掘进工作面水力割缝抽采瓦斯的数值模拟研究

发布时间：2017-07-16 15:25

  本文关键词：掘进工作面水力割缝抽采瓦斯的数值模拟研究

  更多相关文章： 钻孔 水力割缝 钻场 瓦斯 渗透率 COMSOL Multiphysics

【摘要】：我国是能源消费大国,在一次性能源消费中,煤炭比重由2009年的74.6%降为2015年的63.3%,2020年左右比重将降低为62%。虽然消费比重有所下降,在未来的若干年内,煤炭仍然是主要消费能源。煤与瓦斯突出和煤矿瓦斯爆炸严重威胁煤矿的安全生产,事故造成的人员伤亡和直接经济损失巨大,给国家的形象带来负面影响。为确保煤矿的安全生产,最大限度减少人员伤亡,对井下瓦斯进行抽采和利用是我国各个煤矿的首要任务。钻孔和水力割缝抽采瓦斯是目前最常见的治理瓦斯方式。对井下瓦斯进行抽采,研究煤体中瓦斯的赋存和运移规律是必要的,同时煤岩体的物理特性也是研究的主要内容。本文结合多孔介质弹性力学,矿山岩石流体力学,渗流力学,有限元分析等理论,利用COMSOL Multiphysics仿真软件,建立煤层瓦斯渗流的固流耦合模型,对瓦斯在煤体中的运移规律和抽采进行了模拟分析,得到一些结论:(1)阐述了煤岩体的物理特性,瓦斯的赋存和运移规律。依据多孔弹性力学,渗流力学,矿山岩石流体力学,有限元分析等理论,建立了煤层瓦斯渗流的固流耦合模型,建立了渗透率,应力,孔隙压力三者相互关联的数学表达式。(2)对掘进工作面进行3个孔和5个孔抽采瓦斯,模拟得出,5个孔的抽采量,抽采速度,抽采效率高于3个孔。钻孔工况下的抽采方式仅对工作面的瓦斯压力,煤层渗透率有影响,工作面周围的瓦斯压力,煤层渗透率不发生变化。抽采瓦斯的流向由煤层边沿向掘进工作面涌入。(3)对掘进工作面进行3条割缝和5条割缝抽采瓦斯,模拟得出,5缝的抽采量,抽采速度,抽采效率明显高于3缝。割缝工况下的抽采方式不仅对工作面瓦斯压力,煤层渗透率有显著影响,同时工作面周围的瓦斯压力,煤层渗透率发生较大变化。(4)在掘进工作面两帮钻场进行水力割缝,模拟得出,钻场割缝和掘进巷组成的三角区域内,瓦斯压力,煤层渗透率变化最大,同时整个掘进工作面及其周围的煤层的渗透率也发生变化。钻场割缝工况下的瓦斯抽采量,抽采速度,抽采效率得到最大程度的提高。(5)模拟对比得出,钻孔仅使工作面煤层的渗透率提高0.7倍,工作面周围渗透率不发生变化。工作面割缝使煤层渗透率提高2倍,周围煤层的渗透率高1倍左右。钻场割缝使工作面的渗透率提高8倍,周围煤层的渗透率提高5倍左右,边沿煤层的渗透率提高2倍。应用COMSOL Multiphysics仿真软件模拟瓦斯抽采,分析对比得出,目前在掘进工作面进行钻孔抽采瓦斯的技术需要改变,水力割缝抽采瓦斯的技术值得应用。在掘进巷两帮的钻场里进行水力割缝目前尚未在工业中实践,通过数值模拟计算,钻场割缝不仅使整个煤体充分卸压,煤体的应力,瓦斯压力重新分布,同时使煤层的渗透率发生区域性的变化。
【关键词】：钻孔 水力割缝 钻场 瓦斯 渗透率 COMSOL Multiphysics
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD712.6
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-12
• 第一章 绪论12-18
• 1.1 引言12-13
• 1.2 煤层气国内研究状况13-15
• 1.3 煤层气国外研究状况15-17
• 1.4 本文研究的主要内容17-18
• 第二章 瓦斯在煤体中的赋存和运移机理18-32
• 2.1 引言18
• 2.2 瓦斯在煤体中的赋存18-23
• 2.2.1 游离态瓦斯在煤体中的赋存机理19
• 2.2.2 吸附态瓦斯在煤体中的赋存机理19-21
• 2.2.3 影响煤体吸附瓦斯的因素21-23
• 2.3 瓦斯的运移机理23-27
• 2.3.1 瓦斯的解吸24-25
• 2.3.2 瓦斯的扩散25-27
• 2.3.3 瓦斯的渗流27
• 2.4 煤体的结构特征27-31
• 2.4.1 煤体的结构27-30
• 2.4.2 煤体的渗透特性30-31
• 2.5 本章小结31-32
• 第三章 煤层渗透率及抽放负压对瓦斯抽采效果影响的研究32-42
• 3.1 COMSOL Multiphysics软件简介32
• 3.2 瓦斯抽采的数值模拟基本方程32-35
• 3.2.1 煤体变形方程33-34
• 3.2.2 非稳态渗流控制方程34
• 3.2.3 煤体瓦斯渗流固流耦合方程34-35
• 3.3 水力割缝数值模拟方案35-37
• 3.3.1 水力割缝简介35
• 3.3.2 数值模拟方案35-37
• 3.4 渗透率和抽放负压对瓦斯抽采的影响37-41
• 3.4.1 渗透率对瓦斯抽采的影响37-38
• 3.4.2 抽放负压对瓦斯抽采的影响38-41
• 3.5 本章小结41-42
• 第四章 掘进巷迎头不同抽采瓦斯方案的数值模拟42-56
• 4.1 掘进巷迎头钻孔及割缝的数值模拟方案42-44
• 4.1.1 几何简化模型42-44
• 4.1.2 模型边界条件44
• 4.2 抽采过程中瓦斯压力变化规律44-46
• 4.3 抽采过程中煤体渗透率变化规律46-48
• 4.4 抽采过程中瓦斯渗流速度分布规律48-50
• 4.5 抽采过程中瓦斯抽采量规律50-52
• 4.6 抽采过程中瓦斯抽采速度规律52-54
• 4.7 本章小结54-56
• 第五章 掘进巷迎头及钻场联合割缝抽采瓦斯的数值模拟56-70
• 5.1 掘进巷迎头及钻场联合割缝的数值模拟方案56-58
• 5.1.1 几何简化模型56-57
• 5.1.2 模型边界条件57-58
• 5.2 抽采过程中瓦斯压力的变化规律58-60
• 5.3 距工作面不同位置截面的瓦斯压力变化规律60-62
• 5.4 割缝导致的煤层渗透率变化62-64
• 5.5 抽采过程中瓦斯渗流速度分布规律64-65
• 5.6 抽采过程中瓦斯抽采量和抽采速度规律65-67
• 5.6.1 抽采过程中瓦斯抽采量规律65-67
• 5.6.2 抽采过程中瓦斯抽采速度规律67
• 5.7 本章小结67-70
• 第六章 结论和展望70-74
• 6.1 引言70
• 6.2 结论70-71
• 6.3 不足和展望71-74
• 参考文献74-78
• 致谢78-80
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文80

