【摘要】：煤層滲透率是影響本煤層瓦斯抽采效率的最主要因素。國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果表明煤層滲透率具有天然的各向異性,且滲透率的各向異性具有普遍性,即絕大多數(shù)煤層的原始滲透率都具有各向異性。本文通過(guò)定向取樣實(shí)測(cè)不同方向的煤樣滲透率,考察煤滲透率及其應(yīng)力敏感性的各向異性特征,判定滲透率優(yōu)勢(shì)方向。通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)考察煤滲透率各向異性對(duì)本煤層瓦斯預(yù)抽的影響,確定抽采鉆孔布置優(yōu)勢(shì)方位,為提升本煤層瓦斯預(yù)抽效果提供依據(jù)。本文首先分析了試驗(yàn)地點(diǎn)新景礦8#煤層西一正巷、北三副巷和北七副巷所在煤層的產(chǎn)狀特征和裂隙發(fā)育特征,分析結(jié)果表明:西一正巷和西一副巷背斜西側(cè)裂隙沿東北—西南方向發(fā)布,背斜軸部裂隙沿東—西方向發(fā)育,背斜東側(cè)裂隙沿東北—西南方向發(fā)育;北三副巷和北三正巷背斜構(gòu)造西側(cè)裂隙沿東北—西南方向發(fā)育,背斜軸部裂隙沿東—西方向發(fā)育,背斜東側(cè)裂隙沿東—西方向發(fā)育;北七副巷和北七正巷裂隙沿東北—西南方向發(fā)育。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了三個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)煤層的基礎(chǔ)參數(shù),結(jié)果表明:三個(gè)取樣地點(diǎn)煤樣的工業(yè)分析參數(shù)和真視密度測(cè)試結(jié)果差別不大,有較好的一致性;三個(gè)取樣地點(diǎn)煤樣的吸附常數(shù)、原始煤層瓦斯含量、原始煤層瓦斯壓力和透氣性系數(shù)具有一定的非均質(zhì)性。利用低溫液氮法測(cè)試了三個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)特征,測(cè)試結(jié)果表明:BET比表面積西一正巷煤樣最大,北三副巷煤樣次之,北三副巷煤樣最小;BJH總孔體積西一正巷,北七副巷,北三副巷三處煤樣相等;平均孔徑北三副巷煤樣最大,北七副巷煤樣次之,西一副巷煤樣最小;西一正巷,北七副巷,北三副巷三處煤樣微孔總體積相等,發(fā)育著大量微孔隙,有利于煤中CH4的賦存和吸附。從西一正巷、北三副巷和北七副巷取大塊煤樣,分別沿煤層走向、傾向和豎直方向套取圓柱體煤樣,測(cè)定三組煤樣的滲透率,得到了煤層滲透率及其應(yīng)力敏感性的各向異性特征,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在恒定瓦斯壓力條件下,三個(gè)取樣地點(diǎn)煤樣滲透率隨著圍壓的增大而逐漸減小,并經(jīng)歷兩個(gè)階段:圍壓在10 MPa~12 MPa加載過(guò)程中,滲透率急劇下降,圍壓在10 MPa~12 MPa加載過(guò)程中,滲透率緩慢下降;三個(gè)取樣地點(diǎn)煤樣滲透率具有顯著的各向異性,其中沿煤層走向的滲透率最大,傾向次之,豎直方向最小,因此沿煤層走向是取樣地點(diǎn)煤層瓦斯?jié)B流的優(yōu)勢(shì)方向;煤滲透率應(yīng)力敏感性系數(shù)具有橫觀(guān)各向同性,即沿煤層走向和傾向煤樣滲透率的應(yīng)力敏感性系數(shù)接近各向同性,低于沿豎直方向煤樣滲透率的應(yīng)力敏感性系數(shù);煤滲透率應(yīng)力敏感性系數(shù)具有各向異性的原因是楊氏模量和孔隙率具有各向異性。運(yùn)用彈性力學(xué)、滲流力學(xué)等理論,綜合考慮煤層裂隙結(jié)構(gòu)、力學(xué)性質(zhì)、吸附/解吸變形和地應(yīng)力場(chǎng)四方面的各向異性,建立了正交各向異性煤層滲透率演化模型的立方型和指數(shù)型表達(dá)式,兩組模型表達(dá)式與已發(fā)表文獻(xiàn)中的滲透率數(shù)據(jù)吻合程度較好。在不增加擬合參數(shù)數(shù)量的情況下,指數(shù)型表達(dá)式的擬合優(yōu)度略高于立方型表達(dá)式,說(shuō)明指數(shù)型表達(dá)式可能更接近煤層滲透率演化的本質(zhì)。