沙曲矿4煤层顺层抽采瓦斯运移规律数值模拟研究

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近年来随着煤矿井下开采深度的增加和开采强度的增大,煤层瓦斯涌出强度也越来越大,严重制约着矿井生产,对于高瓦斯矿井这种问题表现的更为突出。矿井瓦斯抽采已成为瓦斯灾害防治的重要手段,同时瓦斯作为一种清洁高效的能源资源,如果能够最大限度的将煤层瓦斯采出并加以利用,可以变害为宝为人类造福。依据煤矿安全规程,对高瓦斯有煤与瓦斯突出危险的煤层在回采前,必须进行预抽,而如何确保瓦斯抽采效果,合理的布置钻孔,一直是个难题,目前多通过现场实测的办法,来估算抽采布置间距,该方法需要布置多组实验钻孔且需较长的抽采观测时间。本文基于本煤层瓦斯抽采方法选择及抽采钻孔布置问题,将煤岩体视为具有孔隙裂隙的双重介质结构,考虑由于瓦斯压力下降引起的孔隙结构的变形,从微观到宏观,逐步研究了煤层瓦斯的储存特征和渗流特征,在达西定律、菲克第一定律、连续性方程和辅助方程的基础上,以煤岩体体积应变为耦合媒介建立了考虑裂隙渗流、微孔隙扩散和煤岩体变形的耦合渗流场方程。借助于大型数值分析软件对建立的数值模型进行分析求解,并根据沙曲矿4煤层实际的瓦斯赋存条件,分别建立平面应变模型和三维几何模型,分析单孔和孔群抽采时煤层瓦斯压力、达西速度、渗透率等参数随抽采时间的变化规律,以及工作面倾向顺层钻孔抽采、工作面倾向倾斜顺层钻孔抽采和工作面扇形顺层钻孔抽采三种不同的顺层钻孔瓦斯抽采方法的抽采效果,研究了钻孔布置间距、夹角等参数对抽采效果的影响。研究结果表明:距离抽采钻孔较近位置瓦斯压降呈“L”型,较远位置呈反“S”型,随距离抽采位置增大,压降曲线逐渐由“L”型转为反“S”型;渗流速度随抽采时间变化呈三个阶段,抽采一周左右渗流速度达峰值,随后快速下降,抽采稳定后缓慢下降;工作面倾向顺层抽采与倾斜顺层抽采、扇形顺层三种抽采方法比较,相同时间倾向顺层抽采瓦斯压力降低较快,倾向倾斜抽采存在两个抽采区域瓦斯压力降低缓慢;扇形顺层抽采时,以施钻位置为中心,影响范围呈扇形辐射状发展,随距施钻中心位置增大,瓦斯压力下降速度减小;钻孔布置密度对扇形顺层钻孔瓦斯抽采的效果影响比较显著。
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