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 野田和俊 ,吴余超;矿用瓦斯自动警报器的响应特性[J];煤矿安全;1984年09期

2 瑞语;又见瓦斯,又见瓦斯[J];百科知识;2005年01期

3 解张伟;;瓦斯到底能怎么样造福人类?[J];党政干部文摘;2005年10期

4 邴吉杰;浅议瓦斯管路系统中阻爆装置的应用[J];煤矿安全;2000年07期

5 李学诚;安全排放瓦斯的作法[J];煤矿安全;2001年01期

6 郑丙建,王彦凯,王建林,付国延;调压技术在防治瓦斯中的应用[J];煤矿安全;2001年07期

7 尹志华;排放高浓度盲巷瓦斯造成全风压汇合处瓦斯逆流的原因分析[J];矿业安全与环保;2002年01期

8 李子林 ,李之军;潘西煤矿高瓦斯区瓦斯规律及防治对策[J];山东煤炭科技;2002年05期

9 聂光国,张建国;综合防治瓦斯 解放生产力[J];中国煤炭;2003年11期

10 聂光国 ,张建国;综合防治瓦斯 解放生产力[J];河南科技;2003年10期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 王玉麟;王君杰;;低浓瓦斯综合利用新技术研究[A];全国暖通空调制冷2010年学术年会论文集[C];2010年

