發(fā)布時間：2020-08-08 15:49

【摘要】：隨著淺部資源的枯竭,我國煤炭開采正逐步向深部延伸。與淺部相比,深部儲層具有明顯的“三高-兩強-一低”的特性。深入研究深部儲層的地質(zhì)力學(xué)規(guī)律,對于提升深部資源獲取能力以及動力災(zāi)害防治水平具有重要意義。鉆孔瓦斯抽采是防治煤礦瓦斯動力災(zāi)害最有效的措施,這一過程受多個物理場交叉耦合影響,尤其是進入深部以后煤體的強塑性及強時效性與采動影響疊加,使這一過程變得更加復(fù)雜。本文采用多種研究方法,分析了裂隙煤瓦斯擴散動力學(xué)過程,研究了含瓦斯煤滲透率動態(tài)演化規(guī)律,探討了彈-塑性變形煤多場耦合機制,得出如下主要結(jié)論:構(gòu)建了裂隙煤體瓦斯擴散動力學(xué)試驗系統(tǒng),研究了煤粒瓦斯擴散動力學(xué)特性的尺度效應(yīng),闡明了地應(yīng)力和瓦斯壓力對裂隙煤體瓦斯擴散的影響機制。結(jié)果表明:1)煤樣有效擴散系數(shù)隨時間的增加逐漸降低;2)煤體瓦斯擴散具有明顯的尺度效應(yīng),該尺度效應(yīng)的臨界值即為煤基質(zhì)尺寸;3)隨著圍壓的增大和孔隙壓力的降低,煤樣的擴散系數(shù)逐漸降低。提出了煤體多級孔隙結(jié)構(gòu)的概念模型,建立了時間依賴的動態(tài)擴散系數(shù)模型以及適用于具有多級孔隙結(jié)構(gòu)煤體的擴散動力學(xué)模型。結(jié)果表明:1)對于煤層氣等非常規(guī)氣的長期開發(fā),需同時考慮體積擴散和表面擴散,而對于煤礦井下鉆孔瓦斯抽采,可只考慮游離瓦斯的體積擴散;2)擴散過程中,裂隙煤體基質(zhì)瓦斯壓力變化規(guī)律不受煤樣尺度的影響,且擴散系數(shù)衰減越慢,基質(zhì)瓦斯壓力降低越快。定義了煤基質(zhì)內(nèi)膨脹系數(shù),定量揭示了煤基質(zhì)與裂隙間的相互作用關(guān)系,探討了內(nèi)膨脹系數(shù)的影響因素及其影響機制,構(gòu)建了考慮基質(zhì)-裂隙相互作用的煤體滲透率模型。結(jié)果表明:1)由于“巖橋”的存在,基質(zhì)膨脹變形只有部分用于改變裂隙開度,其余部分用于改變煤體體積;2)有效應(yīng)力及吸附膨脹變形是影響內(nèi)膨脹系數(shù)的本質(zhì)因素;3)與實驗數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果表明該滲透率模型能夠很好地匹配不同邊界條件下的滲透率數(shù)據(jù),說明該模型具有廣泛的適用性。構(gòu)建了塑性損傷煤體“等效裂隙煤體”結(jié)構(gòu)模型,揭示了采動過程中煤體裂隙及損傷的動態(tài)演化規(guī)律,建立了塑性變形煤體滲透率動態(tài)演化模型。結(jié)果表明:1)采動過程中煤體損傷斷裂的過程可視為對原始煤基質(zhì)分割的過程,采動煤體可等效為基質(zhì)尺度更小、裂隙數(shù)目更多的彈性體;2)“等效裂隙煤體”中裂隙數(shù)目與煤體所受偏應(yīng)力間呈指數(shù)關(guān)系,偏應(yīng)力越大,裂隙數(shù)目越多;3)滲透率模型與卸圍壓試驗中滲透率演化規(guī)律能夠較好地匹配,驗證了該模型的合理性。構(gòu)建了同時考慮應(yīng)力場、擴散場、滲流場、溫度場以及煤體非均質(zhì)性的“熱-流-固”多場耦合模型,揭示了非均質(zhì)煤芯滲透率測試過程中物理場的時空演化規(guī)律。結(jié)果表明:1)非均質(zhì)煤體內(nèi)瓦斯壓力等值面存在明顯的空間波動性,這與均質(zhì)條件下存在明顯差異;2)隨著時間的增加,煤體滲透率逐漸升高,且越靠近出口的位置煤體滲透率越低,實驗測得值僅是出口位置的煤體滲透率;3)煤芯內(nèi)瓦斯壓力呈非線性分布,這與滲透率計算公式中瓦斯壓力呈線性分布的假設(shè)相悖,實驗過程中可通過減小進出口壓差降低實驗誤差。構(gòu)建了“瓦斯-空氣”二元氣體系統(tǒng)“應(yīng)力-損傷-擴散-滲流”多場耦合模型,揭示了瓦斯抽采過程中鉆孔周圍瓦斯及空氣流場的時空演化規(guī)律,探討了不同因素對瓦斯抽采效果的影響機制。結(jié)果表明:1)采用二維模型計算的瓦斯和空氣流場與三維模型計算結(jié)果在總體趨勢上一致,數(shù)值上稍有偏差,但誤差在工程可接受范圍內(nèi),說明該方法可行;2)采動區(qū)周圍煤體滲透率大幅升高,鉆孔瓦斯流量增大,但同時流入鉆孔的空氣流量也大幅升高,導(dǎo)致鉆孔抽采濃度逐漸降低;3)隨著封孔長度的增加,鉆孔瓦斯流量和漏風量均逐漸降低,但鉆孔瓦斯抽采濃度逐漸升高,以可利用的瓦斯?jié)舛?0%作為確定封孔長度的標準,則該地質(zhì)條件下(平煤八礦)鉆孔的最優(yōu)封孔長度約為12 m。揭示了堅硬頂板采場與普通采場應(yīng)力場、滲透率及瓦斯流場的時空演化規(guī)律,闡明了兩種條件下采場瓦斯富集及運移機制,提出了“切頂導(dǎo)流-分源治理”瓦斯防治技術(shù)。結(jié)果表明:1)堅硬頂板采場首采層上覆巖層卸壓區(qū)及優(yōu)勢瓦斯富集區(qū)范圍明顯小于普通采場;2)通過切除堅硬頂板可促進上覆巖層裂隙帶發(fā)育,引導(dǎo)瓦斯在裂隙帶內(nèi)富集,解決采空區(qū)瓦斯超限及上向穿層鉆孔抽采效果差的問題。本文研究結(jié)果進一步完善了深部裂隙煤體瓦斯抽采過程中的多場耦合理論,促進了深部礦井瓦斯動力災(zāi)害防治技術(shù)的進一步發(fā)展。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TD712.6
【圖文】：

