煤层钻孔瓦斯抽采半径数值模拟

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煤矿瓦斯抽放掘进法的数值模拟研究

煤矿瓦斯抽放掘进法的数值模拟研究

煤矿瓦斯抽放掘进法的数值模拟研究煤矿瓦斯爆炸事故一直是我国煤矿安全的“绊脚石”,为了避免这类事故的发生,煤矿瓦斯抽放掘进法成为了煤矿安全的重要手段之一。

该方法通过采取抽放设备,将瓦斯通道内的瓦斯抽出进行处理,起到了防止煤矿瓦斯爆炸的作用。

近年来,数值模拟技术在煤矿瓦斯抽放掘进法中的应用越来越广泛,本文将探讨煤矿瓦斯抽放掘进法的数值模拟研究。

一、数值模拟的基础理论数值模拟是指将实际问题通过数学建模、计算机模拟的方法,得到与实际问题尽可能相近的数值解。

其中,数值模拟的基础理论包括:计算流体力学(CFD)、数值计算方法等。

CFD方法是指通过数值方法求解流体运动的物理方程,其基本原理是将流体分割为无数个小单元,在每个小单元内求解流体状态。

而数值计算方法包括基于有限元、有限差或者其他数值算法的方法,它们的基本原理是将物理问题离散化,通过数字计算得到问题的数值解。

这两个基础理论在数值模拟中是重要的支撑,也是煤矿瓦斯抽放掘进法的数值模拟研究的基础。

二、模拟方法综述煤矿瓦斯抽放掘进法的数值模拟方法主要包括多相流模拟、离散相模拟和耦合模拟等。

多相流模拟是指将流体和固体或多个流体进行数值模拟的方法,通过将瓦斯、颗粒和煤尘等不同相进行数值计算来分析瓦斯抽放的可行性。

而离散相模拟则是通过计算颗粒分布、运动轨迹等参数,来分析其对瓦斯抽放的影响,同时也可以描绘出煤尘分布的情况。

耦合模拟则是将多相流和离散相模拟相结合,综合考虑不同相对瓦斯抽放的影响,以达到更加精确的模拟效果。

三、模拟结果分析煤矿瓦斯抽放掘进法的数值模拟研究在其内部排风系统的设计、瓦斯抽放量、抽放速度等方面起到了重要的作用。

通过数值模拟,可以得到模拟结果,并分析出其对实际工程中的瓦斯抽放的影响。

同时,模拟结果还可以用于模型优化、方案比较、风险分析等方面。

瓦斯抽放掘进法的数值模拟研究还需要结合工程实际,对实际工程环境进行准确的模拟。

目前的数值模拟技术还存在一些问题,如计算精度不高、模型参数固定等方面的问题,需要进一步的改进和优化。

瓦斯抽采钻孔有效影响半径的理论模型及数值分析

瓦斯抽采钻孔有效影响半径的理论模型及数值分析

参数 是不合 理 的 。 近年 来 ,国 内外 学者 在煤 层瓦 斯 别 为 :
流动 理论研 究方 面进 行 了深入 的研 究 , 逐步 建立 和
完善 了综合 考虑 含 瓦斯煤 的吸 附应 力 、 孔 隙压力 以
n ( 1 +pI P L )
( 1 )

及应 力作用 下 的瓦斯 渗流 理论 模型[ 7 - 1 0 】 ;同时 ,随 着计 算机解 算 算法 的优化 和提 高 , 理论 计算 得到 的 瓦斯 抽采 有效 影响 半径 的可信 度大 大提 高 。 本文 基
2 . 1变形 场控 制方 程 煤 体对 瓦斯表 现 出较 强 的吸 附作用 , 并产 生吸
附膨 胀应 力 ,导致煤 体 的受力 分布 发生 变化 。含吸
附瓦斯 煤 体 的吸 附 膨胀 应变 和 应 力计 算 公 式【 l l J 分
V L ps RT l
Es w —

