钻孔瓦斯抽采流-固耦合数值模拟

为了探究钻孔瓦斯抽采过程中瓦斯压力随时间的变化规律,通过建立流-固耦合模型,考虑渗透率、孔隙率和体积应变的动态变化,结合矿井煤层物性参数,运用多物理场软件进行了模拟分析。分析结果表明:随着抽采时间的延长,钻孔周围煤体瓦斯压力逐步降低,在瓦斯抽采过程中,瓦斯压力的降低有助于渗透率的提高,但影响效果甚微,埋藏深度对煤层渗透率起主导作用。     

基于流-固-热耦合的深部煤层气抽采数值模拟

为了提高深部煤储层产气规律预测准确性、减小气井设计误差,分析了深部煤储层特征参数随埋深的变化规律,针对目前煤层气研究忽略了温度、地下水等因素问题,基于已建立的深部煤层气抽采流-固-热耦合模型,进行深部煤层气抽采数值模拟,分析不同地应力、初始渗透率、储层压力和温度等深部特征参数以及不同埋深条件下煤层气抽采的储层参数和产气演化规律。结果表明:渗透率变化为地应力增加、温度降低和煤层气解吸引起的煤基质收缩效应与储层压力降低引起的煤基质膨胀效应的综合竞争结果;随着煤层气和水被采出,储层温度降低和煤层气解吸占主导,储层渗透率升高;地应力对深部储层渗透率比例的变化起着主要作用,初始渗透率对产气速率起着控制作用;当煤层埋深小于临界埋深时,产气量随埋深逐渐增加,达到临界埋深后,产气量随埋深逐渐降低;低渗透率是制约埋深超千米的气井高产的关键。     

含水煤层瓦斯抽采的气-液-固耦合数值模拟

为解决含水煤层条件下瓦斯不易解析、煤层渗透率低而造成的瓦斯抽采困难的难题,基于煤层的孔隙-裂隙双重介质模型结构,分别建立了煤层的孔隙渗透率和裂隙渗透率动态变化模型,得到了含水煤层瓦斯抽采的气-液-固多相耦合方程组,并通过数值模拟研究了在水平应力、煤质硬度和煤层含水等因素影响下的瓦斯抽采效果。研究结果表明:水平地应力越大时,煤体中裂隙的张开度较小,瓦斯抽采量就降低;煤层残余水分越多,渗透性越差,瓦斯抽采量越小。该模型可用于分析瓦斯抽采过程中的影响因素分析,也可用于煤层瓦斯抽采量的预测与预计。     

基于微波注热的煤层瓦斯抽采数值模拟研究

为研究微波注热下煤层瓦斯运移采出规律,基于瓦斯微波注热抽采电磁-热-流-固耦合模型,进行了微波注热下瓦斯抽采数值模拟研究,分析了不同微波频率、微波功率和初始渗透率下煤层温度和产气演化规律。数值模拟结果表明：微波注热时,注热处煤层温度快速升高,热量通过热传递和热对流作用向低温区域传递,高温范围不断由注热处向气井扩展;对比0.915 GHz和2.45 GHz两种不同微波频率,低频微波更有利于增强微波热效应;对比0, 500, 1000, 1500 W四种不同微波功率,相对于常规开采,微波注热能极大促进瓦斯解吸和运移,瓦斯含量大幅度降低,增大微波功率对提高瓦斯产量有积极作用;采用增渗措施提高初始渗透率并配合微波注热,可以进一步提高瓦斯抽采率。     

煤层瓦斯流固耦合渗流的数值模拟

将渗流力学与弹塑性力学相结合,考虑煤层瓦斯和煤体骨架之间的相互作用,建立了煤层瓦斯运移的数学模型,并给出其数值解。对煤层瓦斯渗流方程和煤体变形场方程分别进行离散,得到其相应的泛函方程。根据有限元法原理推出其耦合求解方法,最后进行了实例计算,证明所建立了理论是正确的。     