中孔擴散系數(shù)小于大孔，因而在時間上表現(xiàn)出擴散系數(shù)逐漸降低的現(xiàn)象。為此，有學(xué)者提出可通過擴散系數(shù)與時間之間的關(guān)系建立時間依賴的擴散模型，從而避免了擴散模型過度參數(shù)化的問題[54]。但是現(xiàn)有的時間依賴的擴散模型在擴散系數(shù)隨時間變化研究方面主要依賴于實驗結(jié)果的擬合，經(jīng)驗性強，不利于擴散時間依賴性深層機理的揭示。1.2.3 含瓦斯煤體滲透率模型研究現(xiàn)狀滲透率是定量評估煤層氣開發(fā)以及煤礦瓦斯抽采效果的關(guān)鍵參數(shù)之一，定量研究煤層滲透率的動態(tài)演化規(guī)律對于煤層氣產(chǎn)能預(yù)測、瓦斯抽采鉆孔的優(yōu)化布置以及瓦斯動力災(zāi)害防治等具有重要意義[62, 63]。構(gòu)建煤體滲透率模型的關(guān)鍵在于建立煤體的物理結(jié)構(gòu)模型[64]。通常認為煤體為雙重孔隙介質(zhì)，由煤基質(zhì)及裂隙組成其中，煤基質(zhì)又包含基質(zhì)孔隙和煤體骨架。為了簡化建模過程，相關(guān)學(xué)者提出了球形模型、毛細管模型、火柴桿模型以及立方模型（如圖 1-5 所示），其中火柴桿模型和立方模型是目前研究滲透率模型最常用的煤體物理結(jié)構(gòu)模型[65]�；谝陨厦后w物理結(jié)構(gòu)模型，相關(guān)學(xué)建立了大量的滲透率模型。

