤夹层水射流层状卸压增透抽采瓦斯技术,考虑瓦斯压力压缩和煤基质吸附瓦斯膨胀对本体变形的影响,建立应力场、裂隙场、渗流场耦合条件下的多物理场理论模型,并结合COMSOL数值模拟软件对软煤夹层水射流分支数、卸压影响范围内煤体的瓦斯压力和瓦斯含量变化规律进行了研究。研究表明:当水射流分支长半轴为2 m,短半轴为0.22 m时,水射流分支数为6个时较为合理;在相同出煤率情况下,相同时间内瓦斯压力和含量均随着与钻孔距离的增加而减小,抽采180 d,水射流层状卸压有效抽采半径约为常规水力冲孔有效抽采半径的2.14倍,且在有效影响范围2 m时,水射流层状卸压瓦斯含量降低量为7 m3/t,而常规水力冲孔瓦斯含量降低量为4.1 m3/t,水射流层状卸压瓦斯降低量为常规水力冲孔的1.71倍;在新义煤矿现场试验中发现,当水射流层状卸压出煤率为常规冲孔出煤率的0.29~0.71倍,抽采较高浓度瓦斯时长仍是常规水力冲孔的2倍。软煤夹层水射流层状卸压增透抽采瓦斯技术的提出,对未来煤矿井下软煤夹层水力冲孔技术的发展有着重要的意义,为井下瓦斯的治理提供了新的方法和方向。      

基于两能态吸附热理论的煤层瓦斯流动热-流-固多场耦合模型

为了研究煤层瓦斯流动过程中温度与渗流场和应力场的耦合作用变化规律,引入煤层瓦斯两能态吸附热理论,重新构建煤层温度场控制方程,推导了温度场控制方程中解吸微分热能项的理论求解方法,改进了煤层瓦斯流动的热-流-固多场耦合数学模型;从理论上阐述了煤层瓦斯流动过程中吸附解吸、应力场、温度场、渗流场相互影响的作用机制;利用该模型研究了煤层瓦斯抽采过程中煤层瓦斯流动时的煤层温度、瓦斯压力、煤层渗透率的变化规律;结合已有试验研究结果,对比验证了模型的精确性和合理性;研究结果表明,在煤层瓦斯抽采过程中,煤层温度下降的快、慢受煤层原始瓦斯含量和压力及煤层渗透率的共同影响,煤层渗透率越大,温度下降越快,煤层瓦斯压力和含量越大,温度下降越快;同时,煤层渗透率随抽采时间的增长而增加,越靠近钻孔壁面煤层渗透率增加幅度越大。     

突出煤和非突出煤全应力-应变瓦斯渗流试验研究

以突出煤和非突出煤的型煤为研究对象,设计两种型煤全应力-应变瓦斯渗流试验方案,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验系统,对比研究了两种型煤全应力-应变瓦斯渗流规律。结果表明,在应力-应变全过程中突出煤和非突出煤的煤样变形和瓦斯流量变化规律基本一致,即两种型煤在应力-应变全过程中瓦斯流量与煤样损伤变形的进程密切相关;瓦斯流量随着煤样的体积压缩而变小,且在煤样体积被压缩至最小时瓦斯流量降为最低值,煤样开始扩容后瓦斯流量转为增大;瓦斯流量随围压的增大而减小,且围压越大,瓦斯流量随应变变化的幅度越小。煤性对煤层瓦斯渗透性有明显影响,其渗透性可作为判断煤与瓦斯突出危险程度的一个重要指标     

远程卸压瓦斯抽放数值模拟

利用新近开发的含瓦斯煤岩破裂过程固气耦合作用的F-RFPA2D数值模拟工具,模拟了潘一矿在下煤层开采过程中上覆岩层的移动、垮落的全过程,以及由于下煤层开采所诱发的上煤层(主采煤层)透气性演化过程,并对采动影响下煤层瓦斯抽放时瓦斯的流动运移规律进行了初步的数值模拟研究。模拟结果同现场工程实际比较吻合,表明利用F-RFPA来研究煤矿开采所诱发的煤层透气性演化和瓦斯运移等工程实际问题是可行的。      

Numerical simulations for coupled rock deformation and gas leak flow in parallel coal seams

Based on the new viewpoint of interaction mechanics for solid and gas, gas leakage in parallel deformable coal seams can be understood. That is, under the action of varied geophysical fields, the methane gas flow in a double deformable coal seam can be essentially considered to be compressible with time-dependent and mixed permeation and diffusion through a pore-cleat deformable, heterogeneous and anisotropic medium. From this new viewpoint, coupled mathematical models for coal seam deformation and gas leak flow in parallel coal seams were formulated and the numerical simulations for slow gas emission from the parallel coal seams are presented. It is found that coupled models might be close to reality. Meanwhile, a coupled model for solid deformation and gas leak flow can be applied to the problems of gas leak flow including mining engineering, gas drainage engineering and mining safety engineering in particular the prediction of the safe range using protective layer mining where coal and gas outbursts can efficiently be prevented. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.     

