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说明:此“论文模板”是由多篇文章拼接而成,内容与实际文章不符且多有不连贯处,仅供修改体例格式时参考。
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固-气耦合作用下瓦斯抽采钻孔破裂规律研究 王子1,2,
3,天才2,
3,郝文章
3
1.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京100013;
2.煤炭科学研究总院开采研究分院,北京 100013;
3.中国矿业大学资源与安全工程学院,江苏徐州221116) 摘要:为了减少煤矿瓦斯灾害的发生和提高瓦斯抽采效率,基于岩石力学、流体力学理论,综合考虑复 杂应力和瓦斯渗流对钻孔瓦斯抽采的影响,建立了瓦斯抽采钻孔固-气耦合失稳理论模型。
通过所建的理 论模型,以新兴煤矿相关物理性参数为基础,运用COMSOL
Multiphysics软件进行数值模拟,分析了瓦斯 抽采钻孔破裂规律。
研究结果表明:随着钻孔倾斜角度的变化,在钻孔周围出现不同程度的“羊角”型塑 性区;钻孔周围的塑性区随着侧压系数的增大而减少,从x形逐渐变成环形,钻孔受力环境趋于稳定。
关健词:瓦斯抽采;固-气耦合;钻孔破裂;数值模拟 中图分类号:TP
028.8 文献标识码:
A StudyonFractureLawofGasDrainageDrillingunderSolid-gasCoupling WANGZi1,2,
3,TIANCai2,
3,HAOWen-Zhang3 (
1.CoalMining&DesigningDepartment,TiandiScience&TechnologyCo.,Ltd.,Beijing100013,China;
2.MiningInstitute,ChinaCoalResearchInstitute,Beijing100013,China;
3.SchoolofResourcesofSafetyEngineering,ChinaUniversityofMineTechnology,Xuzhou221116,China) Abstract:Toreducetheurrenceofcoalminegasdisastersandimprovethegasextractionefficiency,basedonthetheoryofrockmechanics,fluidmechanics,plexstressandgasfloweffectondrillinggasdrainage,gasdrainagedrillingunstablemodelundersolid-gascouplingwereestablished.Throughthetheoreticalmodel,basedonthephysicalparametersofXinxingcoalmine,usingCOMSOLMultiphysicssoftwaretocarryonthenumericalsimulation,analysisingfracturelawofgasdrainagedrilling.TheresultsshowthatwiththechangeofboreholetiltAnglearoundtheboreholeindifferentlevelsof"claw"typeplasticzone;theplasticzonearounddrillingvaluedecreaseswiththeincreaseoflateralpressurecoefficient,bythexshapetothering,drillingstressenvironmenttendtobemorestable.Keywords:gasdrainage;solid-gascoupling;drillingrupture;numericalsimulation 批注[U1]:论文题目要精炼、醒目,去掉“研究”字样,一般不超过20个字。
批注[U2]:作者单位应写出全称,不能简写。
单位具体格式为:一级单位名称二级单位名称,单位所在省(直辖市)市邮编,邮编要正确无误。