2 王红卫;费奇;;智能瓦斯预报系统[A];企业发展与系统工程——中国系统工程学会第七届年会论文集[C];1992年

3 李瑞敬;;瓦斯逆流现象原因分析及防治措施[A];河北省煤炭工业科学技术工作会议论文集[C];2006年

4 杨双安;宁书年;张会星;姜铁明;;三维地震勘探技术预测瓦斯的研究成果[A];第六次全国煤炭工业科学技术大会文集[C];2005年

5 吴强;张保勇;;瓦斯水合化技术研究进展[A];第七次煤炭科学技术大会文集（下册）[C];2011年

6 李长庚;;淮南矿区瓦斯浓缩技术应用及市场前景分析[A];2010年安徽省科协年会——煤炭工业可持续发展专题研讨会论文集[C];2010年

7 郭江涛;;风电瓦斯闭锁功能设计与现场实现[A];第五届全国煤炭工业生产一线青年技术创新文集[C];2010年

8 禄利刚;郭畅;程龙彪;;节能减排视角下我国瓦斯的抽采和综合利用[A];全国煤矿井下安全避险及瓦斯治理技术理论与实践[C];2011年

9 彭苏萍;;瓦斯富集部位高分辨地震探测技术及其应用[A];中国煤炭学会第六次全国会员代表大会暨学术论坛论文集[C];2007年

10 姜文忠;;采空冒落区瓦斯扩散-通风对流模拟研究[A];2007年全国煤矿安全学术年会会议资料汇编[C];2007年

中国重要报纸全文数据库 前10条

1 实习生 解张伟;瓦斯到底能怎么样造福人类？[N];科技日报;2005年

2 中经;把瓦斯变成拳头产品[N];中国安全生产报;2007年

3 罗虎昌;大湾矿瓦斯月发电量创纪录[N];中国煤炭报;2006年

4 本报记者　 陈晓军;“西北第一瓦斯站”的尴尬[N];甘肃日报;2006年

5 白增安邋郭东;救援围绕降低瓦斯浓度展开[N];河北日报;2007年

6 张沉;山西的新瓦斯时代[N];经济观察报;2006年

7 记者 杨沛洁邋实习生 赵峰涛;瓦斯“恶魔”越来越“温顺”[N];平顶山日报;2007年

8 黄强;逢春煤矿“瓦斯自动放水器”安全效率高[N];经理日报;2007年

9 胡明军;打通一矿治理岩溶瓦斯有新招[N];经理日报;2008年

10 张延颖;河北金牛葛泉矿新装备筑牢瓦斯防线[N];中国矿业报;2008年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 董丁稳;基于安全监控系统实测数据的瓦斯浓度预测预警研究[D];西安科技大学;2012年

2 徐乐华;钻孔初始瓦斯流量法预测石门揭煤突出危险性的实验研究[D];中国矿业大学;2015年

3 陈文胜;瓦斯水合固化过程热效应实验研究[D];中国矿业大学;2015年

4 薛飞;无煤柱煤与瓦斯共采中抽采钻孔采动破坏机理研究[D];中国矿业大学;2015年

5 倪冠华;脉动压裂过程中瓦斯微观动力学特性及液相滞留机制研究[D];中国矿业大学;2015年

6 李刚;瓦斯浓度的分形分析与混沌预测模型研究[D];中国矿业大学（北京）;2009年

7 刘彦伟;煤粒瓦斯放散规律、机理与动力学模型研究[D];河南理工大学;2011年

8 陈向军;外加水分对煤的瓦斯解吸动力学特性影响研究[D];中国矿业大学;2013年

9 刘纪坤;煤体瓦斯吸附解吸过程热效应实验研究[D];中国矿业大学(北京);2012年

10 魏明尧;含瓦斯煤体气固耦合渗流机理及应用研究[D];中国矿业大学;2013年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 董骏;井下瓦斯浓度检测机器人的设计[D];河北联合大学;2014年

2 薛王龙;掘进工作面水力割缝抽采瓦斯的数值模拟研究[D];太原理工大学;2016年

3 胡建洋;余吾煤业采动裂隙场中瓦斯运移规律研究及工程应用[D];太原理工大学;2016年

4 张虎;含瓦斯煤振动解吸特性实验研究[D];安徽理工大学;2016年

5 时天;基于混沌时间序列的瓦斯浓度预测研究[D];西安科技大学;2009年

6 孙锐;泥浆介质非等压条件下煤芯瓦斯解吸规律研究[D];河南理工大学;2010年

7 管玲玲;基于蓝光平台的瓦斯浓度分析的研究与实现[D];山东科技大学;2011年

8 阎东慧;高瓦斯矿井掘进通风瓦斯浓度预测神经网络模型研究[D];西安科技大学;2012年

9 陈树亮;含瓦斯煤层水力致裂的瓦斯驱赶实验研究[D];中国矿业大学;2015年

10 孙维吉;不同孔径下瓦斯流动机理及模型研究[D];辽宁工程技术大学;2007年

，

本文编号：549359