| 论文中文题名： | 顺层钻孔瓦斯抽采浓度影响机理及其调控优化研究 |
| 姓名： | |
| 学号： | 18220214078 |
| 保密级别： | 公开 |
| 论文语种： | chi |
| 学科代码： | 085224 |
| 学科名称： | 工学 - 工程 - 安全工程 |
| 学生类型： | 硕士 |
| 学位级别： | 工程硕士 |
| 学位年度： | 2021 |
| 培养单位： | 西安科技大学 |
| 院系： | |
| 专业： | |
| 研究方向： | 煤与瓦斯安全共采 |
| 第一导师姓名： | |
| 第一导师单位： | |
| 第二导师姓名： | |
| 论文提交日期： | 2021-06-18 |
| 论文答辩日期： | 2021-05-30 |
| 论文外文题名： | Study on the Influence Mechanism of Gas Drainage Concentration in Bedding Boreholes and Its Control Optimization |
| 论文中文关键词： | |
| 论文外文关键词： | gas drainage ; borehole flow ; negative pressure control ; drainage concentration ; optimal drainage negative pressure ; |
| 论文中文摘要： |
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。 |
| 论文外文摘要： |
The extraction of gas from coal bodies through construction boreholes has the advantages of high safety and low economic cost. It is one of the most important methods in the current coal mine gas control work in my country. However, in the actual coal mine gas drainage process, as the drainage work progresses, the gas in the coal body is gradually extracted, and the gas concentration of the gas extracted in the borehole decreases, which not only increases the risk of gas explosion in the pipeline, but also is not conducive to Extract gas for reuse. Therefore, on the basis of related theories such as fluid mechanics, seepage mechanics, rock mechanics, etc., this paper adopts theoretical derivation, assignment analysis, physical similarity simulation, numerical simulation, and field measurement research methods to determine the gas flow rate and air leakage in the borehole The basic idea of gas drainage concentration in the borehole has been systematically studied on the factors affecting the gas drainage concentration and its changing law, and finally the following conclusions are drawn: (1) Combining the law of gas occurrence and flow in the coal body, use Darcy's law to derive the gas flow calculation formula in the borehole, and on the basis of analyzing the characteristics of the coal body stress changes around the borehole, combined with the seepage mechanics equation to derive The formula for calculating the amount of air leakage in the borehole is presented. The gas flow acceleration is used to characterize the instantaneous change trend of gas flow and gas leakage in the borehole, and the gas drainage negative pressure control limit is determined by the acceleration ratio W of the two. (2) Designed and established a physical similarity simulation experiment for the influence factors of negative