本文關(guān)鍵詞：掘進(jìn)工作面水力割縫抽采瓦斯的數(shù)值模擬研究

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【摘要】：我國(guó)是能源消費(fèi)大國(guó),在一次性能源消費(fèi)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(fèi)比重有所下降,在未來(lái)的若干年內(nèi),煤炭仍然是主要消費(fèi)能源。煤與瓦斯突出和煤礦瓦斯爆炸嚴(yán)重威脅煤礦的安全生產(chǎn),事故造成的人員傷亡和直接經(jīng)濟(jì)損失巨大,給國(guó)家的形象帶來(lái)負(fù)面影響。為確保煤礦的安全生產(chǎn),最大限度減少人員傷亡,對(duì)井下瓦斯進(jìn)行抽采和利用是我國(guó)各個(gè)煤礦的首要任務(wù)。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(duì)井下瓦斯進(jìn)行抽采,研究煤體中瓦斯的賦存和運(yùn)移規(guī)律是必要的,同時(shí)煤巖體的物理特性也是研究的主要內(nèi)容。本文結(jié)合多孔介質(zhì)彈性力學(xué),礦山巖石流體力學(xué),滲流力學(xué),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(duì)瓦斯在煤體中的運(yùn)移規(guī)律和抽采進(jìn)行了模擬分析,得到一些結(jié)論:(1)闡述了煤巖體的物理特性,瓦斯的賦存和運(yùn)移規(guī)律。依據(jù)多孔彈性力學(xué),滲流力學(xué),礦山巖石流體力學(xué),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(yīng)力,孔隙壓力三者相互關(guān)聯(lián)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。(2)對(duì)掘進(jìn)工作面進(jìn)行3個(gè)孔和5個(gè)孔抽采瓦斯,模擬得出,5個(gè)孔的抽采量,抽采速度,抽采效率高于3個(gè)孔。鉆孔工況下的抽采方式僅對(duì)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(jìn)工作面涌入。(3)對(duì)掘進(jìn)工作面進(jìn)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(duì)工作面瓦斯壓力,煤層滲透率有顯著影響,同時(shí)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(jìn)工作面兩幫鉆場(chǎng)進(jìn)行水力割縫,模擬得出,鉆場(chǎng)割縫和掘進(jìn)巷組成的三角區(qū)域內(nèi),瓦斯壓力,煤層滲透率變化最大,同時(shí)整個(gè)掘進(jìn)工作面及其周圍的煤層的滲透率也發(fā)生變化。鉆場(chǎng)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(duì)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(chǎng)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(yīng)用COMSOL Multiphysics仿真軟件模擬瓦斯抽采,分析對(duì)比得出,目前在掘進(jìn)工作面進(jìn)行鉆孔抽采瓦斯的技術(shù)需要改變,水力割縫抽采瓦斯的技術(shù)值得應(yīng)用。在掘進(jìn)巷兩幫的鉆場(chǎng)里進(jìn)行水力割縫目前尚未在工業(yè)中實(shí)踐,通過數(shù)值模擬計(jì)算,鉆場(chǎng)割縫不僅使整個(gè)煤體充分卸壓,煤體的應(yīng)力,瓦斯壓力重新分布,同時(shí)使煤層的滲透率發(fā)生區(qū)域性的變化。
【關(guān)鍵詞】：鉆孔 水力割縫 鉆場(chǎng) 瓦斯 滲透率 COMSOL Multiphysics
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：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(guó)內(nèi)研究狀況13-15
• 1.3 煤層氣國(guó)外研究狀況15-17
• 1.4 本文研究的主要內(nèi)容17-18
• 第二章 瓦斯在煤體中的賦存和運(yùn)移機(jī)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(jī)理19
• 2.2.2 吸附態(tài)瓦斯在煤體中的賦存機(jī)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(yùn)移機(jī)理23-27
• 2.3.1 瓦斯的解吸24-25
• 2.3.2 瓦斯的擴(kuò)散25-27
• 2.3.3 瓦斯的滲流27
• 2.4 煤體的結(jié)構(gòu)特征27-31
• 2.4.1 煤體的結(jié)構(gòu)27-30
• 2.4.2 煤體的滲透特性30-31
• 2.5 本章小結(jié)31-32
• 第三章 煤層滲透率及抽放負(fù)壓對(duì)瓦斯抽采效果影響的研究32-42
• 3.1 COMSOL Multiphysics軟件簡(jiǎn)介32
• 3.2 瓦斯抽采的數(shù)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(shù)值模擬方案35-37
• 3.3.1 水力割縫簡(jiǎn)介35
• 3.3.2 數(shù)值模擬方案35-37
• 3.4 滲透率和抽放負(fù)壓對(duì)瓦斯抽采的影響37-41
• 3.4.1 滲透率對(duì)瓦斯抽采的影響37-38
• 3.4.2 抽放負(fù)壓對(duì)瓦斯抽采的影響38-41
• 3.5 本章小結(jié)41-42
• 第四章 掘進(jìn)巷迎頭不同抽采瓦斯方案的數(shù)值模擬42-56
• 4.1 掘進(jìn)巷迎頭鉆孔及割縫的數(shù)值模擬方案42-44
• 4.1.1 幾何簡(jiǎn)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(jié)54-56
• 第五章 掘進(jìn)巷迎頭及鉆場(chǎng)聯(lián)合割縫抽采瓦斯的數(shù)值模擬56-70
• 5.1 掘進(jìn)巷迎頭及鉆場(chǎng)聯(lián)合割縫的數(shù)值模擬方案56-58
• 5.1.1 幾何簡(jiǎn)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(dǎo)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(jié)67-70
• 第六章 結(jié)論和展望70-74
• 6.1 引言70
• 6.2 結(jié)論70-71
• 6.3 不足和展望71-74
• 參考文獻(xiàn)74-78
• 致謝78-80
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文80

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