径, 并 以此 设计 抽采钻 孔数 目、间距和 抽采 负压 等
斯 抽采 设计 中显得 尤 为重要 。目前 , 有 效影 响半径
斯流场 的变化 , 同时确 定 了不 同预 抽 期 内瓦斯抽 采
的测 定方法 主要 分为 现场测 定和 理论 计算 两类 。 前 钻孔 的有 效影 响半径 , 为钻 孔参 数 的合 理设 计和 布 者 虽然 准确 度高 ,但 具有测 定 周期长 ,工 程量 大 , 置提供 了理论参 考 依据 。
D 0 I :1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 1 6 7 1 - 6 3 9 6 . 2 0 1 5 . 0 9 . 0 1 0
1 前言
煤矿 瓦斯 抽采 能够 有效 降低 瓦斯压 力 、 防止 瓦

基于COMSOL数值模拟的瓦斯抽采半径测定

基于COMSOL数值模拟的瓦斯抽采半径测定

基于COMSOL数值模拟的瓦斯抽采半径测定崔永青1,李永军1,刘飞2(1.山西马堡煤业有限公司,山西长治046013;2.煤科集团沈阳研究院有限公司煤矿安全技术国家重点实验室,辽宁沈阳110000)摘要:山西马堡煤业有限公司经国家安全部门鉴定属于高瓦斯矿井,矿井绝对斯涌出量高达58.17m3/min,瓦斯问题严重威胁着矿井的安全和生产的效率。

所以瓦斯预抽工作显得尤为重要,要进行高效的预抽工作“有效半径测定”是必不可少的重要过程。

本文利用数值模拟软件COMSOL对15号煤层进行模拟解析,通过软件运算得出有效的抽采半径并且进行了现场的实际施工检验,准确的测定了马堡矿15号煤层的抽采半径。

为以后的生产提供了有力的基础数据。

关键词:开采煤层;瓦斯抽采;数值模拟;抽采半径中图分类号:TD712文献标志码:A文章编号:1009-0797(2019)03-0194-03Determination of Gas Extraction Radius Based on COMSOL Numerical SimulationCUI Yongqing1,LI Yongjun1,LIU fei2(1.Shanxi Mabao Coal Industry Co.,Ltd.,Changzhi046013,China;2.Coal research group Shenyang Research Institute Co.,Ltd,State Key Laboratory of coal mine safety technology.,Shenyang110000,China)Abstract:Shanxi Mabao Coal Industry Co.,Ltd.is a high gas mine appraised by the state security department.The absolute emission of the mine is as high as58.17m3/min.The gas problem seriously threatens the safety and production efficiency of the mine.Therefore,gas pre-drainage work is particularly important,to carry out efficient pre-drainage work"effective radius measurement"is an essential important process.In this paper,the numerical simulation software COMSOL is used to simulate and analyze No.15coal seam.The effective extraction radius is obtained by software calculation and the actual construction test is carried out.The extraction radius of No.15coal seam in Mabao Coal Mine is accurately measured.It provides strong basic data for future production.Key words:mining coal seam;gas drainage;numerical simulation;extraction radius0引言煤层瓦斯抽采影响半径是指:在规定或允许的时间内,煤层瓦斯压力开始下降点到抽采钻孔中心的距离[1]。

