發(fā)布時(shí)間：2020-05-03 17:03

【摘要】：含瓦斯煤層水力致裂存在驅(qū)趕瓦斯效應(yīng),該效應(yīng)在工程中具有正反兩面性,而對(duì)煤層水力致裂驅(qū)趕瓦斯規(guī)律的認(rèn)識(shí)仍需補(bǔ)充完善。本文以煤層水力致裂的驅(qū)趕瓦斯效應(yīng)為研究對(duì)象,采用實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法,對(duì)水力致裂的驅(qū)趕瓦斯規(guī)律進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究,具有重要的理論意義和廣泛的工程應(yīng)用前景。運(yùn)用自行研制的假三軸水力(致裂)驅(qū)替瓦斯模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了水力驅(qū)替瓦斯的作用機(jī)制實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明:(1)水和瓦斯的競(jìng)爭(zhēng)吸附效應(yīng)會(huì)促使吸附瓦斯變成游離瓦斯,而壓力水進(jìn)入煤體后,孔隙(瓦斯)壓力升高會(huì)使游離瓦斯轉(zhuǎn)變成吸附瓦斯。置換解吸產(chǎn)生的游離瓦斯量大于瓦斯壓力增大所消耗的游離瓦斯量,二者綜合作用所產(chǎn)生的凈增游離瓦斯成為注水驅(qū)替瓦斯效應(yīng)的氣源之一。(2)隨著注水量的增加,驅(qū)替瓦斯量逐漸增加,而驅(qū)替瓦斯速率則呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì);水力驅(qū)替瓦斯具有時(shí)間效應(yīng),驅(qū)替出來(lái)的瓦斯氣體滯后于注水作用。(3)水力驅(qū)替瓦斯過(guò)程中,存在著啟動(dòng)孔隙壓力梯度和極限孔隙壓力。當(dāng)孔隙壓力梯度小于啟動(dòng)孔隙壓力梯度時(shí),煤巖體內(nèi)存在著游離瓦斯,但無(wú)法被驅(qū)替出來(lái);當(dāng)孔隙壓力梯度大于啟動(dòng)孔隙壓力梯度,且孔隙壓力小于極限孔隙壓力時(shí),能夠驅(qū)替出游離瓦斯;當(dāng)孔隙壓力大于極限孔隙壓力時(shí),煤巖體內(nèi)瓦斯幾乎全部處于吸附態(tài),水力無(wú)法驅(qū)替出游離瓦斯。借助COMSOL Multiphysics軟件對(duì)煤巖細(xì)觀孔道內(nèi)水驅(qū)瓦斯過(guò)程中的兩相界面形狀、位置和水驅(qū)效率隨時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明:(1)孔道內(nèi)水驅(qū)瓦斯過(guò)程中,在邊界層效應(yīng)、界面張力和孔徑變化的共同作用下,水氣界面會(huì)從“舌”形向“U”形凹液面轉(zhuǎn)變,中間會(huì)經(jīng)歷“活塞”形、“指”形、“W”形、“Ω”形等一系列形狀的過(guò)渡界面;孔道內(nèi)的水相面積關(guān)于孔軸線不對(duì)稱,孔軸線下側(cè)水相面積大于孔軸線上側(cè)水相面積。(2)孔喉比是影響水氣界面形狀、位置和驅(qū)替效率的重要因素,表征著儲(chǔ)層孔道特性對(duì)相態(tài)分布的影響。從小孔道向大孔道驅(qū)替時(shí),孔喉比越小,相同時(shí)間內(nèi)的水驅(qū)效率越高;從大孔道向小孔道驅(qū)替時(shí),孔喉比越大,相同時(shí)間內(nèi)的水驅(qū)效率越高。建立并驗(yàn)證了含瓦斯孔隙煤巖內(nèi)水力驅(qū)趕瓦斯的流固耦合數(shù)學(xué)模型,數(shù)值模擬結(jié)果表明:(1)水相飽和度沿著驅(qū)趕的方向呈遞減分布,且煤巖內(nèi)的水相飽和度隨時(shí)間不斷增加,而瓦斯相飽和度變化規(guī)律與之相反。水氣兩相飽和度的變化(遞增或遞減)速率都在減小。(2)孔隙壓力沿驅(qū)趕方向逐漸降低。煤體內(nèi)存在著孔隙壓力升高區(qū)和孔隙壓力降低區(qū),且孔隙壓力升高區(qū)在逐漸減小,孔隙壓力降低區(qū)在逐漸增大。(3)孔隙壓力梯度沿驅(qū)趕方向先降低后升高,且孔隙壓力梯度降低區(qū)位于孔隙壓力升高區(qū)內(nèi),孔隙壓力梯度升高區(qū)位于孔隙壓力降低區(qū)內(nèi)。運(yùn)用水力(致裂)驅(qū)替瓦斯實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和高分辨三維X射線顯微成像系統(tǒng)進(jìn)行了水力致裂的驅(qū)趕瓦斯實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明:(1)水壓裂縫成為致裂驅(qū)趕瓦斯過(guò)程中的優(yōu)勢(shì)路徑,為水對(duì)瓦斯的驅(qū)趕作用提供運(yùn)移通道,且水壓裂縫越寬,越容易成為優(yōu)勢(shì)路徑;水壓裂縫的數(shù)目越多,煤體內(nèi)存在的優(yōu)勢(shì)路徑也越多,但隨時(shí)間的推移優(yōu)勢(shì)路徑會(huì)逐漸減弱或消失。(2)水力致裂驅(qū)趕瓦斯主要通過(guò)2個(gè)途徑來(lái)實(shí)現(xiàn):一是高壓水與應(yīng)力場(chǎng)耦合產(chǎn)生水壓裂縫能夠?yàn)橥咚惯\(yùn)移提供優(yōu)勢(shì)路徑;二是壓力水在煤體滲流通道中流動(dòng)時(shí),沿水壓裂縫面向其兩側(cè)滲透,水滲流前端沿孔隙水運(yùn)移方向形成由高到低的孔隙壓力梯度。該孔隙壓力梯度是水力致裂驅(qū)趕瓦斯的動(dòng)力源。以雙重孔隙介質(zhì)煤層內(nèi)“雙孔-雙滲透”的瓦斯?jié)B流理論為基礎(chǔ),建立了水力致裂的驅(qū)趕瓦斯數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明:(1)沿致裂驅(qū)趕瓦斯方向,孔隙壓力在割理處呈現(xiàn)出先降低后升高的變化趨勢(shì)�？紫秹毫μ荻仍隍�(qū)趕方向上呈現(xiàn)出一定的區(qū)域性特征:致裂孔附近的孔隙壓力梯度呈現(xiàn)出降低趨勢(shì),但煤層邊界處的孔隙壓力梯度則呈現(xiàn)出升高趨勢(shì),而割理空間點(diǎn)處的孔隙壓力梯度又低于其相鄰兩側(cè)基質(zhì)塊內(nèi)的孔隙壓力梯度。致裂孔和煤層邊界附近同一空間點(diǎn)處的孔隙壓力梯度均隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而降低。(2)水相飽和度沿致裂驅(qū)趕方向整體表現(xiàn)出降低的趨勢(shì),但在割理或水壓裂縫的附近呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)。煤體基質(zhì)塊內(nèi)部中心區(qū)域的水相飽和度小于其四周的水相飽和度,而整個(gè)基質(zhì)塊內(nèi)的水相飽和度大于包圍該基質(zhì)塊的四周割理或水壓裂縫內(nèi)的水相飽和度。煤層空間點(diǎn)處的水相飽和度會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增大。瓦斯相飽和度的時(shí)空分布規(guī)律出與之相反。(3)水力致裂驅(qū)趕出來(lái)的游離瓦斯包含原始的游離態(tài)瓦斯和由吸附態(tài)瓦斯解吸出來(lái)的游離瓦斯,且煤層吸附瓦斯含量的降低速率大于游離瓦斯含量的降低速率。在含瓦斯煤層進(jìn)行了水力致裂的驅(qū)趕瓦斯現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),結(jié)果表明:水力致裂的驅(qū)趕瓦斯效應(yīng)會(huì)使得致裂過(guò)程中的瓦斯涌出速率大于致裂前后的瓦斯涌出速率,且會(huì)使得致裂孔周圍一定范圍內(nèi)形成瓦斯含量降低區(qū)、瓦斯含量升高區(qū)和原始瓦斯含量區(qū)。
【圖文】：