顺层钻孔瓦斯抽采流固耦合模型及数值模拟应用研究

基于构建的顺层钻孔瓦斯抽采流固耦合模型,利用COMSOL模拟软件,结合某矿3901工作面的实际情况,开展本煤层顺层钻孔不同瓦斯抽采时间、钻孔间距的数值模拟研究。结果表明,有效抽采半径随着抽采时间的增加先快速增加后逐渐变缓,有效抽采半径与抽采时间呈对数函数关系,当抽采时间超过180 d时,抽采时间对有效抽采半径的影响较小,考虑采掘接续确定该工作面合理的抽采时间为180 d;抽采钻孔间距对煤层瓦斯压力的下降和抽采效果影响显著,布孔间距越小钻孔之间瓦斯压力下降幅度越明显,为了有效避免了“空白带”和抽采的无效叠加,结合3901工作面的实际情况,确定瓦斯抽采180 d后最合理的钻孔间距为6 m。     

突出煤层区域性瓦斯抽采数值模拟研究

根据流体力学和岩体力学理论,以神宁集团金能煤业分公司4331工作面为研究对象,建立了突出煤层区域性瓦斯抽采数值模型,并采用COM SOL Multiphysics软件进行数值计算,讨论了该区域煤层瓦斯压力和煤层孔隙率随瓦斯抽采时间的变化规律。结果表明：区域性瓦斯抽采钻孔的群孔效应明显,模拟抽采100d后绝大部分区域瓦斯压力降到突出临界值0.74MPa以下;煤层孔隙率快速上升,先达到峰值,然后回落到恒定值,比初始孔隙率增加了4.8%,其结果对4331工作面区域瓦斯防治及制定区域防突措施有重要的理论意义。     

基于流固耦合的瓦斯抽采半径数值模拟研究

快速准确考察钻孔有效抽采半径一直是煤矿瓦斯高效防治的难题之一,常规数值模拟方法因未贴合真实抽采状态,模拟结果往往存在较大偏差.本研究基于瓦斯吸附、解吸特性和可压缩性,重点分析抽采时煤体的有效应力与孔隙率、渗透性的关系,对瓦斯流动综合偏微分方程进行修正,建立了流固耦合的偏微分控制方程组,随后借助COMSOL Multip...     

煤层瓦斯多机制流固耦合模型与瓦斯抽采数值模拟分析

为了更好地揭示瓦斯抽采过程中松软低透气性煤层瓦斯运移的本质和规律,基于孔隙-裂隙双重介质的假设,建立了全面考虑有效应力、煤层瓦斯多机制流动、真实气体效应和迂曲度影响的煤层瓦斯多机制流固耦合模型。基于所建理论模型,以郑煤集团(河南)白坪煤业有限公司13181工作面为工程背景,利用COMSOL软件开展煤层瓦斯抽采数值模拟,全面分析了瓦斯压力随抽采时间的动态分布规律,结合现场实测结果验证了数值模拟有效抽采半径的准确性。系统开展了不考虑Klinkenberg效应、不考虑基质瓦斯扩散和不考虑煤层瓦斯多机制流动影响的瓦斯抽采数值模拟,对比分析了不同控制因素对煤层瓦斯运移的影响。研究结果表明：抽采结束后,煤层瓦斯压力以抽采钻孔为中心呈椭圆分布;煤层瓦斯压力和有效抽采半径的变化幅度随抽采时间逐渐减小,并趋于稳定;煤层瓦斯有效抽采半径的数值模拟结果与现场实测结果之间的平均误差为3.65%,验证了所建煤层瓦斯多机制流固耦合模型的有效性与合理性;与考虑煤层瓦斯多机制流动影响的模拟结果相比,不考虑Klinkenberg效应的有效抽采半径和渗透率偏小,而不考虑基质瓦斯扩散和瓦斯多机制流动的有效抽采半径和渗透率则...     