型在相同工況下的變化規(guī)律的差異性及其主要原因。圖 1-6（b）為各模型在煤層氣排采過程中的滲透率演化規(guī)律，所取參數(shù)中彈性模量 2.902 GPa，泊松比 0.35，Langmuir 壓力常數(shù) 4.3 MPa，最大吸附應(yīng)變?nèi)?.0126。煤層初始裂隙孔隙率取 0.1%，裂隙可壓縮系數(shù)取 0.1392 MPa-1。假設(shè)初始時刻儲層的孔隙壓力為 10 MPa，排采過程中，P&M 模型、C&B 模型的滲透率隨孔隙壓力的下降先降低后逐漸反彈，并且 P&M 模型的下降幅度明顯大于C&B 模型，這是因為 P&M 模型高估了煤基質(zhì)的壓縮系數(shù)，導(dǎo)致有效應(yīng)力對煤體滲透率的負效應(yīng)被放大。為此，Palmer 等[83]通過引入表征煤層節(jié)理方向的系數(shù)來修正煤基質(zhì)的壓縮系數(shù)，弱化有效應(yīng)力的影響�？梢钥闯�，當 g=0.1 和 0.5 時，煤層滲透率隨著孔隙壓力的降低逐漸升高，且 g=0.1 時的滲透率明顯高于 g=0.5時的滲透率。此外， S&D 模型和修正后的 P&M 模型（g=0.1，0.5）預(yù)測的滲透率隨孔隙壓力的降低而逐漸升高，隨著排采的進行基質(zhì)收縮對滲透率的貢獻占據(jù)主導(dǎo)地位。從圖中還可以看出，在相同工況條件下 S&D 模型預(yù)測的滲透率總是高于 C&B 模型。這是因為 C&B 模型中應(yīng)力項對滲透率的貢獻要大于 S&D 模型，而應(yīng)變項對滲透率的貢獻要小于 S&D 模型[89]。

博士學(xué)位論文80圖3-23 不同尺度煤體瓦斯擴散過程孔隙壓力空間分布曲線Figure 3-23 Gas pressure curve of coal with different sizes during diffusion process圖3-24為不同尺度煤粒瓦斯擴散動力學(xué)曲線。對于尺度小于1 mm的破碎煤基質(zhì)，從橫向上看達到相同的擴散率，尺度越小的煤基質(zhì)所需時間越短，且擴散達到平衡所需時間也越短；從縱向上看，相同擴散時間下，尺度越大的煤基質(zhì)其擴散率越低。而對于尺度大于1 mm的裂隙性煤粒，不同曲線之間差異很小，說明當煤粒尺度大于單個基質(zhì)尺度時，煤粒尺度對擴散特性的影響可以忽略。此外，從圖中還可以看出，不同尺度煤粒其達到平衡時的極限擴散率均小于1，這是因為模型中外部環(huán)境及裂隙壓力設(shè)為0.1 MPa，擴散平衡時，煤基質(zhì)的平衡壓力并不為0

【參考文獻】

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本文編號：2785772