电热高温场下排放钻孔瓦斯在密闭巷道区域流动规律研究

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针对我国深部矿井低透煤层瓦斯抽放困难问题,依据升温能促进煤层瓦斯解吸和增加煤层透气性的原理,提出了利用加热电缆在煤层中产生的电热高温场促进煤层瓦斯解吸,通过钻孔将其排放至密闭巷道区域内,最后采用抽放管路将瓦斯从巷道内抽出的新方法。本文采用理论分析、数值模拟相结合的方法,基于多孔介质弹性力学、渗流力学、热力学和流体力学等相关理论,分别建立了电热高温场下排放钻孔瓦斯流动多场耦合数学模型和密闭巷道内抽放瓦斯运移数学模型。以贵州省某矿K15煤层工作面运输巷为工程背景,使用COMSOL Multiphysics 5.5软件系统地进行了电热高温场下排放钻孔瓦斯在密闭巷道区域流动规律研究,主要研究成果如下:(1)根据煤的裂隙-孔隙结构特征,推导了考虑温度效应的孔隙率、渗透率动态控制方程,在此基础上建立了煤体应力场、瓦斯渗流场和温度场控制方程。联立上述方程得到了包含煤体变形、瓦斯渗流和温度效应的电热高温场下排放钻孔瓦斯流动多场耦合数学模型。(2)根据瓦斯的分布及运移特性,结合流体质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律和组分守恒定律,推导了密闭巷道内瓦斯运移基本控制方程,并建立了密闭巷道内抽放瓦斯运移数学模型。(3)基于电热高温场下排放钻孔瓦斯流动多场耦合数学模型,开展了不同加热温度、不同孔径和不同钻孔间距条件下的数值模拟研究,揭示了电热高温在煤体中的传播机制,探究了瓦斯排放过程中煤层瓦斯压力、煤层渗透率及钻孔瓦斯排放量的变化规律及上述参数对其作用的影响程度,并得出了最佳钻孔布置参数。(4)基于密闭巷道内抽放瓦斯运移数学模型,开展了不同抽放负压、不同抽放管管径条件下的数值模拟研究,探究了瓦斯抽放过程中密闭巷道内瓦斯浓度、流场的分布情况以及抽放管内瓦斯浓度、瓦斯纯流量的变化规律,并得出了最佳管路布置参数。
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