批注[U3]:摘要部分应采用“[目的]为了……,或以……,或基于/根据……,[过程和方法]探讨/介绍/采用/提出了……,或研究了……,[结果]结果表明:……”的方式撰写。
①摘要字数250~300个汉字,摘要中一般不出现公式,去掉“本文”等第一人称字样,不出现参考文献序号。
②摘要内容包括:目的、过程和方法、内容、研究结果及得出的结论,一定要给出具体的方法、数据指标等具体结果和结论。
批注[U4]:反映论文中心内容的词或词组,3~5个为宜。
词间加分号。
批注[U5]:英文题目与中文题目对应,略去题目中的冠词,去掉“Studyon”等字样。
除首字母及专有名词外,其余字母均为小写。
批注[U6]:英文作者姓名与中文要相对应,其间用逗号隔开。
姓大写,名首字母大写,双拼音之间加“-”。
批注[U7]:英文作者单位:
1.二级单位,一级单位,单位所在城市邮编,国家;
2.… 批注[U8]:英文摘要应尽量与中文相对应(不必完全一致),应包括论文研究目的、方法、结果和具体的结论,可比中文摘要详细。
摘要中首次出现缩写时应注出全称。
批注[U9]:英文关键词与中文关键词对应,除专有名词外首字母小写,词间用分号隔开。
随着开采深度的增加,矿井瓦斯含量逐渐增大,煤矿瓦斯事故已经成为最频繁,最严重的煤矿恶性事故,严重影响煤炭企业的经济效益以及 qg=−k⋅∇P
(2)µg 生产效率。
近年来,很多研究学者致力于瓦斯抽采钻孔破裂规律的研究,并取得了一定的成果[1-14]。
孙泽宏[1],姚向荣[2]等利用弹塑性理论模拟了钻孔二次应力分布规律、塑性区的变化情况以及钻孔径向位移的改变规律。
宋卫华[3]模拟了在不同煤层物理强度、不同地应力、不同钻孔直径影响下钻孔破坏半径的变化,并利用数学线性回归的方法得出钻孔破坏半径的影响公式,发现破坏半径与钻孔的有效直径成对数的关系,与煤层 2数值模型及结果分析 2.1研究区概况 蔚州矿区位于蔚县盆地中南部,四周被不同时代的大断裂所围割。
其中南为壶流河断层,东为松枝口—右所堡断层,北为阳原南山断层,西界为暖泉—大湾断层。
该矿区有生产矿井6对、基建矿井1对、后续矿井2对。
蔚州矿区矿井分布如图1所示。
地应力的大小成幂指数关系,与煤层的强度成反比。
……以上研究方法只是研究了在应力状况下钻孔煤体的破坏情况,没有深入研究在复杂应力和瓦斯渗流共同作用下钻孔瓦斯抽采时周围煤体的破裂规律,具有一定的缺陷性。
本文基于岩石力学、流体力学理论,建立了瓦斯抽采钻孔固-气耦合失稳模型,以龙煤集团鹤岗分公司新兴煤矿相关物理性参数为基础,运用COMSOLMultiphysics[15]软件进行数值模拟,分析了瓦斯抽采钻孔破裂规律。
1瓦斯抽采钻孔固-气耦合失稳理论模型 1.1煤体瓦斯渗流基本假设煤体是一种多孔介质,影响瓦斯在煤层中流 动的因素极其复杂,因此,在研究过程中要抓住主要影响因素,舍去次要影响因素,并找出各主要影响因素间的相互关系。
为此,需要首先做如下假设:……1.2煤体瓦斯渗流场方程
(1)质量守恒方程:根据质量守恒定律有: ()∂m+∇⋅ρq=0
(1) ∂t gg 式中,m为瓦斯含量,kg/m3;ρg为游离瓦斯密度,kg/m3;t为时间变量,s。

(2)煤层瓦斯流动方程煤层中的瓦斯在瓦斯压力梯度的作用下基本符合达西流,瓦斯渗流速度和瓦斯压力的关系式: 深沟矿 阳春镇 天走公路 月水东井田 斜 向 山 沙 涧 堡 井 莲花山区田 南德胜井田 水西矿崔家寨井田 南留庄井田 南留庄镇 单侯井田 北阳庄井田 矿区铁路 代王城 蔚县沙 蔚铁路 图1蔚州矿区及单侯矿井分布 2.2数值模拟模型建立 模型的上边界设为7MPa的地应力,左侧边界为地应力侧压系数乘以垂直地应力,右侧边界,下侧边界和后侧边界设为辊轴支撑,模型内瓦斯初始压力设为1.3MPa,抽采钻孔的边界设为0.013MPa的抽采负压,左右边界上下边界设为1.3MPa的瓦斯压力。
求解模型的具体参数设置见表
1。
表1数值模拟的相关参数 厚 模型层位度 /m 基本顶190 直接顶18 煤层 10 直接底
4 基本底26 密度/(kg·m-3) 26002500140025002600 黏结力 /MPa29.06.01.76.024.7 内摩擦角/(o)4028252835 抗拉强度/MPa5.202.001.402.003.5 2.3试验方法及数据分析 本次测定地点选择在薛湖煤矿29采区,埋深
2 批注[U10]:不加“引言”、“前言”、“绪论”等标题。