pressure on gas drainage concentration. By changing the parameters of gas pressure and negative pressure during the experiment, it was found that when the gas pressure is low, the drainage concentration It shows a trend of first increasing and then decreasing. Afterwards, through the experiment of the factors affecting the leakage of air by the negative pressure of extraction, it was found that the small coal powder around the borehole will be affected by the negative pressure of the extraction and move along the fissures and adsorb and block the air leakage channel. Based on this, it is proposed to install the extraction in stages. The idea of using negative pressure to increase the concentration of gas drainage. (3) Using COMSOL numerical simulation software, combined with the actual parameters of coal at ZF215 working face of Jiangjiahe Coal Mine, simulated the scalar amount of gas drainage, air leakage, and drainage in boreholes under different coal permeability and drainage negative pressure conditions. The change and law of concentration. It is concluded that the increase in suction negative pressure has a more significant impact on the amount of air leaking into the borehole. Therefore, when the absolute sealing of the borehole cannot be guaranteed, when the concentration of gas drainage is attenuated, it can be adopted Appropriately reduce the negative pressure of drainage to achieve the purpose of increasing the concentration of gas drainage. (4) On-site determination of the best drainage negative pressure is carried out at the ZF215 working face of Jiangjiahe Coal Mine. The drainage negative pressure is set by gradient arithmetic change, and the gas concentration explosion limit is 16% as the boundary. When the gas drainage concentration drops to 16% The secondary plugging method of injecting plugging powder is used to improve the gas drainage effect. The best drainage negative pressure is 30kPa before the gas drainage concentration is attenuated to 16%, and the best drainage is determined after the second plugging. The negative pressure for mining is 45kPa. This method can make the gas drainage concentration above 16% for 78 days, ensuring the smooth completion of the gas control work at the working face. |
| 参考文献： |