立方型表達(dá)式通過(guò)煤體和煤基質(zhì)變形間接反映力學(xué)和吸附/解吸作用對(duì)滲透率的影響,而指數(shù)型表達(dá)式由節(jié)理變形直接反應(yīng)力學(xué)和吸附/解吸作用對(duì)滲透率的影響。因此,指數(shù)型表達(dá)式的準(zhǔn)確性?xún)?yōu)于立方型表達(dá)式。指數(shù)型表達(dá)式的求解過(guò)程比立方型表達(dá)式復(fù)雜。立方型表達(dá)式是顯性解析式,可直接求解。指數(shù)型表達(dá)式是隱性解析式,無(wú)法直接求解,只能通過(guò)數(shù)值算法求解其近似解。因此,立方型表達(dá)式的實(shí)用性由于指數(shù)型表達(dá)式�；谠撃Ｐ头治隽嗣簩訚B透率優(yōu)勢(shì)方向的主要影響因素是有效應(yīng)力和初始滲透率的各向異性。有效應(yīng)力是地應(yīng)力和瓦斯壓力的差應(yīng)力,地應(yīng)力具有各向異性而瓦斯壓力可視為各向同性,因此地應(yīng)力的各向異性是影響煤層滲透率各向異性的主要因素之一。初始滲透率的各向異性則反映了煤層裂隙結(jié)構(gòu)的各向異性,煤層裂隙結(jié)構(gòu)對(duì)其滲透率也有著較大的影響,同一塊煤樣在相同條件下測(cè)定滲透率,滲透壓力的方向如果與煤樣的裂隙面垂直,則滲透率最小;滲透壓力的方向如果與煤樣的裂隙面平行,則滲透率最大�；谇笆鼋⒌母飨虍愋悦簩訚B透率演化模型,建立了考慮滲透率各向異性的煤層瓦斯流動(dòng)理論模型,應(yīng)用COMSOL Multiphysics數(shù)值模擬平臺(tái)對(duì)順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯進(jìn)行參數(shù)分析,模擬分析彈性模量、Langmuir吸附應(yīng)變常數(shù)、初始孔隙率、初始滲透率各向異性對(duì)順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯的影響規(guī)律;同時(shí)模擬分析滲透率具有各向異性條件下不同布孔方位對(duì)抽采流量的影響規(guī)律。模擬結(jié)果表明:彈性模量、Langmuir吸附變形常數(shù)和初始面孔隙率的各向異性對(duì)模擬結(jié)果影響不顯著,而初始滲透率的各向異性對(duì)模擬結(jié)果有顯著影響;當(dāng)抽采鉆孔與滲透率最大方向垂直時(shí),抽采流量最大;抽采流量隨鉆孔與滲透率最大方向夾角的減小而減小;當(dāng)鉆孔與滲透率最大方向的夾角大于60°時(shí),布孔方位對(duì)抽采流量的影響不再顯著;滲透率各向異性越大,布孔方位對(duì)抽采流量的影響越顯著。因此,應(yīng)準(zhǔn)確掌握煤層滲透率的各向異性特征,以便為理論分析和數(shù)值模擬提供可靠的依據(jù)。在順層鉆孔抽采瓦斯數(shù)值模擬中也應(yīng)著重考慮煤層滲透率的影響。在理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上,確定了本煤層瓦斯預(yù)抽鉆孔的合理布孔原則:鉆孔應(yīng)盡可能與最大滲透率方向保持垂直。對(duì)于本文的試驗(yàn)地點(diǎn),最大滲透率方向與煤層走向平行。為了驗(yàn)證此原則,在試驗(yàn)地點(diǎn)布置五組方位不同的試驗(yàn)鉆孔,實(shí)測(cè)布孔方位對(duì)抽采流量的影響規(guī)律。實(shí)測(cè)結(jié)果表明,當(dāng)鉆孔與煤層走向夾角較大時(shí)(60°)時(shí),其抽采流量明顯高于與煤層走向夾角較小(30°)的鉆孔,驗(yàn)證了前述本煤層瓦斯預(yù)抽鉆孔合理布孔原則。此外,為了解決新景礦8#煤層滲透率低、單孔抽采流量小而難以準(zhǔn)確測(cè)量的難題,設(shè)計(jì)了微流量條件下準(zhǔn)確測(cè)量單孔抽采流量的裝置,實(shí)現(xiàn)了抽采流量的準(zhǔn)確測(cè)量以及預(yù)抽期的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。