钻孔直径影响瓦斯抽采效果的数值模拟

钻孔直径影响瓦斯抽采效果的数值模拟

l 建立方程
C O MS O L Mu h i p h y s i c s是 由瑞 典 的 C O MS O L公
孔深度等 . 以往 的研究多 以抽采半径和抽采负压等
参数为主, 研究 抽 采钻 孔直 径对 抽采 效 果 的影 响 , 对 司开 发 的一款 大 型 的高 级数 值 仿 真 软 件 , 适 用 于模 煤 矿 瓦斯 抽采 工作 具有 一定 的指 导 意义 。 拟科 学和 工程 领域 的各 种物 理过 程 , 被 誉 为“ 第 一款 河 南 平宝 煤业 有 限公 司 由平 煤 天安 与 上海 宝 钢 参 股 合 资 组 建 而成 , 矿井于 2 0 0 4年 8月 开 工 建 设 ,
总第 1 7 4期
d o i : 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 1 0 0 5—2 7 9 8 . 2 0 1 4 . 0 2 . 0 0 6
Hale Waihona Puke 钻 孔 直 径 影 响 瓦斯 抽 采 效 果 的数 值 模 拟
陈波仁
( 保利 能源山西分 公司 通 防部 , 山西 晋 中 0 3 1 3 0 0 )
Ab s t r a c t : T h e me r i t s o f g a s e x t r a c t i o n e f f e c t i s d i r e c t l y r e l a t e d t o t h e d u r a t i o n o f g a s d r a i n a g e, t h e r e b y a f f e c t i n g t h e e n t i r e mi n e f a c e t o s u c c e e d . I n t h i s p a p e r , t h e n u me r i c a l s i mu l a t i o n i s u s e d t o a n a l y s i s t h e e f f e c t o f g a s d r a i n a g e u n d e r d i f f e r e n t h o l e d i a me t e r , t o p r o v i d e a s c i e n t i f i c b a s i s f o r e n h a n c e t h e e f f e c t o f g a s d r a i n a g e , t h e r e i s g r e a t v a l u e i n r e l i e v i n g t e n s i o n s o f mi n e f a c e t o s u c c e e d . Ke y wo r d s : d r a i n a g e b o r e h o l e d i a me t e r ; n u me r i c a l s i mu l a t i o n; g a s d r a i n a g e

数值模拟法分析顺层抽采钻孔有效抽采半径影响因素

数值模拟法分析顺层抽采钻孔有效抽采半径影响因素

数值模拟法分析顺层抽采钻孔有效抽采半径影响因素郝天轩;陈朋飞【摘要】考虑孔隙裂隙及滑动效应的影响,建立符合成庄矿的顺层钻孔抽采气固耦合模型,利用Comsol软件模拟了钻孔周围的瓦斯流动规律,得出了有效抽采半径与时间的幂函数关系,并模拟了不同抽采负压、渗透率、钻孔孔径及地应力的变化对瓦斯抽采有效半径的影响,结果显示渗透率是影响抽采半径的关键因素.【期刊名称】《中州煤炭》【年(卷),期】2015(000)012【总页数】4页(P11-13,123)【关键词】顺层钻孔;有效抽采半径;数值模拟【作者】郝天轩;陈朋飞【作者单位】河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室—省部共建国家重点实验室培育基地,河南焦作454000;河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作454000;煤炭安全生产河南省协同创新中心,河南焦作454000;河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作454000【正文语种】中文【中图分类】TD712.6瓦斯抽采半径是钻孔预抽煤层瓦斯的一项重要参数,合理确定抽采半径直接关系到瓦斯抽采的成本和效果。

现场测试[1]和数值模法[2]是确定有效抽采半径的2个主要方法,相比传统方法,数值模拟作为确定有效抽采半径一种方法,更加简单快捷。

丁厚成等[3]、王兆丰等[4]运用不同数值模拟软件建立不同的瓦斯流动数学模型,通过模拟确定合理孔径、有效抽采半径等瓦斯抽采参数。

郝天轩等[5]将SF6示踪法和数值模拟结合更精确的确定抽采有效半径。

现场测试难以避免会因渗透率、地应力的变化会影响抽采有效半径的精度。

因此,结合数值模拟的优点,本文运用Comsol软件,以成庄矿为例分析不同抽采条件对有效抽采半径的影响。

1.1 模型基本假设煤是中由孔隙—裂隙网组成双重多孔介质[6],考虑到瓦斯在煤体中的流动过程受多种因素影响,而且十分复杂[7]。

为了便于建立数学模型,模拟钻孔周围的瓦斯流动情况,做出以下假设:①假设煤层顶、底板不透气,且含瓦斯忽略不计;②瓦斯视为理想气体且恒温;③瓦斯流动服从达西定律;④瓦斯流动视为径向流动;⑤不考虑瓦斯压力对渗透性系数及孔隙率的影响。