[1] 袁亮. 我国深部煤与瓦斯共采战略思考[J]. 煤炭学报, 2016, 41(01): 1-6. [2] 周世宁, 林伯泉. 煤层瓦斯赋存与流动理论[M]. 北京: 煤炭工业出版社, 1999. [4] 李爽. 煤矿安全文化的研究与思考[M]. 徐州: 中国矿业大学出版社, 2010. [5] 代晓东, 王余宝, 毕晓光, 等. 2016年世界能源供需情况分析与未来展望——基于《BP世界能源统计年鉴》与《BP世界能源展望》[J]. 天然气与石油, 2017(6): 8-12, 17. [6] 贺佑国, 叶旭东, 王震. 关于煤炭工业“十三五”规划的思考[J]. 煤炭经济研究, 2015, 35(01): 6-8. [7] 吴晓华. 煤炭工业“十三五”节能环保发展思路[J]. 洁净煤技术, 2017, 23(02): 8-11. [9] 林柏泉, 张建国. 矿井瓦斯抽放理论与技术[M]. 徐州: 中国矿业大学出版社, 2007. [10] 胡千庭, 赵旭生. 中国煤与瓦斯突出事故现状及其预防的对策建议[J]. 矿业安全与环保, 2012, 39(05): 1-6. [12] 俞启香. 矿井瓦斯防治[Z]. 徐州: 中国矿业大学出版社, 1992. [14] 于不凡. 煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册[M]. 北京: 煤炭工业出版社, 2000. [15] 孙继平, 钱晓红. 2004-2015年全国煤矿事故分析[J]. 工矿自动化, 2016, 42(11): 1-5. [16] 诸利一, 吕文生, 杨鹏, 等. 2007-2016年全国煤矿事故统计及发生规律研究[J]. 煤矿安全, 2018(07): 237-240. [17] 中华人民共和国国土资源部. 中国矿产资源报告2020[R]. 2020. [20] 袁亮. 松软低透煤层群瓦斯抽采理论与技术[M]. 北京: 煤炭工业出版社, 2004. [21] 钱鸣高, 许家林, 缪协兴. 煤矿绿色开采技术[J]. 中国矿业大学学报, 2003(04): 5-10. [23] 张铁岗. 矿井瓦斯综合治理技术[M]. 北京: 煤炭工业出版社, 2001. [24] 国家能源局. 煤层气（煤矿瓦斯）开发利用“十二五”规划[R]. 2011. [25] 国家能源局. 煤层气（煤矿瓦斯）开发利用“十三五”规划[R]. 2016. [26] 中国煤炭工业协会. 2017煤炭行业发展年度报告[R]. 2018 [27] 赵益芳, 阎海英, 王飞, 等. 矿井低浓度瓦斯增浓技术的研究[J]. 太原理工大学学报, 2002, 33(01): 57-60. [28] 徐德金, 胡宝林. 影响煤层瓦斯赋存规律的地质要素分析[J]. 中州煤炭, 2009, 2: 20-22. [29] 林柏泉, 叶青, 翟成, 等. 瓦斯爆炸在分岔管道中的传播规律及分析[J]. 煤炭学报, 2008, 33(02): 136-139. [30] 林柏泉, 翟成. 煤炭开采过程中诱发的瓦斯爆炸机理及预防措施[J]. 采矿与安全工程学报, 2006, 23(01): 19-23. [31] 罗振敏, 邓军, 文虎, 等. 小型管道中瓦斯爆炸火焰传播特性的实验研究[J]. 中国安全科学学报, 2007, 17(5): 106-109. [32] 李润之, 司荣军, 张延松, 等. 输送管道内低浓度瓦斯爆炸传播实验研究[J]. 山东科技大学学报: 自然科学版, 2009, 28(1): 35-39. [33] 司春风, 袁树杰. 煤矿井下瓦斯抽采PVC管道爆炸原因分析及预防[J]. 安徽理工大学学报(自然科学版), 2011, 31(3). [34] 谢和平, 周宏伟, 薛东杰, 等. 我国煤与瓦斯共采:理论、技术与工程[J]. 煤炭学报, 2014, 39(08): 1391-1397. [35] 孙东玲, 孙海涛. 煤矿采动区地面井瓦斯抽采技术及其应用前景分析[J]. 煤炭科学技术, 2014, 42(06): 49-52. [37] 林柏泉, 周世宁, 张仁贵. 钻孔密封段密封介质渗漏的探讨[J]. 阜新矿业学院学报(自然科学版), 1993(04): 10-15. [38] 徐龙仓. 提高煤层气抽采钻孔封孔效果研究与应用[J]. 中国煤层气, 2008(01): 23-24. [40] 孔祥言. 高等渗流力学[M]. 合肥: 中国科学技术大学出版社, 2010. [41] 罗新荣, 俞启香. 煤层瓦斯运移方程的数值模拟分析[J]. 煤矿安全, 1996(2): 24-27. [42] 周世宁, 林柏泉. 煤层瓦斯赋存与流动理论[M]. 北京: 煤炭工业出版社, 1998: 8-9. [43] 余楚新, 鲜学福. 煤层瓦斯流动理论及渗流控制方程的研究[J]. 重庆大学学报: 自然科学版, 1989, 12(5): 1-10. [44] 李波. 受载含瓦斯煤渗流特性及其应用研究[D]. 北京 中国矿业大学(北京), 2013. [45] 赵阳升, 胡耀青, 杨栋, 等. 三维应力下吸附作用对煤岩体气体渗流规律影响的实验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 1999, 18(6): 651-653. [46] 李树刚, 钱鸣高, 石平五. 煤样全应力应变过程中的渗透系数—应变方程[J]. 煤田地质与勘探, 2001(01): 22-24. [47] 罗维. 双重孔隙结构煤体瓦斯解吸流动规律研究[D]. 北京 中国矿业大学(北京), 2013. [48] 王登科, 魏建平, 付启超, 等. 基于Klinkenberg效应影响的煤体瓦斯渗流规律及其渗透率计算方法[J]. 煤炭学报, 2014, 39(10): 2029-2036. [49] Terzaghi K. Theoretical Soil Mechanics[J]. 1944. [51] 梁冰, 章梦涛, 潘一山, 等. 煤和瓦斯突出的固流耦合失稳理论[J]. 煤炭学报, 1995(05): 492-496. [52] 尹光志, 李铭辉, 李生舟, 等. 基于含瓦斯煤岩固气耦合模型的钻孔抽采瓦斯三维数值模拟[J]. 煤炭学报, 2013, 38(4): 535-541. [53] 王宁博. 穿层钻孔周围应力变化特征及其对瓦斯抽采的影响[D]. 中国矿业大学, 2016. [54] 董骏. 基于等效物理结构的煤体瓦斯扩散特性及应用[D]. 中国矿业大学, 2018. [55] 林柏泉, 周世宁, 张仁贵. 