煤层主动式测压封孔关键参数确定及瓦斯数据特征研究

来源 :中国矿业大学(北京 | 被引量 : 0次 | 上传用户:bear81
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煤层瓦斯压力是鉴定煤层突出危险性的重要指标,也是判断煤层是否达到抽采标准的重要依据。瓦斯压力是煤矿经常需要测试的参数,目前瓦斯压力测定数据的可靠性判断尚缺乏依据,工程上经常需要多打钻孔重复测试以保证测试数据的准确性。主动式测压法是煤矿常用的一种瓦斯压力测定方法,现行的煤层瓦斯压力测定标准为AQ/T 1047—2007《煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法》,但该标准中有许多关键参数没有给出明确的数值,如封孔的起始位置、主动式测压补偿气体注入时间以及测试结果的可靠性判断等,这给现场的煤层瓦斯压力测定带来很多技术难题。本文研究了测压钻孔封孔的起始位置,为测压钻孔密封可靠性提供了技术保障;研究了主动式测压补偿气体注入时间,在确保主动式测压工艺可靠性基础上减少了测压周期;研究了主动式测压钻孔气体压力数据曲线特征方程并进行了验证,为现场测压数据可靠性验证提供了理论支持;建立了煤中多组分气体多流场耦合运移模型,为主动式测压数值模拟提供了理论基础。本文分析了国内外研究现状及存在的问题,确定了如下研究内容:1)通过损伤力学、弹塑性力学以及爆炸力学对巷道围岩松动圈的范围进行研究,据此确定了测压钻孔封孔的起始位置;2)设计了水泥基封孔材料配比实验,根据浆液凝结时间及膨胀特性给出了材料最佳水灰比、膨胀剂占比及缓凝剂占比,并通过材料凝结时间和强度特性给出主动式测压补偿气体注入时间;3)设计了主动式测压模拟实验装置,研究了主动式测压过程中钻孔气体压力变化规律;4)分析了主动式测压过程煤中气体运移机理,并结合多组分气体吸附平衡方程、渗流连续性方程及扩散连续性方程等建立多组分气体多流场耦合运移模型;5)在此基础上基于Open FOAM和C++语言开发了数值模拟求解器,并通过实验数据验证了多组分气体多流场耦合运移模型和数值求解器的正确性;6)分析了主动式测压钻孔气体压力数据曲线规律,确定了气体压力数据特征方程,并通过现场数据对模型进行验证,从而为对现场主动式测压数据可靠性提供支持。本文主要结论如下:(1)结合相关工程背景和参数得到原岩应力和爆破作用下的巷道围岩松动圈厚度为4.2m,考虑到钻孔方位角和倾角,钻孔孔口至封孔起始位置的长度在巷道断面的投影距离应大于4.2m。这为现场测压钻孔施工过程中确定钻孔封孔起始位置及密封可靠性提供了技术支持。(2)水泥基封孔材料配比实验结果显示水灰比1:2、膨胀剂占比1.5%以及缓凝剂占比1.5%时为最佳配比,浆液的初凝和终凝时间分别为1h20min、2h30min,材料抗压强度实验结果显示浆液凝结后6小时的强度为2.1MPa,即满足补偿气体压力要求,结合现场“三八制”作业制度,在进行主动式瓦斯压力测定时,可以在注浆作业完成后8小时开始进行注气测压,这减小了压力观测周期并为现场主动式测压工艺可靠性提供了保障。(3)主动式测压模拟实验结果显示所有组别主动式测压压力平衡时间均明显小于被动式测压时间,说明主动式测压能有效节省压力观测时间;当注气压力小于钻孔周边瓦斯压力时,压力平衡时间和注气压力呈现负相关关系;当注气压力大于钻孔周边瓦斯压力时,钻孔压力平衡时间与补偿气体压力呈现正相关关系,说明当补偿气体压力越接近原始煤层瓦斯压力时,钻孔气体压力平衡时间越短;在注气压力高于钻孔周边瓦斯压力时,注CO2可以较快更快达到压力平衡。(4)建立了主动式测压多组分气体多流场耦合运移模型,揭示了主动式测压过程中气体运移机理,为数值模拟研究提供了理论支持;在Open FOAM开源平台基础上采用C++语言开发了基于多组分气体多流场耦合运移模型的模拟求解器,通过实验数据验证了模型和求解器的正确性。(5)提出了主动式测压钻孔气体压力数据曲线特征方程。通过煤矿的现场主动式测压数据验证了其可靠性。对于现场测压数据可以用该特征方程来进行数据可靠性判断,从而减少现场作业人员需要多打钻孔重复进行瓦斯压力测定来保证测压数据可靠性的工作量。
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