本文關鍵詞：掘進工作面水力割縫抽采瓦斯的數值模擬研究

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【摘要】：我國是能源消費大國,在一次性能源消費中,煤炭比重由2009年的74.6%降為2015年的63.3%,2020年左右比重將降低為62%。雖然消費比重有所下降,在未來的若干年內,煤炭仍然是主要消費能源。煤與瓦斯突出和煤礦瓦斯爆炸嚴重威脅煤礦的安全生產,事故造成的人員傷亡和直接經濟損失巨大,給國家的形象帶來負面影響。為確保煤礦的安全生產,最大限度減少人員傷亡,對井下瓦斯進行抽采和利用是我國各個煤礦的首要任務。鉆孔和水力割縫抽采瓦斯是目前最常見的治理瓦斯方式。對井下瓦斯進行抽采,研究煤體中瓦斯的賦存和運移規(guī)律是必要的,同時煤巖體的物理特性也是研究的主要內容。本文結合多孔介質彈性力學,礦山巖石流體力學,滲流力學,有限元分析等理論,利用COMSOL Multiphysics仿真軟件,建立煤層瓦斯?jié)B流的固流耦合模型,對瓦斯在煤體中的運移規(guī)律和抽采進行了模擬分析,得到一些結論:(1)闡述了煤巖體的物理特性,瓦斯的賦存和運移規(guī)律。依據多孔彈性力學,滲流力學,礦山巖石流體力學,有限元分析等理論,建立了煤層瓦斯?jié)B流的固流耦合模型,建立了滲透率,應力,孔隙壓力三者相互關聯(lián)的數學表達式。(2)對掘進工作面進行3個孔和5個孔抽采瓦斯,模擬得出,5個孔的抽采量,抽采速度,抽采效率高于3個孔。鉆孔工況下的抽采方式僅對工作面的瓦斯壓力,煤層滲透率有影響,工作面周圍的瓦斯壓力,煤層滲透率不發(fā)生變化。抽采瓦斯的流向由煤層邊沿向掘進工作面涌入。(3)對掘進工作面進行3條割縫和5條割縫抽采瓦斯,模擬得出,5縫的抽采量,抽采速度,抽采效率明顯高于3縫。割縫工況下的抽采方式不僅對工作面瓦斯壓力,煤層滲透率有顯著影響,同時工作面周圍的瓦斯壓力,煤層滲透率發(fā)生較大變化。(4)在掘進工作面兩幫鉆場進行水力割縫,模擬得出,鉆場割縫和掘進巷組成的三角區(qū)域內,瓦斯壓力,煤層滲透率變化最大,同時整個掘進工作面及其周圍的煤層的滲透率也發(fā)生變化。鉆場割縫工況下的瓦斯抽采量,抽采速度,抽采效率得到最大程度的提高。(5)模擬對比得出,鉆孔僅使工作面煤層的滲透率提高0.7倍,工作面周圍滲透率不發(fā)生變化。工作面割縫使煤層滲透率提高2倍,周圍煤層的滲透率高1倍左右。鉆場割縫使工作面的滲透率提高8倍,周圍煤層的滲透率提高5倍左右,邊沿煤層的滲透率提高2倍。應用COMSOL Multiphysics仿真軟件模擬瓦斯抽采,分析對比得出,目前在掘進工作面進行鉆孔抽采瓦斯的技術需要改變,水力割縫抽采瓦斯的技術值得應用。在掘進巷兩幫的鉆場里進行水力割縫目前尚未在工業(yè)中實踐,通過數值模擬計算,鉆場割縫不僅使整個煤體充分卸壓,煤體的應力,瓦斯壓力重新分布,同時使煤層的滲透率發(fā)生區(qū)域性的變化。
【關鍵詞】：鉆孔 水力割縫 鉆場 瓦斯 滲透率 COMSOL Multiphysics
【學位授予單位】：太原理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TD712.6
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-12
• 第一章 緒論12-18
• 1.1 引言12-13
• 1.2 煤層氣國內研究狀況13-15
• 1.3 煤層氣國外研究狀況15-17
• 1.4 本文研究的主要內容17-18
• 第二章 瓦斯在煤體中的賦存和運移機理18-32
• 2.1 引言18
• 2.2 瓦斯在煤體中的賦存18-23
• 2.2.1 游離態(tài)瓦斯在煤體中的賦存機理19
• 2.2.2 吸附態(tài)瓦斯在煤體中的賦存機理19-21
• 2.2.3 影響煤體吸附瓦斯的因素21-23
• 2.3 瓦斯的運移機理23-27
• 2.3.1 瓦斯的解吸24-25
• 2.3.2 瓦斯的擴散25-27
• 2.3.3 瓦斯的滲流27
• 2.4 煤體的結構特征27-31
• 2.4.1 煤體的結構27-30
• 2.4.2 煤體的滲透特性30-31
• 2.5 本章小結31-32
• 第三章 煤層滲透率及抽放負壓對瓦斯抽采效果影響的研究32-42
• 3.1 COMSOL Multiphysics軟件簡介32
• 3.2 瓦斯抽采的數值模擬基本方程32-35
• 3.2.1 煤體變形方程33-34
• 3.2.2 非穩(wěn)態(tài)滲流控制方程34
• 3.2.3 煤體瓦斯?jié)B流固流耦合方程34-35
• 3.3 水力割縫數值模擬方案35-37
• 3.3.1 水力割縫簡介35
• 3.3.2 數值模擬方案35-37
• 3.4 滲透率和抽放負壓對瓦斯抽采的影響37-41
• 3.4.1 滲透率對瓦斯抽采的影響37-38
• 3.4.2 抽放負壓對瓦斯抽采的影響38-41
• 3.5 本章小結41-42
• 第四章 掘進巷迎頭不同抽采瓦斯方案的數值模擬42-56
• 4.1 掘進巷迎頭鉆孔及割縫的數值模擬方案42-44
• 4.1.1 幾何簡化模型42-44
• 4.1.2 模型邊界條件44
• 4.2 抽采過程中瓦斯壓力變化規(guī)律44-46
• 4.3 抽采過程中煤體滲透率變化規(guī)律46-48
• 4.4 抽采過程中瓦斯?jié)B流速度分布規(guī)律48-50
• 4.5 抽采過程中瓦斯抽采量規(guī)律50-52
• 4.6 抽采過程中瓦斯抽采速度規(guī)律52-54
• 4.7 本章小結54-56
• 第五章 掘進巷迎頭及鉆場聯(lián)合割縫抽采瓦斯的數值模擬56-70
• 5.1 掘進巷迎頭及鉆場聯(lián)合割縫的數值模擬方案56-58
• 5.1.1 幾何簡化模型56-57
• 5.1.2 模型邊界條件57-58
• 5.2 抽采過程中瓦斯壓力的變化規(guī)律58-60
• 5.3 距工作面不同位置截面的瓦斯壓力變化規(guī)律60-62
• 5.4 割縫導致的煤層滲透率變化62-64
• 5.5 抽采過程中瓦斯?jié)B流速度分布規(guī)律64-65
• 5.6 抽采過程中瓦斯抽采量和抽采速度規(guī)律65-67
• 5.6.1 抽采過程中瓦斯抽采量規(guī)律65-67
• 5.6.2 抽采過程中瓦斯抽采速度規(guī)律67
• 5.7 本章小結67-70
• 第六章 結論和展望70-74
• 6.1 引言70
• 6.2 結論70-71
• 6.3 不足和展望71-74
• 參考文獻74-78
• 致謝78-80
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的學術論文80

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