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煤层透气性系数新的测试计算方法

2024-05-29


创新点
1 指出了现行的煤层瓦斯透气性系数测试反演方法中,瓦斯含量简化计算带来的问题。
2 基于朗格缪尔式计算煤层瓦斯含量,以达西定律和质量守恒定律建立了煤层瓦斯流动方程,提出新的无因次压力准数,建立了无量纲煤层瓦斯流动模型。
3 建立了无量纲煤层瓦斯流动有限差分计算模型,开发了数值软件,通过在不同边界条件下的解算,得到了无因次瓦斯涌出速度 Y ´与无因次时间 Fo ´的关系曲线。
4 由无因次瓦斯涌出速度 Y ´与无因次时间 Fo ´的分段幂函数关系,反演得到新的煤层透气性系数计算式,并通过现场实测数据验证了新模型的可靠性。

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煤层透气性系数新的测试计算方法

作者秦跃平 1 , 刘 佳 2 , 苏向云 1
单位: 1.中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院;2.太原理工大学 安全与应急管理工程学院
研究背景
RESEARCH BACKGROUND

煤层透气性系数是衡量煤层瓦斯流动难易程度的重要参数,也是评价煤层抽采能力(可抽性)的重要指标。在计算瓦斯抽采半径、瓦斯涌出量、评价增透效果中均需准确测定煤层瓦斯透气性系数。由于煤质、赋存条件、地质条件等因素的影响,全国各矿井的煤层透气性系数有很大差异。因此,准确测定煤层透气性系数对于瓦斯抽采利用和瓦斯灾害防治具有重要意义。

煤层透气性系数测定方法主要包括现场测定和实验室测定。但是在实验室中有限尺寸的煤样与含有大量裂隙的实际煤储层条件有很大的差异,也很难再现现场复杂多变的应力状态,只能进行定性的研究。因而,煤层透气性系数仍需进行现场实测。现场测定方法主要包括克里切夫斯基流量法,马可尼法、克氏压力法和钻孔径向流量法。其中,钻孔径向流量法在我国得到广泛的应用,已成为煤炭行业标准并且出现在大学教材以及技术手册中。为了便于计算,该方法使用抛物线方程代替朗格缪尔式表示煤层瓦斯含量,并通过克里切夫斯基近似法对数学模型线性处理得到钻孔瓦斯径向流动模型。然而,其描述的瓦斯流动方程中,瓦斯含量与实际瓦斯吸附特性有本质的区别, 计算结果出现较大误差。为了反演煤层透气性系数,该方法将钻孔瓦斯流量方程式转化为无因次方程式,得到无因次流量准数与无因次时间准数的曲线,并根据方程得到透气性系数计算式,通过试算找到合适的煤层透气性系数。由于模型中瓦斯含量与压力的关系采用了抛物线近似代替方法,使煤层透气性系数的计算误差较大,同一钻孔在不同成孔时间后测试得到不同的结果。因此,我国现行的煤层透气性系数测试标准“煤炭行业标准(MT/T 1173—2019)”,其计算方法存在重大缺陷,需要深入研究。

基于上述问题,笔者推导了钻孔径向流量法测试煤层透气性系数的过程,并在推导过程中指出了该方法存在的问题。然后,以朗格缪尔式瓦斯含量和达西定律为基础,建立无量纲模型,将模型解算结果进行了反演拟合,得到了新的煤层透气性系数的计算式,并通过现场实测钻孔数据进行了验证,修正了现行的煤层透气性系数测试方法,提出了准确可靠的计算煤层透气性系数新方法。