本节内容应为本文的写作背景、重要性以及国内外学者在该领域的研究进展情况。
字数以600~1000个汉字为宜,一般不分段论述,不要插图、列表和数学公式的推导证明,以文字叙述为主。
批注[U11]:准确标引参考文献 批注[U15]:在正文中必须有与图、表呼应的文字,且叙述应与图、表结果相符。
图、表按照出现的顺序编号 批注[U16]:图幅尺寸为:分栏图宽度≤80mm,通栏图120~150mm,高度视插图的比例来定。
插图请使用Photoshop、Core1DRAW描绘或存成TIF格式(分辨率不小于800dpi)。
Excel图表图、AutoCAD(存为2007以下版本)图,提供可编辑的原始图形文件。
批注[U12]:文中的层次编号用阿拉伯数字,并以“1”、“1.1”、“1.1.1”形式编排。
批注[U17]:文中出现的量的单位务必采用国际单位制,单位和符号应符合国家有关标准,如“米”改为“m”;“吨”改为“t”;“毫米水柱”或“毫米汞柱”都按照换算关系改为“Pa”,“kPa”或“MPa”。
批注[U18]:表格采用三线表格,请规范表格的行列;表格的题目和文中保持一致。
批注[U13]:公式中的变量规范统一采用斜体,下标如果为变量也采用斜体,如果非变量,仅是区分变量,下标采用正题。
矢量、张量、矩阵用黑斜体。
文中公式较多时,需给公式按出现顺序编号。
批注[U14]:公式中的每一个变量都要进行解释,仅且解释一次。
一个符号只代表一个物理含义,一个物理量只用一个符号表示。
符号尽量简化,最好以单字母表示。
约850~900m。
技术人员共布置了3组钻孔,每组钻孔分别有一个测试孔和一个对比孔。
观测孔采用传统水泥砂浆技术封孔;测试孔采用阶梯式封孔技术封孔,依据数值计算结果,该区域巷道周边塑性区半径为7.34~8m,因此第一级钻孔深度选择8m。
各钻孔瓦斯抽采纯量随钻孔终孔位置与工作面距离变化曲线见图
2。
(a)32° 图2钻孔瓦斯抽采纯量随钻孔终孔位置与工作面距离变化曲线 2.4GA编码及参数选择 设置种群数为20个,交叉率为0.8,变异率为0.2.计算过程如图3所示。
(b)47° (c)59° 图4不同夹角的围岩最大主应力分布3结束语 图3BP-GA计算过程 2.5数值模拟结果及分析 通过数值模拟计算,可以得到3个巷道围岩最大主应力分布如图4所示,从左到右最大水平主应力方向与巷道轴线夹角分别为32°、47°和59°。
主要结论有以下几个方面:
(1)研究得出蔚州矿区突水的时空特征:在空间位置上突水灾害位置主要与断裂构造的展布有关;突水点处隔水层厚度均小于10m,突水系数均大于0.15;突水地段含水层压力压力与突水量成正比;突水点位置与奥灰岩溶发育程度密切相关,突水点在平面上的分布与岩溶发育规律相一致。

(2)定性评价了蔚州矿区突水的主控因素,即岩溶发育程度、隔水层厚度及其岩性组合、含水层的水压及富水性、断层的规模。

(3)采用多源信息融合法对蔚州矿区单侯矿井的突水影响因素进行了定量化评价,研究结果
3 批注[U21]:①模拟图中有数值范围,请添加图例,并标明单位。
②如一个图号中包含有多个图,每一个图务必给出图名。
③图中文字如为英文,请务必翻译成中文。
批注[U19]:①坐标图端线尽量取在刻度线上。
刻度线在轴内,去掉无数字对应的刻度线,不用背景网格线。
②坐标图务必保证横纵坐标名称、单位完整,且数值均等分布;如果有多条曲线,请以指示线形式或者图例形式区分。
③图面汉字为6号宋体,物理量符号用斜体、物理量单位用正体[如:速度/(103m·s-1)或v/(103m·s-1)]。
物理量符号、物理量单位和数字均为TimesNewRoman6号字;图中制图用线宽(一般取粗线b为0.25~0.7mm,细线宽度不应大于b/2)。
批注[U20]:所有曲线图、设备结构图、流程图,务必保证图形为矢量图,即可以编辑的图形,而非图片形式。
照片形式的图,应保证其清晰度。
图应突出主体,与文章内容无关的应删除。
批注[U22]:文章中结论应是阐述文章研究结果说明了什么,得出了什么规律性东西,解决了什么理论或实际问题;结论一般不做自我评价。
表明在底板突水众多影响因素中,地质构造占主导因素,其次为隔水层厚度、含水层水压和含水层富水性。
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