地下煤矿瓦斯抽采数值模拟研究

地下煤矿瓦斯抽采数值模拟研究

地下煤矿瓦斯抽采数值模拟研究煤矿瓦斯抽采是矿井安全生产中非常重要的一环,瓦斯易燃易爆,一旦爆炸将会给矿工带来巨大的伤害。

因此,地下煤矿瓦斯抽采数值模拟研究至关重要。

一、矿井瓦斯的产生过程在煤矿的开采过程中,煤体的变形和破碎会释放出大量的瓦斯。

此外,在煤矿不同层位中存在不同程度的自然瓦斯,这些均为矿井瓦斯的来源。

由于瓦斯密度轻,扩散性强,易积聚,容易引起爆炸和中毒。

因此,瓦斯抽采是矿井安全生产不可缺少的一步。

二、煤矿瓦斯数值模拟的意义煤矿瓦斯数值模拟是指利用计算机数值模拟技术对矿井瓦斯的产生、流动、排放等过程进行分析预测的过程。

通过模拟和预测,可以了解矿井瓦斯的分布规律,及时发现瓦斯积聚和风险点,并采取相应的措施保障矿工的生命安全。

三、数值模拟方法煤矿瓦斯数值模拟方法有很多种,常用的主要有CFD(计算流体力学)、数学模型方法和人工神经网络方法。

CFD是一种基于对流、扩散和化学反应等物理过程的数值模拟方法,可以分析瓦斯在矿井中的传输和分布特征,同时对瓦斯通风系统的影响进行预测和优化。

数学模型方法是建立数学模型,根据瓦斯的产生、扩散、流动和排放等物理过程对矿井瓦斯进行模拟和预测,可以计算出瓦斯浓度、瓦斯压力等数据。

人工神经网络方法是利用神经网络模型对瓦斯产生、运移、扩散、排放等过程进行模拟,可以计算出瓦斯浓度、瓦斯压力等数据。

四、数值模拟应用了解矿井瓦斯分布规律通过数值模拟,可以了解矿井瓦斯在不同地点、不同时间的分布规律,同时也可以发现瓦斯积聚的点位。

这些数据可以为瓦斯通风系统设计提供科学依据,从而提高瓦斯的抽采效率。

风险评估和隐患排查通过数值模拟,可以对矿井中的瓦斯风险进行评估,发现风险点和瓦斯积聚点。

这些数据可以为瓦斯安全监控系统的布局提供参考,从而加强对矿井瓦斯的监管和管理。

瓦斯抽采效率优化通过数值模拟,可以预测瓦斯通风系统的效果,从而调整系统参数,提高瓦斯抽采效率,保障矿工的生命安全。

煤矿瓦斯抽采数值模拟是矿井安全管理的重要环节,可以科学评估矿井的瓦斯风险和隐患,有效保障矿工的生命安全。

不同负压下软硬煤有效抽放影响半径的数值模拟

不同负压下软硬煤有效抽放影响半径的数值模拟
参数 名称 渗透容积 绝对温度 煤层绝对温度 标准大气压 Langmuri 吸附常数 Langmuri 吸附常数 CH4 的动力黏性系数 抽放钻孔孔口负压 抽放钻孔直径 煤层渗透率 煤层原始绝对瓦斯压力 软煤 取值 0. 03 273 303 101 325 39 1. 06 1. 08 45 94 0. 8 0. 9 硬煤 取值 0. 08 273 303 101 325 42 1. 46 1. 08 45 94 2 0. 9
钻孔在预抽煤层瓦斯时, 在煤层瓦斯压力和孔 底负压的共同作用下, 钻孔周围煤体的瓦斯不断进 入钻孔被抽走, 形成以钻孔中线为轴心的类似圆形 的抽放影响圈, 抽放影响圈的半径称之为抽放影响 半径 法
[1 ]
理论, 使用者可以利用现有的模块进行任意多物理 场耦合, 也可以进行 2 次开发解决其它偏微分方程, 是直接针对偏微分方程为研究对象的大型仿真软 件。所以源自择 Comsol 软件进行数值模拟。
YANG Hong - min,RAN Yong - jin,XIA Hui - hui ( School of Safety Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003 ,China) Abstract : The effective extraction influence radius is an important pursuance on determining the borehole layout parameters and evaluating drainage