煤層瓦斯防治與利用是關乎煤礦安全開采,清潔能源高效利用以及溫室氣體排放三個方面的重要問題,一直是能源開采和環(huán)境保護等領域關注的熱點。煤層瓦斯抽采、煤層氣開采是防治瓦斯事故,捕獲瓦斯能源以及控制溫室氣體排放的關鍵技術。煤體瓦斯流動理論是人們對煤中瓦斯存儲、瓦斯解吸,瓦斯流動和瓦斯產出過程的理解和認識,是進行掌握瓦斯儲量,評估瓦斯災害風險,計算瓦斯涌出并制定防治措施,預測瓦斯產能,設計瓦斯資源開發(fā)等實際工程問題的基礎和依據。本研究基于前人的研究成果,在煤體瓦斯流動理論的幾個方面進行了以下探討和嘗試:煤層瓦斯含量計算方法,煤基質瓦斯吸附解吸機理及理論模型,煤層瓦斯多尺度流動機理及理論模型構建,數值離散及解算模擬程序開發(fā)等。本研究首先探討了煤層瓦斯流動中關于瓦斯含量的計算問題,指出一般應采用朗格繆爾方程表示瓦斯含量,而當前仍有許多工程計算和學術文獻中對瓦斯含量計算的簡化(拋物線方程近似或P.M.克里欽夫斯基近似)。通過數值計算和理論計算對三種瓦斯含量計算方法進行了對比,定量分析了簡化計算所造成的誤差,發(fā)現(xiàn):將朗格繆爾方程的瓦斯含量曲線近似為拋物線方程,由此所帶來的誤差較小,但采用P.M.克里欽夫斯基引起的誤差是不可接受的;精確計算瓦斯流動時,應根據朗格繆爾式進行計算瓦斯含量。煤體是由裂隙和煤基質構成的典型的雙重孔隙介質,煤體裂隙內的瓦斯流動機理已被廣泛接受,而煤粒/煤基質內的瓦斯流動機理仍存有爭議。本文通過研究當前有關煤粒/煤基質瓦斯流動理論的學術文獻,認為煤中孔隙結構復雜且孔徑分布廣泛,氣體流動應是多尺度多機理現(xiàn)象,僅用菲克擴散去描述多尺度孔隙中瓦斯運移是值得懷疑的。在現(xiàn)有理論的基礎上,提出了密度差驅動流的概念,將煤體孔隙內的吸附瓦斯和游離瓦斯一并計算為瓦斯密度,將孔隙中的滲透和擴散經過傳質概念的整合,統(tǒng)一為密度差驅動流,提出新的瓦斯吸附解吸理論模型。通過恒定環(huán)境和變壓環(huán)境下的多尺度煤粒瓦斯吸附解吸實驗,驗證了本文提出的理論模型在描述煤粒/煤基質中瓦斯運移方面的有效性和優(yōu)越性。通過研究現(xiàn)有的煤體瓦斯流動模型及數值模擬軟件,認為有關煤基質瓦斯運移的模擬技術和數值解算方法有待改進�；诿褐型咚苟喑叨攘鲃訖C理和雙重孔隙模型,考慮煤基質收縮,有效應力和瓦斯多尺度流動的耦合機制,構建雙重孔隙煤體瓦斯多尺度流動數學模型。該模型相較于其他雙重孔隙模型的特點在于:考慮了煤基質內的滲流,擴散,將兩種流動統(tǒng)一為密度差驅動流,并且充分考慮基質內的游離瓦斯和吸附瓦斯,與實際煤基質的瓦斯流動更為符合。通過有限差分法對雙重孔隙煤體瓦斯多尺度流動數學模型進行離散,并基于Visual Basic編程平臺獨立開發(fā)了高效的數值模擬軟件。該數值求解的優(yōu)勢在于:基質系統(tǒng)和裂隙系統(tǒng)不再相互重疊,流場中的任一點只有一套參數,基質參數或者裂隙參數,并且基質和裂隙之間的質量交換僅發(fā)生在基質塊的表面,而不是作為在裂隙網絡中均勻分布的質量源。這一處理有別于現(xiàn)存的其他雙重孔隙模型的解算,與實際流場更為接近。通過將模擬結果與兩套現(xiàn)場瓦斯抽放數據進行對比,驗證了本章所建瓦斯流動模型及數值模擬軟件的正確性。基于自主開發(fā)的煤體瓦斯流動數值模擬軟件,進行了煤中氣體流動和鉆孔瓦斯抽采的一系列數值模擬,研究結果表明:煤體裂隙的初始滲透率越高,鉆孔瓦斯流速越大。在抽采初期,改變裂隙滲透率對提高鉆孔瓦斯產出效率有重要作用,但對抽采后期瓦斯產出效率影響不大。煤基質的滲透性對抽采初期的瓦斯產氣效率影響較小;煤基質滲透率越大,抽采后期瓦斯產出效率越高,抽采過程中產氣速率衰減越慢;煤基質的尺度越小,煤基質的釋放瓦斯的速度越快,基質的累積瓦斯釋放量越多。煤體中基質尺度越小,瓦斯產出速率越大,產氣速率的衰減越慢。研究結果表明煤基質的尺度和滲透性是影響基質內氣體運移的兩個重要參數,也是影響抽采后期瓦斯產率的關鍵因素。同時表明瓦斯產出過程中產氣機理隨開采時間不斷變化:在產氣初期,裂隙中的達西流主導產氣速率,在產氣后期,基質內的密度差驅動流主導產氣速率。
【學位單位】：中國礦業(yè)大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TD712
【部分圖文】：

