顺层钻孔瓦斯抽采浓度影响机理及其调控优化研究

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通过施工钻孔来抽采煤体中的瓦斯具有安全性高、经济成本低等优势,是现行我国煤矿瓦斯治理工作中最为重要的手段之一。但是在煤矿实际瓦斯抽采过程中,随着抽采工作的进行,煤体内瓦斯被逐渐抽出,且钻孔中所抽出气体瓦斯浓度降低,不仅增加了管路中瓦斯爆炸的风险,也不利于抽出瓦斯的再利用。因此本文在流体力学、渗流力学、岩石力学等相关理论基础上,采用理论推导、赋值分析、物理相似模拟、数值模拟、现场测定的研究方法,围绕钻孔内瓦斯流量与漏入空气量共同决定钻孔内瓦斯抽采浓度这一基本思想,系统的研究了瓦斯抽采浓度影响因素及变化规律,最终得出了以下结论:(1)结合瓦斯在煤体中赋存及流动规律,运用达西定律推导出钻孔内瓦斯流量计算公式,并在对钻孔四周煤体应力变化特征分析基础上,结合渗流力学方程推导出了钻孔内空气漏入量计算公式。采用气体流量加速度来表征钻孔内瓦斯流量及漏气量瞬时变化趋势,并通过二者加速度比值W确定出瓦斯抽采负压调控界限。(2)设计并建立了抽采负压对瓦斯抽采浓度影响因素物理相似模拟实验,通过改变实验过程中气体压力及抽采负压等参数条件,发现当气体压力较低时,抽采浓度呈现出先升高后降低的变化趋势。后通过抽采负压对漏气量影响因素实验,发现了钻孔四周微小煤粉会受抽采负压影响沿裂隙运动并出现吸附堵塞漏气通道的情况发生,据此提出分阶段设置抽采负压来提高瓦斯抽采浓度的想法。(3)运用COMSOL数值模拟软件,结合蒋家河煤矿ZF215工作面煤体实际参数,模拟了不同煤体渗透率、抽采负压条件下钻孔内瓦斯抽采纯量、漏入空气量、抽采浓度的变化情况及规律。得出了抽采负压的升高对钻孔内漏入钻孔的空气量影响更为显著,因此在无法保证钻孔绝对密封的情况下,面对瓦斯抽采浓度衰减情况时,可采取适当降低抽采负压的方法达到提高瓦斯抽采浓度的目的。(4)最佳抽采负压现场测定选择蒋家河煤矿ZF215工作面开展,抽采负压采用梯度等差变化设置,以瓦斯浓度爆炸极限16%为界,当瓦斯抽采浓度降至16%后采用注入封堵粉末的二次封孔方法来改善瓦斯抽采效果,最终测得瓦斯抽采浓度衰减至16%前最佳抽采负压为30kPa,经二次封孔后测定得最佳抽采负压为45kPa,此方法可使得瓦斯抽采浓度16%以上天数达78d,保障工作面瓦斯治理工作顺利完成。
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