通過(guò)合理調(diào)整順層鉆孔方位,可以提高單孔瓦斯抽采量和累積瓦斯抽采量,縮短本煤層瓦斯預(yù)抽期,減少本煤層瓦斯預(yù)抽鉆孔的布置數(shù)量,節(jié)省鉆孔施工成本,降低工作面回采過(guò)程中的瓦斯涌出量,加快工作面回采進(jìn)度,對(duì)保障工作面安全回采和提高回采效率具有重要意義。本文的創(chuàng)新性主要體現(xiàn)在如下三個(gè)方面:(1)得到了陽(yáng)泉礦區(qū)新景礦8#煤層滲透率及其應(yīng)力敏感性的各向異性特征:沿煤層走向的滲透率最大,傾向次之,豎直方向最小,因此沿煤層走向是瓦斯?jié)B流的優(yōu)勢(shì)方向;煤滲透率應(yīng)力敏感性系數(shù)具有橫觀(guān)各向同性,即沿煤層走向和傾向煤樣滲透率的應(yīng)力敏感性系數(shù)接近各向同性,且低于沿豎直方向煤樣滲透率的應(yīng)力敏感性系數(shù);煤滲透率應(yīng)力敏感性系數(shù)具有各向異性的原因是楊氏模量和孔隙率具有各向異性。(2)綜合考慮煤層裂隙結(jié)構(gòu)、力學(xué)性質(zhì)、吸附/解吸變形和地應(yīng)力場(chǎng)四個(gè)方面的各向異性,推導(dǎo)得到了正交各向異性煤層滲透率演化模型的立方型和指數(shù)型表達(dá)式。(3)確定了本煤層瓦斯預(yù)抽鉆孔的合理布孔原則:鉆孔應(yīng)盡可能與最大滲透率方向保持垂直,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明布孔方位與煤層走向的夾角越大,鉆孔抽采流量越高。本文研究得到了陽(yáng)泉礦區(qū)新景礦8#煤層滲透率的各向異性特征,但陽(yáng)泉礦區(qū)其它煤層以及其它礦區(qū)煤層滲透率的各向異性特征還有待于進(jìn)一步考察。本文對(duì)煤層滲透率的各向異性及其對(duì)本煤層瓦斯預(yù)抽的影響規(guī)律做了初步探討和研究,尚未進(jìn)行工作面的完整抽采設(shè)計(jì),與實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用還有一段距離。
【圖文】：

圖 2.1 北七副巷示意圖Fig.2.1 Schematic of the N7 tunnel8#煤層北七副巷示意圖如圖 2.1 所示，從圖中可以看出，北三副巷靠近采取回風(fēng)巷一側(cè)的煤層產(chǎn)狀分布較均勻，巷道與煤層走向的夾角約為 45°。(1) 地面相對(duì)位置及鄰近采區(qū)開(kāi)采情況地面相對(duì)位置及鄰近采區(qū)開(kāi)采情況見(jiàn)表 2.1。表 2.1 北七副巷井上下對(duì)照關(guān)系情況表Tab.2.1 Control relationship of the N7 tunnel水平 +525 工程名稱(chēng) 蘆南一區(qū) 8#煤北七正、副巷采區(qū) 蘆南一區(qū) 井下（地面）標(biāo)高（m） 504～552m、（900～1090m）地面的相對(duì)位置建筑物、小井及其他本工作面地表位于深腳河以東，趙北溝以南，蘆湖村及蘆湖溝以西，車(chē)道溝村以北，屬山坡、山梁、溝谷地段。井下相對(duì)位置對(duì)掘進(jìn)巷道的影響井下位于蘆南一區(qū)南翼西部。本面所掘巷道為蘆南一區(qū) 8#煤北六正、副巷及 2118 切巷，井下位于蘆南一

煤的自然發(fā)火傾向 無(wú)自然發(fā)火傾向(3) 煤（巖）層賦存特征表 2.3 北七副巷煤層頂?shù)装迩闆r表Tab.2.3 Top and bottom plate of the N7 tunnel頂?shù)装迕Q(chēng) 巖石類(lèi)別 厚度 巖性頂板老頂 細(xì)粒砂巖 15.75灰白色，成分以石英為主，長(zhǎng)石次之，夾泥質(zhì)條帶，含云母和黑色礦物，，硅質(zhì)膠結(jié)，厚度變化較大。直接頂 泥巖 3.34黑色，含植物化石，中部夾 1-2 層菱鐵礦結(jié)核，局部相變?yōu)樯百|(zhì)泥巖。偽頂?shù)装鍌蔚字苯拥?砂質(zhì)泥巖 3.26灰黑色，富含植物化石和黃鐵礦，頂部有時(shí)相變?yōu)槟鄮r。2.2.2 西一正巷概況
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TD712.61

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本文編號(hào)：2594668