effect,accurate determination of which has important value in coal and gas outburst prevention. In order to determine the reasonable parameters of gas drainage for No. 2 1 coal seam in Jiulishan coal mine,it implements calculation and comparative analysis for effective extraction influence radius of soft and hard coal under different negative pressure by using the numerical simulation. Key words: negative pressure; numerical simulation; effective extraction influence radius

煤层瓦斯抽放半径及其影响因素的数值模拟

煤层瓦斯抽放半径及其影响因素的数值模拟

煤层瓦斯抽放半径及其影响因素的数值模拟徐明智;李希建【摘要】煤层瓦斯抽放半径是进行抽放方法选择,确定钻孔布置参数以及评价抽放效果的重要依据.为了确定有效抽放半径并找出其影响因素,采用数值模拟的方法,应用计算流体力学软件Fluent建立了钻孔抽放瓦斯模型.采用气体渗流理论模拟瓦斯抽放过程中的流动规律,确定了有效抽放半径,分析了钻孔直径、煤层渗透率和抽放负压对其影响的规律.结果表明:煤层瓦斯抽放有效半径为1.8m左右,钻孔直径和煤层渗透率对抽放半径影响较大,抽放负压的影响不大.【期刊名称】《工业安全与环保》【年(卷),期】2012(038)012【总页数】3页(P28-30)【关键词】瓦斯抽放;抽放半径;Fluent;数值模拟【作者】徐明智;李希建【作者单位】贵州大学矿业学院贵阳 550003;贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室贵阳 550003;贵州大学矿业学院贵阳 550003;贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室贵阳 550003【正文语种】中文0 引言近些年来,随着我国煤矿开采深度的不断增加,煤矿瓦斯灾害问题越来越严重。

钻孔瓦斯抽放技术是防治煤与瓦斯突出的有效手段之一,瓦斯抽放半径是进行抽放方法选择,确定钻孔布置参数以及评价抽放效果的重要依据。

目前,瓦斯抽放钻孔有效半径的确定主要有以下几种方法:①采用瓦斯压力和流量为主要考察指标以及SF6示踪法进行现场直接测定;②利用有限差分法对抽放钻孔参数进行一维和二维计算;③基于瓦斯流量理论并引入启动压力梯度计算低速非线性渗流范围内的理论抽放半径。

然而,传统的现场直接测定法仅以2~3个钻孔作为测定考察孔,误差较大;如果进行多个钻孔测定,费时费力且达不到较好效果。

利用有限差分法计算过程容易出错。

基于瓦斯流态理论计算抽放半径中引入的瓦斯启动压力需要大量实验获得,难度产大。

本文介绍了采用计算流体力学软件Fluent来确定煤层瓦斯钻孔抽放的有效半径,它无需大量的时间及较高的编程技巧,是一种便捷有效的方法。

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煤层钻孔瓦斯抽采半径数值模拟
为了寻求合理的钻孔抽采半径,采用数值模拟方法,应用Comsol Multiphysics软件对所建立的钻孔瓦斯抽采几何模型进行数值解算。

由数值解算结果可知:随着抽采时间的延长,钻孔周围煤层瓦斯压力逐渐减小;对钻孔周围煤体瓦斯流动的时效性进行了研究,确定了不同抽采时间段的有效半径,为合理确定抽采钻孔数量和提高抽采量提供依据。