钻孔密封段密封介质渗漏的探讨[J]. 辽宁工程技术大学学报, 1993, 12(4): 10-15. [56] 周福宝, 李金海, 昃玺, 等. 煤层瓦斯抽放钻孔的二次封孔方法研究[J]. 中国矿业大学学报, 2009, 38(06): 764-768. [57] 孙玉宁, 卢卫永, 杨坤, 等. 三囊袋封堵器处置钻孔漏气技术研究[J]. 中国安全生产科学技术, 2015, 11(3): 67-72. [58] 王兆丰, 武炜. 煤矿瓦斯抽采钻孔主要封孔方式剖析[J]. 煤炭科学技术, 2014, 42(6): 31-34. [59] 成艳英. 本煤层钻孔瓦斯抽采失效机制及高效密封技术研究[D]. 中国矿业大学, 2014. [60] 王永龙, 王振锋, 孙玉宁, 等. 煤壁应力峰值动态移动诱发封孔漏气机理研究[J]. 安全与环境学报, 2016, 16(05): 129-134. [61] 周西华, 牛玉平, 白刚, 等. 抽采钻孔漏气对瓦斯抽采浓度影响因素研究[J]. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版), 2019, 38(06): 507-512. [62] 李改革, 陈绍杰, 赵向锋. 顺层钻孔瓦斯抽采漏气影响因素研究[J]. 华北科技学院学报, 2018, 15(03): 16-20. [63] 王振锋.瓦斯抽采联管系统及浓度控制方法研究[D]. 焦作: 河南理工大学, 2009. [64] 孙玉宁, 张海军, 马建宏, 等. 瓦斯抽采钻孔用五通塑料阀及其安装使用方法[P]. 河南: CN101975285A, 2011-02-16. [65] 孙玉宁, 王振锋, 张海军, 等. 瓦斯抽采钻孔联管装置及其安装使用方法[P]. 河南:CN101975078A, 2011-02-16. [66] 王兆丰, 田富超, 赵彬, 陈向军, 等. 羽状千米长钻孔抽采效果考察试验[J]. 煤炭学报, 2010, 35(01): 76-79. [67] 程远平, 董骏, 李伟, 等. 负压对瓦斯抽采的作用机制及在瓦斯资源化利用中的应用[J]. 煤炭学报, 2017, 42(06): 1466-1474. [68] 周福宝, 王鑫鑫, 夏同强. 瓦斯安全抽采及其建模[J]. 煤炭学报, 2014, 39(08): 1659-1666. [69] 刘军. 预抽钻孔负压沿孔长变化特性及对瓦斯抽采效果影响研究[D]. 河南理工大学, 2014. [70] 王振锋. 瓦斯抽采浓度控制机理及管路浓度自动调控预警系统研究[D]. 河南理工大学, 2014. [71] 郭鑫, 薛生. 超厚煤层定向钻孔瓦斯抽采负压优化研究[J]. 矿业研究与开发, 2021, 41(02): 144-148. [72] 张学博, 王文元, 沈帅帅. 钻孔变形失稳条件下抽采负压及流量分布规律试验研究[J]. 煤炭科学技术, 2020, 48(10): 45-51. [73] 陈勇. 负压动态调控下矿井瓦斯抽采工况参数变化对比与分析[J]. 矿业安全与环保, 2020, 47(05): 108-112. [74] 袁亮. 低透高瓦斯煤层群安全开采关键技术研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2008, 27(7): 1370-1379. [75] 屈先朝. 瓦斯抽采孔孔距及煤层透气性的测定方法[J]. 煤炭学报, 2009, 34(11): 1470-1474. [76] 鲜学福, 许江. 煤层中原始瓦斯压力的探讨[J]. 中国矿业, 1993, 2(2): 38-41. [77] 林柏泉, 何学秋. 煤体透气性及其对煤与瓦斯突出的影响[J]. 煤炭科学技术, 1991, 19(4): 50-53. [78] 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. [79] 方可, 吴桂义, 马帅. 钻孔预抽煤层瓦斯CFD模拟参数优化研究[J]. 煤, 2012, 21(10): 4-6. [82] 吴水平. 囊袋式注浆封孔法在煤矿瓦斯抽采封孔中的应用[J]. 中国煤炭, 2010(6): 98-99. [85] 于忠久, 赵同彬. 围岩松动圈理论及其在巷道支护中的应用[J]. 煤炭技术, 2004, 23(8): 53-54. [87] 王永龙, 孙玉宁, 翟新献, 王振锋. 松软突出煤层新型钻进技术研究[J]. Journal of Mining & Safety Engineering, 2012. [88] 王永龙, 翟新献, 孙玉宁. 刻槽钻杆应用于突出煤层钻进的合理参数研究[J]. 煤炭学报, 2011, 36(2): 304-307. [89] 孙玉宁, 王永龙, 翟新献, 王振锋. 松软突出煤层钻进困难的原因分析[J]. 煤炭学报, 2012, 37(1): 117-121. [90] 侯朝炯, 勾攀峰. 巷道锚杆支护围岩强度强化机理研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2000, 19(3): 342-345. [91] 康红普, 王金华, 林健. 煤矿巷道支护技术的研究与应用[J]. 煤炭学报, 2010. [92] 张晓龙. 本煤层瓦斯抽采钻孔漏气机理及封孔技术试验研究[D]. 河南理工大学, 2013. [93] 赵爱红, 廖毅. 煤的孔隙结构分形定量研究[J]. 煤炭学报, 1998, 23(4): 439-442. [94] 秦跃平, 傅贵. 煤孔隙分形特性及其吸水性能的研究[J]. 煤炭学报, 2000, 25(1): 55-59. |
| 中图分类号： | TD712 |
| 开放日期： | 2021-06-18 |
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