基于THM多场耦合的钻孔瓦斯抽采有效半径及钻孔优化数值模拟研究

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煤层瓦斯抽采是治理矿井瓦斯灾害的重要手段。通过瓦斯抽采能有效的防治瓦斯灾害,并且抽采出的瓦斯可作为清洁能源加以利用。在进行煤层瓦斯抽采钻孔设计时,抽采有效半径是必不可少的基础数据。虽然关于有效半径的研究体系已较为成熟,但就目前而言,还相对缺乏煤层温度对有效半径影响规律的研究,两者之间响应规律也尚未明朗。基于此,为进一步探究煤层温度与抽采有效半径之间的响应规律,同时在考虑煤层温度后,其它抽采影响因素对抽采有效半径的影响效果。因此本文采用了理论分析、数值模拟和现场测试相结合的方法来达到研究目的。首先,基于确定的瓦斯抽采热流固多场耦合模型,通过COMSOL Multiphysics数值模拟研究了煤层初始温度、抽采时间、煤层初始渗透率、钻孔直径、抽采负压与抽采有效半径间的响应规律,其次,采用瓦斯压力指标法对试验煤层开展了抽采有效半径现场测试研究,最后,基于抽采有效半径通过数值模拟确定了试验煤层合理的钻孔布距,并对布孔间距参数进行了优化设计。论文取得的主要研究成果如下:(1)根据COMSOL Multiphysics数值模拟结果得出了高温煤层不利于瓦斯的抽采,随着煤层温度的升高钻孔瓦斯抽采有效半径减少,并且当煤层温度较低时,瓦斯抽采有效半径及抽采达标区域降低速度相对较慢,随着煤层温度越高,瓦斯抽采有效半径及抽采达标区域下降得越快;抽采时间与抽采有效半径呈正相关;煤层初始渗透率越大则抽采有效半径越大;抽采钻孔孔径越大,抽采有效半径也越大;抽采负压对抽采有效半径几乎没有影响。(2)数值模拟所得的钻孔抽采有效半径与现场实测的钻孔抽采有效半径变化趋势相同,两种方法所得结果误差较小,验证了本文基于确定的瓦斯抽采热流固多场耦合模型开展瓦斯抽采有效半径的可行性和正确性,数值模拟的结果可为现场瓦斯抽采钻孔的布置提供理论指导。(3)基于抽采有效半径运用数值模拟确定了试验煤层合理的布孔间距为2.62~3.93m,根据优化后的方案,通过数值模拟得到了在试验煤层进行瓦斯预抽采时使用三花眼布孔要优于矩形布孔的结论。
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