1 緒論在井下進(jìn)行了突出煤層掘進(jìn)工作面超前深孔水力致裂試驗(yàn)，結(jié)果表明后續(xù)過(guò)程中煤體瓦斯含量沿掘進(jìn)方向呈現(xiàn)“高-低-高”的現(xiàn)象（如圖 1-3 所示）時(shí)本煤層水力致裂過(guò)程中鄰近鉆孔出現(xiàn)瓦斯涌出現(xiàn)象，這些也都驗(yàn)證了含瓦層水力致裂的驅(qū)趕瓦斯現(xiàn)象的客觀存在[25]。

和瓦斯的競(jìng)爭(zhēng)吸附與置換解吸效應(yīng)煤吸附甲烷分子和水分子模型，陳向軍首先利用 ChemBi分子，然后在無(wú)煙煤基分子附近繪制甲烷分子和水分子，，甲烷分子的吸附模型和無(wú)煙煤與水分子間的吸附模型。在的吸附模型的基礎(chǔ)上，利用 Gaussian 03 軟件計(jì)算無(wú)煙煤間的相互作用。數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果表明，煤對(duì)水的最大 kJ/mol）是對(duì)甲烷分子最大吸附勢(shì)阱（11.7551 kJ/mol）的更容易吸附內(nèi)煤表面上[45]。（a）無(wú)煙煤吸附水模型
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TD712

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