标签:抽采钻孔;数值模拟;渗透率;瓦斯压力
1 模型的建立
假设钻孔周围煤体瓦斯流动符合Darcy Law,视瓦斯为理想气体,按照等温过程来处理瓦斯气体流动过程,煤层顶底板为不透气岩层,瓦斯仅在煤层中流动,基于理想气体状态方程和Darcy Law建立钻孔周围煤体瓦斯运动的动力力学模型,用于模拟钻孔周围煤体的瓦斯流动规律[4,6]。

1.1 几何模型
本次抽采半径的数值模拟可采取二维平面模型进行模拟计算。

建立模型如图l所示:模型高(煤层厚度)为3m,长为80m,模型底部的边界固定,左右两侧的边界为竖直自由边界,顶部加载上覆岩层重力,顶部应力为8.04MPa,钻孔半径为94mm,抽采负压为13kPa,瓦斯压力为1.03MPa,钻孔布置在模型中心位置,取H方向为y轴方向,L方向为x轴方向。

1.1.1 数值计算模型
选取抽采钻孔的俯视方向断面对其进行研究,几何模型如图1所示。

图1 均质煤层单孔抽采模型
1.1.2 网格划分
网格为默认自由网格并进行细化,如图2所示。

1.2 模型选择和边界条件
初始条件:煤体内部初始瓦斯压力P(x,y)=1.03MPa,初始应力场位移ui=0,(i=1,2)。

边界条件:根据假设条件瓦斯气体只在煤层中流动,渗流场边界条件为:
(1)
2 应用实例
为了能够得到钻孔周围煤体的抽采有效半径,依据《AQ1027-2006煤矿瓦斯抽采规范》的规定,煤层预抽率要求为30%,即残余瓦斯含量为原始瓦斯含量的70%,此时残余瓦斯压力为原始瓦斯压力值的49%,瓦斯压力下降51%。

该矿煤层瓦斯压力为1.03MPa,即采取抽采措施后,瓦斯压力下降到0.50MPa的区域为有效抽采半径[7],利用模拟软件对所建立的几何模型进行数值计算,在对瓦斯抽采半径进行数值计算前,依据煤层的初始地应力、初始瓦斯压力、煤的单轴抗压强度、内摩擦角、泊松比、煤的初始孔隙率、透气性系数等参数对抽采时间为0d、30d、60d、90d、120d的钻孔周围瓦斯压力分布规律和抽采半径进行数值模拟,如图3和图4所示。

图3 不同抽采时间钻孔瓦斯压力分布曲线图
图4 抽采时间与抽采半径关系曲线
从图3和图4可以看出,随着抽采时间的延长,钻孔周围煤层瓦斯压力逐渐降低;同时,钻孔抽采半径逐渐增大,抽采30d时半径为0.36m,抽采60d时半径为0.58m,抽采90d时达到0.81m,抽采120d时增大到1.04m。

3 结束语
文章利用Comsol Multiphysics软件对煤层抽采钻孔进行了模拟,得到以下结论:通过对不同抽采时间钻孔周围煤体瓦斯压力分布规律进行分析,得出了随着时间的延长,煤层中的瓦斯压力逐渐下降;同时,随着抽采时间的延长,钻孔抽采瓦斯的抽采半径均逐渐增大,抽采半径增大的速率逐渐减缓。

参考文献
[1]张铁岗.矿井瓦斯综合治理技术[M].北京:煤炭工业出版社,2001.
[2]俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州:中国矿业大学出版社,1992.
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[5]赵阳升.煤体-瓦斯耦合数学模型与数值解法[J].岩石力学与工程学报,1994,13(3):229-239.
[6]梁冰,章梦涛,王泳嘉.煤层瓦斯渗流与煤体变形的耦合数学模型及数值解法[J].岩石力学与工程学报,1996,15(2):135-142.
[7]狄军侦.应力作用下煤层气非稳定耦合渗流模型及数值模拟[J].中国煤田地质,2007,19(4):36-38.。

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