地面钻井抽采条件下封闭采空区瓦斯渗流特性研究

Gas stored in the closed gob with great amount, which is a recyclable energy. However, the development techniques of the closed gob gas is started lately, and related basic research is still so blank that we need do specific research urgently. According to the laws of the mining overlying rock subsidence, a spatial distribution model of the gob permeability will be established. Based on the nonlinear seepage theory, a mathematical model of gas seepage in closed gob under the condition of surface well drainage will be established also. The distribution lows of gas concentration field, the gas speed field and the gas flow state under the condition of surface well drainage will be reveal by this mathematical model, and the control range of surface well under different position will be determined also. Gas seepage simulation experiment in closed gob under different surface well position and drainage parameters will be carried out, and drainage effect will be determined. It will lay a foundation for optimization selection of surface well position and drainage parameters. This project will make a contribution to the development of coal and gas simultaneous extraction, as well as have a effect on getting clean energy and greenhouse gas reduction.

封闭采空区中积聚有大量的瓦斯，是一种可回收利用的能源。然而封闭采空区瓦斯地面开发技术起步较晚，相关基础研究仍属空白，亟待有针对性的深入研究。本项目将根据采动上覆岩层下沉规律，建立封闭采空区多孔介质的渗透率空间分布模型；基于非线性渗流理论，建立地面钻井抽采条件下封闭采空区瓦斯渗流数学模型，揭示地面钻井抽采条件下封闭采空区瓦斯浓度场、速度场和气体流态的分布规律，确定不同地面井位、不同抽采参数下地面钻井的控制范围；开展地面钻井抽采条件下封闭采空区瓦斯渗流实验，确定不同地面井位、不同抽采参数下封闭采空区瓦斯的抽采效果，为封闭采空区地面井位选择和抽采参数优化奠定理论基础。本项目研究将有助于煤与瓦斯共采理论的发展和完善，对获取清洁高效能源、减少温室气体排放具有十分重要的意义。

封闭采空区瓦斯抽采技术是将封闭采空区内遗煤、煤柱及邻近煤岩层不断解吸释放的瓦斯抽采至地面的煤矿瓦斯抽采技术，是煤与瓦斯共采技术体系的重要组成部分。地面钻井抽采条件下封闭采空区瓦斯的渗流特性研究是地面井位和抽采参数优化选择的理论基础，而我国封闭采空区瓦斯抽采技术研究起步较晚，相关基础理论研究仍处于空白阶段。.本项目采用物理模拟的手段对采空区覆岩垂直位移进行了监测，通过数据拟合得到了采空区覆岩垂直位移空间分布函数，在此基础上推导得出了采空区渗透率的空间分布函数。在研究采空区渗透率空间分布规律的基础上，联立气体渗流的连续性方程、动量守恒方程、湍流输运方程和气体状态方程，建立了地面钻井抽采条件下封闭采空区瓦斯渗流数学模型。通过FLUENT模拟软件对地面钻井抽采条件下封闭采空区瓦斯渗流数学模型进行求解，研究结果表明：布置在“O”形圈裂隙区内的地面钻井控制范围较大，湍流区面积较大，随着地面钻井不断深入采空区中部的压实区，地面钻井控制范围不断减小，湍流区面积也不断减小。通过自行研制的“采空区瓦斯抽采模拟试验系统”开展了封闭采空区瓦斯抽采地面井位优化的物理模拟试验研究，对不同地面井位、抽采负压条件下，封闭采空区瓦斯抽采量、瓦斯浓度及气体流动状态进行了研究，结果表明：各试验方案条件下，地面钻井的抽采混合量均呈不断衰减趋势，“O”形圈裂隙区是地面钻井布置的最佳区域。.将封闭采空区瓦斯地面钻井抽采的理论研究成果应用于阳泉三矿，指导了阳泉三矿首口封闭采空区地面钻井的井位选择。开展了地面钻井抽采封闭采空区瓦斯工程试验研究，试验结果表明，抽采管路纯瓦斯流量保持在3.25 m3/min，瓦斯抽采浓度为5～13%。泵站试运行226小时，共抽采纯瓦斯量33000m3，平均日产瓦斯3504m3/d。