摘要
ABSTRACT

煤层透气性系数是衡量煤层瓦斯流动难易程度的关键参数。现行的煤层透气性系数计算式中,将变压力非线性偏微分方程的系数假定为常数,理论推导结果存在较大缺陷,使得现场测定的透气性系数存在较大偏差。为解决煤层透气性系数测定失准的问题,推导了钻孔径向流量法测试煤层透气性系数的过程,并在推导过程中指出该方法存在的问题。以朗格缪尔式瓦斯含量和达西定律为基础,建立无量纲模型,将模型解算结果进行反演拟合,得到新的煤层透气性系数计算式,并通过现场实测钻孔数据进行验证,修正了现行的煤层透气性系数测试方法,提出准确可靠的计算煤层透气性系数的新方法。

结果表明:用抛物线式表示煤层瓦斯含量并将变量煤层瓦斯压力p1.5视为常量推导而来的煤层透气性系数计算式,相当于将瓦斯含量拟合成与压力平方成正比关系,理论与实际测算均存在较大误差。采用朗格缪尔式无量纲模型计算出的无因次瓦斯涌出速度Y'进行反演拟合,可解决现行计算方法的缺陷;当吸附常数b与原始瓦斯压力p0的乘积(无因次原始瓦斯压力)不同时,Y'与无因次时间Fo'的函数曲线明显不同,由此得到了含有无因次原始瓦斯压力的透气性系数计算式;当煤层和钻孔条件一定时,由不同时间测试的瓦斯涌出量计算得到的煤层透气性系数λ值具有良好的再现性。新的煤层透气性系数现场测定方法与现行方法完全相同,不增加额外工作量,但新方法的计算更加精确可靠。

部分图片





1穿层钻孔径向瓦斯流动


2网格划分与节点编号


3程序解算流程


4煤层径向不稳定流动曲线


5程序解算流程


6无因次瓦斯涌出速度与无因次时间的关系


7拟合曲线(b=0.5)


8Cmbp0之间的函数关系


9玉溪煤矿实测数据



10钻孔径向流量法煤层透气性系数计算值


作者简介

秦跃平,男,1965127日生,山西夏县人,中国矿业大学(北京)教授,博士生导师。中国煤炭工业技术委员会委员、中国职业安全健康协会校园安全健康专业委员会副主任委员、中国煤炭工业安全科学技术学会矿井降温专业委员会副主任委员、中国矿山安全学会金属矿山安全专业委员会委员、北京应急管理学会理事。主持国家自然科学基金项目6项、国家重点研发计划课题1项,横向科研项目30余项;参与国家级重大项目10余项。发表论文200篇,其中被SCI/EI收录120余篇,合作出版教材和专著9部,授权国家发明专利30余项,软件著作权10余项。获国家级教学成果二等奖1项,省部级教学成果一等奖2项,省部级科技进步一等奖2项、二等奖13项,2001年获得中国科学技术发展基金会孙越崎能源科学技术青年科技奖


研究方向

主要从事矿井火灾及瓦斯灾害防治、矿井通风与热害治理、煤岩动态损伤等方面的理论研究、软件开发及工程应用工作。


主要成果

煤矿瓦斯灾害防治方面,提出了煤基质瓦斯流动理论,双重孔隙瓦斯流动理论,开发了煤粒瓦斯放散、煤层瓦斯流动软件,提出了煤层透气性系数反演测试方法和顺层钻孔瓦斯抽采煤壁堵漏风方法;在矿井火灾防治方面建立了采空区自然发火多场耦合理论,开发了相应的数值模拟软件,提出了采空区自然发火预测预报方法和综合治理技术;在矿井通风与热害治理方面开发了全风网风量风温耦合解算、采掘工作面围岩散热及风温预测等一系列数值模拟软件,提出了采掘工作面热害治理技术;在岩石力学方面建立了煤岩动态损伤理论,揭示了煤岩强度及其时间效应和尺寸效应的损伤本质,建立了煤岩动态损伤本构方程。



来源:

秦跃平刘佳苏向云.煤层透气性系数新的测试计算方法[J].煤炭学报202449(2):833−844.


责编:王晓珍
编辑:赵泽维
审核:张晓宁

  责任编辑:宫在芹
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