A coupled model for solid deformation and gas leak flow

From the viewpoint of interaction mechanics of solid and gas, a coupled mathematical model is presented for solid coal/rock‐mass deformation and gas leak flow in parallel deformable coal seams. Numerical solutions using the strong implicit procedure (SIP) method to the coupled mathematical model for double parallel coal seams are also developed in detail. Numerical simulations for the prediction of safety range using protection layer mining are performed with experimental data from a mine with potential danger of coal/gas outbursts. Analyses show that the numerical simulation results are consistent with the measured data on the spot. The coupled model shows a positive future for applications in a wide range of gas‐leak‐flow‐related problems in mining engineering, gas drainage engineering and mining safety engineering. Copyright © 2004 John Wiley & Sons, Ltd.     

煤层瓦斯卸压抽放动态过程的气-固耦合模型研究

根据瓦斯渗流与煤体变形的基本理论,引入煤体孔隙变形与透气性演化的耦合作用方程,建立了考虑煤层吸附、解吸作用的含瓦斯煤岩固-气耦合作用模型。应用该模型模拟研究了不同压力影响下瓦斯抽放过程中煤层透气性的演化和抽放孔周围瓦斯压力的变化规律,其结果对于深入理解瓦斯抽放作用机制并采取相应的瓦斯预防和控制措施等具有重要的理论和实践意义。     

低渗透煤层气-水流固耦合数学模型及数值模拟

基于有效应力原理,结合弹塑性几何方程、本构方程及平衡方程建立了应力场控制方程。依据流体力学中的质量守恒原理建立了煤层气、水和煤岩体固体颗粒的渗流场方程;以上方程再配以辅助方程和定解条件构成了应力作用下煤层 气-水流固耦合的数学模型,并对简化模型进行了单相流流-固耦合数值模拟分析,得到了压力动态分布曲线,分析了耦合和非耦合情况对压力分布的影响,进一步为煤层气流-固耦合分析提供了一定的理论基础。     

煤与瓦斯突出的激发和发生条件

从影响煤与瓦斯突出的地应力、瓦斯、煤岩物理力学性质和地质构造因素出发,提出把煤与瓦斯突出的过程划分为突出源的形成发展、突出的激发和发生三个阶段。以南桐煤矿典型突出事故为例,用演绎法探讨了突出激发与发生的条件。结果表明,一切由振动产生的岩体裂隙和冲击载荷是导致煤与瓦斯突出的激发条件,并根据充瓦斯煤的损伤蠕变方程,得到了预测延期突出的时间。根据突出过程中的能量转换关系,得到了突出的起动速度和瓦斯临界压力表达式,对煤与瓦斯突出发生涉及的几个难点问题进行了讨论。揭示了煤与瓦斯突出的主要能量是瓦斯膨胀能,突出时喷出的瓦斯由多个来源的瓦斯组成,且地质构造区在采矿过程中容易形成有利于突出的源。     

盐岩储气库温度-渗流-应力-损伤耦合模型研究

推导了含夹层盐岩储气库在地应力、注-采气压力和温度联合作用下的温度-渗流-应力（THM）-损伤耦合数学模型,该模型不仅包含了盐岩的热损伤效应,还考虑了气体渗透的Klinkenberg效应以及气体沿夹层层面流动对渗透规律的影响。在此基础上,结合金坛储气库建设,采用数值仿真技术,对储气库在注-采气过程中考虑THM耦合与不耦合情况下的气体渗透、温度分布以及应力分布规律进行了详细的对比分析和探讨,研究结果表明：含夹层盐岩储气库应力-渗透-温度耦合效应十分明显。该问题的研究,为全面深入分析盐岩储气库的安全性和实用性提供了思路及前提,具有重要的理论及实践意义。     

呼图壁凝析气田构造控藏过程讨论

呼图壁气田是新疆准噶尔盆地南缘中段发现的第一个中型凝析气田。文章从区域构造应力特征及构造运动方式入手,重建了呼图壁背斜构造演化历史,综合分析了呼图壁气田成藏过程和成藏的关键控制因素。结果表明,呼图壁背斜构造形成演化,受幕式挤压应力、沉积压实作用及滑脱层的共同控制。同时,晚新生代的区域强烈SN向挤压应力不仅使得中下侏罗统煤系烃源岩迅速达到高-过成熟阶段并大量生气,而且造成地层异常高压以及断裂的开启,进而为呼图壁气田的形成提供气源和通道。而SN向水平区域构造挤压应力、异常高压及断裂是呼图壁气田成藏的主控因素。此认识对于呼图壁气田的开发、利用,以及在准噶尔盆地南缘寻找新的天然气勘探耙区,都具有指导意义。     

泄洪雾雨区裂隙岩质边坡饱和-非饱和渗流场与应力场耦合分析

岩质滑坡除与地质条件、降雨等因素有关外,泄洪雾雨也成为其不可忽视的催化剂。通过裂隙岩体渗透性与应力关系,裂隙岩体的弹塑性本构关系以及渗流场的控制方程,建立起饱和非饱和渗流场与应力场耦合的等效连续介质模型。编制了有泄洪雾雨影响的饱和-非饱和渗流与应力耦合三维有限元程序,通过迭代求解达到两场耦合目的。以实际工程为例,根据边坡的地表信息、开挖信息、岩层分界信息以及排水洞和帷幕信息等,建立起边坡地质模型。通过耦合计算,详细分析了耦合后边坡岩体的变形、应力以及塑性区等。计算结果表明,雾雨区的边坡稳定与渗流场变化有着重要关系,在评价边坡稳定与否时,要考虑渗流场对其影响。计算成果为实际工程的安全评价提供了一定的科学依据。