基于CFD的远距离煤层卸压瓦斯抽采数值模拟研究

为研究地面钻井抽采上覆远距离煤层卸压瓦斯情况下采空区流场特征,建立了采空区"三带"几何模型,通过数值模拟手段进行分析。结果表明:采空区四周孔隙率、渗透率较大,是瓦斯渗流的主要通道;垂向上采空区中部具有瓦斯浓度先降低后升高直至保持不变的特点;在抽采负压作用下处于弯曲下沉带的卸压瓦斯易向钻井方向流动,不易向采空下方大量涌入。     

基于数值模拟的煤层瓦斯抽采半径合理化试验研究

针对井下煤与瓦斯的突出问题,在开滦钱家营矿进行了煤层瓦斯抽放半径测定的实验。运用压力指标法对5煤层的瓦斯抽放半径进行测定,结果表明5煤层的抽放半径大于1m;采用改进含量指标法现场测定了5煤层瓦斯的有效抽放半径,在3~4m范围内;采用RFPA2D-Gas Flow模拟软件对瓦斯在抽放过程中的渗流情况进行模拟,最终确定模拟有效半径为3.4m;通过数学分析最终确定抽放钻孔布置最佳间距为4.8m,测定结果为钱家营矿防突措施的开展提供关键数据和依据。     

基于流-固-热耦合的CO2-ECBM数值模拟研究

为了分析煤储层特征参数对CO_(2)注入煤层提高煤层气采收率(CO_(2)-ECBM)工程的影响,基于二元气体的非等温竞争吸附和渗流扩散特征,建立CO_(2)-ECBM的流-固-热耦合模型,进行CO_(2)-ECBM工程数值模拟研究,分析初始储层温度、渗透率和压力对煤层渗透率、CH;生产速率和CO_(2)封存速率的影响。结果表明:CH;的生产速率在抽采初始阶段下降迅速,之后随着抽采时间的增加,生产速率减幅越小;CO_(2)封存速率可以被分成3个阶段:初始迅速减小,中期几乎保持稳定,后期缓慢减小;CO_(2)未影响区域,煤层渗透率的变化规律是先略微减小然后不断增加,CO_(2)影响区域,煤层渗透率迅速下降;相同条件下,储层的CH;生产速率和CO_(2)封存速率与初始储层温度成反比,与初始储层渗透率和初始储层压力成正比。     

基于流固耦合的瓦斯抽采有效半径的数值模拟

瓦斯抽采有效半径的准确确定关系到钻孔布置参数的设定、矿井抽采的设计以及矿井的安全生产等诸多方面。本文通过建立流固耦合模型,模拟计算得到不同时间钻孔附近瓦斯压力变化曲线,并总结出瓦斯有效半径的变化趋势;通过参数化扫描对不同抽采负压进行模拟,得到60 d时瓦斯压力分布曲线,发现抽采负压的大小对有效半径的影响有限。通过分析,认为井下钻孔抽采瓦斯存在一定缺陷:钻孔附近由于应力集中,降低了煤层渗透率,不利于提高瓦斯抽采效率。     

基于各向异性单孔瓦斯抽采数值模拟研究

针对煤层的各向异性单孔瓦斯抽采进行数值模拟研究,结果表明:沿钻孔的半径方向,瓦斯压力逐渐增高;对于各向异性煤层进行瓦斯抽采时,钻孔周围的瓦斯压力等值线为椭圆,椭圆的长轴为渗透率较大的方向,椭圆的短轴为渗透率较小的方向;瓦斯抽采影响半径与时间满足幂指数的函数关系,渗透率对瓦斯的抽采有效影响半径较大。研究结果为合理布置煤层瓦斯抽采钻孔提供理论支撑。     