24(b) 瓦斯含量分布的對比曲線圖 2.4 瓦斯壓力及含量分布對比曲線Fig. 2.4Contrastcruves of gaspressureandcontentdistribution distributio.4 可知，在算例 1 中：由朗格繆爾式、拋物線式分別計算吻合，瓦斯含量分布曲線則有一定的差異；而由克里欽曲線與其它兩式有較大差異，瓦斯含量分布曲線則與其一步表明，在確定瓦斯含量與壓力的關系時，拋物方程較小，而克里欽夫曲線與朗格繆爾曲線則有本質的差異起誤差的根源：由拋物方程曲線或克里欽夫曲線確定的際瓦斯吸附特性存在差異。

(b) 雙對數坐標圖 2.5 瓦斯比流量的對比曲線Fig.2.5Contrastcurves of gasflowrate可知，在算例 1 中，對比拋物線式與朗格繆爾式的結比流量變化趨勢基本一致，相差較小。對比克里欽發(fā)現(xiàn)：初始時刻，克里欽夫式計算的瓦斯比流量遠大算的瓦斯比流量衰減速率較朗格繆爾式大，10-5d 天量隨時間變化的曲線相交，該時刻 2 式計算的瓦斯的瓦斯比流量大小發(fā)生反轉，克里欽夫式計算的瓦2d 左右之后，從雙對數坐標曲線圖 2.5(b)可知，2狀，表明 2 式計算的瓦斯比流量曲線有相同的變化趨

26(b) 克里欽夫式圖 2.6 計算結果的相對誤差隨時間的變化曲線Fig. 2.6Changecurves of the resultrelative error with time.6(a)可知，在本文 3 個算例中，拋物線式計算的相對誤差相對誤差值最大不超過 5%，表明用拋物線方程近似取代大的誤差，因此在計算煤層瓦斯涌出需要考慮瓦斯含量瓦斯含量是可接受的。.6(b)可知，在本文 3 個算例中，克里欽夫式計算結果的相瓦斯比流量相對誤差隨時間的變化趨勢相同；初始時刻，流量遠大于朗格繆爾式，相對誤差最大可超過 1000%，，分別在 17.5×10-6， 5.1×10-6和 0.82×10-6d 時減小為 0
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本文編號：2861701