針對無保護層開采條件的近距離突出煤層群區(qū)域防突問題,通常采用底板巖巷上向穿層鉆孔預抽最底層煤層瓦斯,并以該煤層作為下保護層,開采上部煤層。但是,突出煤層群的下部煤層瓦斯壓力更高,其突出危險性往往高于上部煤層,鉆孔施工困難,成孔率較低,因此也可采用頂板巖巷下向穿層鉆孔預抽最上層煤層瓦斯,并將其作為上保護層,保護下部煤層開采。然而,由于我國礦井水文地質(zhì)條件復雜,多數(shù)煤層頂板存在含水層,下向穿層鉆孔抽采煤層瓦斯過程中,頂板水通過鉆孔侵入煤層孔隙,并在鉆孔周圍形成局部水飽和區(qū)域。與正常煤層中的滲流不同,在水侵煤層中,由于水飽和煤體區(qū)域及鉆孔積水的封堵作用,煤層中的瓦斯將在孔隙壓力的作用下會溶解到孔隙水中,進而在濃度梯度影響下以擴散方式在飽和水煤體區(qū)域及鉆孔水中運移,最終,在抽采負壓下從鉆孔水中解析后進入抽采系統(tǒng)。瓦斯在水飽和煤層區(qū)域中的運移過程與一般的煤層瓦斯運移存在明顯差異,研究該運移過程及其影響因素對認識水侵煤層瓦斯運移特性、指導水侵煤層瓦斯抽采等具有重要意義。本文通過理論分析,實驗研究及數(shù)值模擬的方法深入探討了瓦斯在水及飽和水煤體中的擴散運移特性,建立了水侵煤體瓦斯運移數(shù)學模型。最終,以青東煤礦726工作面為現(xiàn)場工程試驗對象,驗證了該模型的準確性,研究成果可對水侵煤體瓦斯抽采提供一定的理論指導。具體內(nèi)容如下:首先,實驗研究了瓦斯在水溶液中的溶解規(guī)律,分析了平衡壓力、溫度、鹽離子(Ca~(2+),Na~+)對瓦斯溶解度的影響。研究表明,在低溫條件下,溫度對瓦斯的溶解度影響效果較弱,實驗溫度區(qū)間內(nèi)(25~40℃),瓦斯溶解度隨溫度的升高而小幅度降低。瓦斯在水中的溶解度受實驗平衡壓力的影響較為顯著,隨著平衡壓力的升高而增大,在實驗壓力范圍內(nèi)成線性關(guān)系,此規(guī)律在溫度較低時更加明顯�；趬毫λp法開展了不同實驗條件下瓦斯在水中的擴散規(guī)律研究,分析了初始壓力、實驗溫度對瓦斯擴散系數(shù)的影響。實驗結(jié)果表明,瓦斯在水中的擴散系數(shù)受初始壓力的影響較大,隨初始壓力的升高而逐漸增加,但增加的幅度逐漸變小,符合指數(shù)衰減關(guān)系。瓦斯在水中的擴散系數(shù)與溫度有關(guān),隨著實驗溫度的升高而逐漸增加,成線性關(guān)系。進一步研究了瓦斯在水飽和煤樣中的擴散規(guī)律,主要分析了煤樣迂曲度、實驗溫度、壓力的影響。結(jié)果表明,相同實驗條件下瓦斯在水飽和煤樣中的有效擴散系數(shù)比其在水中擴散系數(shù)要小許多。同時,隨著水飽和煤樣的迂曲度的增大,瓦斯在孔隙水中的擴散通道更曲折,其有效擴散系數(shù)也逐漸減小。實驗溫度及壓力對瓦斯在水飽和煤樣中的有效擴散系數(shù)影響效果與前文基本一致。此外,通過擬合數(shù)據(jù)分析了實驗溫度、初始壓力對瓦斯有效擴散系數(shù)的影響權(quán)重,符合關(guān)系式:ln?=-109.490+15.547ln?+0.045ln?,說明兩者的影響權(quán)重存在差異明顯,溫度對瓦斯在水中的擴散系數(shù)的影響力明顯大于壓力的影響力。構(gòu)建了瓦斯在水侵煤層中運移模型,運用COMSOL數(shù)值模擬軟件預測了瓦斯抽采量及瓦斯卸壓效果。通過對比青東礦瓦斯抽采數(shù)據(jù),驗證了數(shù)值結(jié)果的合理性。研究了瓦斯擴散系數(shù)、煤層滲透率和水飽和半徑對瓦斯抽采量及卸壓效果的影響,結(jié)果表明,殘余瓦斯壓力隨擴散系數(shù)的增大而減小,隨水飽和區(qū)域半徑的增大而增大。煤層滲透率對瓦斯抽采效果的影響較為為復雜:高滲透率煤層整體抽采效果較好,而在低滲透率煤層中,僅鉆孔周圍煤體的抽采效果較好。
【學位單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TD712
【部分圖文】：

圖 1-3 恒壓法測擴散系數(shù)原理圖 of constant pressure measuremen易操作、不需要直接觀察、不時所產(chǎn)生的壓力波動會造成一方面是因為壓力檢測裝置系統(tǒng)壓力不能瞬間達到預定

Li的實驗方法

—瓦斯氣源2—壓力表3—閥門14—壓力傳感器5—溶解罐6—閥門27—取樣器8—恒溫水浴箱9—磁力轉(zhuǎn)子a示意
【參考文獻】

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本文編號：2889228