钻孔瓦斯抽采有效半径渗流-热相似数值模拟

钻孔瓦斯抽采有效半径直接关系到矿井安全生产、瓦斯治理投入、资源的合理利用等多个重要方面,通过ANSYS数值模拟渗流-热相似分析模块对新丰煤矿3种透气性环境下的抽采半径及其相关规律进行研究,发现钻孔抽采在三维空间中存在差异,各个方向上并不完全一样,抽采有效范围内煤层瓦斯压力与抽采时间成严格的负指数关系,煤层透气性系数的提高能成倍的缩短极限抽采时间并增大抽采有效半径,矿井在瓦斯治理与利用过程中应以提高煤层透气性系数为主,这样既可以首先对煤层进行消突,又可以增大抽采有效半径,还可以缩短抽采时间,一举多得。     

煤与瓦斯突出煤层合理抽采负压数值模拟研究

文章通过测试寺家庄煤矿15号煤层基本参数,采用COMSOL Multiphysics软件对不同抽采负压下的抽采效果进行数值模拟,得出:随着抽采负压的增加,钻孔周围瓦斯压力下降越快,瓦斯抽采率越大,但根据矿井实际抽采条件和理论分析,确定寺家庄煤矿15号煤层的合理抽采负压为15~30 kPa。     

煤与瓦斯突出煤层合理抽采负压数值模拟研究

文章通过测试寺家庄煤矿15号煤层基本参数,采用COMSOL Multiphysics软件对不同抽采负压下的抽采效果进行数值模拟,得出:随着抽采负压的增加,钻孔周围瓦斯压力下降越快,瓦斯抽采率越大,但根据矿井实际抽采条件和理论分析,确定寺家庄煤矿15号煤层的合理抽采负压为15³0 kPa。     

基于COMSOL的采空区瓦斯抽采数值模拟研究

为了研究采空区内瓦斯达到稳定后的分布规律,从而确定瓦斯抽采巷道的位置,结合孔庄煤矿7433工作面实例,基于"O型圈"理论,采用分块赋值孔隙率的方法,通过COMSOL有限元分析软件对采空区瓦斯分布规律进行了数值模拟。模拟结果表明:工作面漏风不断流入采空区与瓦斯持续解吸涌出形成了1个动态平衡结果;7433工作面回采至180 m处时瓦斯富集,可以确定瓦斯抽采巷处于裂隙带上,瓦斯抽采巷道内错距离在10~30 m范围时抽采效果达到最优。     

基于COMSOL的瓦斯抽采半径数值模拟

以山西某矿为试验矿井,采用COMSOL软件对瓦斯抽采半径影响因素进行了研究,研究结果表明:煤层的渗透率越大,抽采半径越大,当增大到某值时,可以不进行抽采,瓦斯可自由逸散;抽采半径随着负压的增大而增大,但影响较小,在进行瓦斯抽采时,可以不予考虑负压的影响;当地应力每增加3 MPa时,半径的减少幅度较小,地应力对抽采半径影响较小;随着钻孔直径的增大,抽采半径逐渐增大,前期,钻孔直径影响不大,中后期,钻孔直径对抽采效果影响较大。     

软煤层瓦斯抽采半径和钻孔间距的数值模拟研究

为得出软煤层瓦斯抽采有效半径,确定最佳的抽采钻孔间距,基于质量守恒定律、Darcy扩散定律、Langmuir瓦斯吸附方程及Kozeny-Carman渗透率和孔隙率的关系方程,建立了考虑含瓦斯软煤体流变特性情况下的固流耦合控制方程。在此基础上采用数值模拟方法对软煤层瓦斯抽采过程进行分析。模拟结果表明:瓦斯抽采第32d时,抽采钻孔完全塌陷,因此确定钻孔有效抽采时间为32d;通过分析钻孔周围煤体瓦斯压力变化规律可得,单钻孔抽采有效半径为0.9m,多钻孔抽采时最佳布孔间距为3.4m。以合阳煤矿1508工作面为试验工作面,采用相对压力法分别对单钻孔和多钻孔瓦斯抽采效果进行考察试验,试验结果验证了数值模拟结论的可靠性,为该矿软煤层瓦斯抽采提供了科学依据。