【摘要】：煤炭在我國一次能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)著主要的地位,在煤炭開采當(dāng)中,瓦斯既是一種引起災(zāi)變的因素,又是一種高效清潔的能源,因此,煤礦要施行“煤與瓦斯共采”。但是,目前我國對于這項技術(shù)還沒有系統(tǒng)科學(xué)的理論依據(jù),大部分還是以經(jīng)驗為主。針對以上情況,本文以鉆孔中的瓦斯流動為研究對象,采用理論分析、實驗研究、數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗驗證相結(jié)合的方法,系統(tǒng)研究破碎煤巖體中瓦斯的解吸特性及流動規(guī)律、鉆孔周圍煤體的結(jié)構(gòu)特性以及鉆孔內(nèi)部的瓦斯運移規(guī)律等,希望該研究成果能為瓦斯抽采提供一定的理論依據(jù),并能對工程實踐有一定的指導(dǎo)作用。煤的瓦斯吸附解吸實驗可以為瓦斯抽采和瓦斯突出的預(yù)測提供關(guān)鍵技術(shù)參數(shù),也可以為研究煤中瓦斯的吸附和放散機理提供依據(jù)。因此,本文設(shè)計了三組煤的瓦斯吸附解吸實驗,分別為煤粒處于一個大氣壓下解吸的動態(tài)瓦斯吸附解吸實驗、煤粒處于封閉空間內(nèi)的變壓解吸實驗和煤樣在不同受載情況下的解吸實驗,得出了煤粒處于一個大氣壓下和封閉空間內(nèi)放散時,瓦斯累積解吸量隨時間的變化關(guān)系,而且同一粒徑的煤樣,瓦斯解吸量隨著解吸時初始壓力的增大而增加;通過分析,還得到了煤中瓦斯的解吸模型,模型中的一個參數(shù)為瓦斯的最大解吸量,研究表明其大小與初始壓力有關(guān)而與粒度沒有明顯的變化關(guān)系,另一個參數(shù)則是反映解吸速率的物理量,其值與初始壓力和粒徑有關(guān);同時得出煤中瓦斯在不同受載條件下解吸時的瓦斯解吸模型與煤粒在一個大氣壓下解吸的模型相同,表明該模型可以應(yīng)用于煤在大氣壓下的解吸,與煤的破碎程度和受載條件無關(guān)。煤粒瓦斯流動的基本規(guī)律一直是廣大學(xué)者研究的重要問題,是建立雙重孔隙結(jié)構(gòu)鉆孔瓦斯流動模型的關(guān)鍵基礎(chǔ)。根據(jù)所做的實驗,本文進行了四種條件下的數(shù)值模擬研究,分別以菲克定律和達(dá)西定律為基礎(chǔ),建立了球形煤粒在定壓條件下的瓦斯放散模型,采用有限差分法進行離散,并運用VB編程解算,然后將兩種模擬結(jié)果和實驗結(jié)果進行對比,發(fā)現(xiàn)達(dá)西模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的擬合程度要遠(yuǎn)高于菲克定律,證明在煤粒的微小孔隙系統(tǒng)中,瓦斯流動更符合達(dá)西滲流定律;利用同樣的數(shù)值模擬方法,分別對球形煤粒的吸附及圓柱形煤粒的瓦斯放散過程進行模擬,得出煤粒中的瓦斯流動服從達(dá)西定律,與瓦斯流動形式和煤粒的形狀無關(guān);根據(jù)菲克和達(dá)西定律,分別建立了球形煤粒在封閉空間內(nèi)的瓦斯放散模型,通過模擬得出,在ln[1-(Qt/Q∞)2]~t圖中,菲克模擬結(jié)果均為直線,而達(dá)西模擬和實驗結(jié)果均為曲線且較吻合,充分說明了瓦斯在煤粒中的流動符合達(dá)西定律而不是菲克定律。煤體是由包含孔隙的煤粒和裂隙組成的雙重結(jié)構(gòu)體,鉆孔內(nèi)的瓦斯流動過程可以看作是瓦斯先從煤的孔隙表面解吸出來,然后經(jīng)煤基質(zhì)擴散滲流,最后再從裂隙中滲流流入鉆孔內(nèi)的一個連續(xù)過程。根據(jù)煤體這種雙重孔隙的結(jié)構(gòu)特點,利用質(zhì)量守恒定律等可以建立煤基質(zhì)中的瓦斯流動方程和鉆孔周圍煤體裂隙中的瓦斯流動方程,兩者聯(lián)立可得到雙重孔隙結(jié)構(gòu)鉆孔瓦斯流動數(shù)學(xué)模型。采用六點有限差分的方法對模型進行離散求解,并推導(dǎo)出函數(shù)一階和二階導(dǎo)數(shù)的六點差分表示形式。依次對煤基質(zhì)瓦斯流動方程和鉆孔裂隙瓦斯流動方程進行離散化,為了便于求解,將兩個差分方程組分別用矩陣的形式表示出來,運用vb語言編程進行解算。在設(shè)計程序時,求解裂隙瓦斯流動方程需先求解煤基質(zhì)瓦斯流動方程,得到其瓦斯源項,而求解煤基質(zhì)瓦斯流動方程時又需先求解裂隙瓦斯流動方程得到其邊界條件。為解決這一矛盾關(guān)系,可先給裂隙瓦斯流動方程設(shè)定一個瓦斯源值,根據(jù)求解步驟先求解裂隙瓦斯流動方程,將求得的裂隙瓦斯壓力值賦值給煤基質(zhì)瓦斯流動方程作為壓力邊界,解算煤基質(zhì)瓦斯流動方程,根據(jù)煤基質(zhì)瓦斯流動方程解算結(jié)果求得新的瓦斯源項值,將此值與設(shè)定的瓦斯源項值進行比較,若兩者之間的誤差小于一個極小值,則認(rèn)為這一時刻煤體瓦斯流動方程解算成功,對程序進行處理,最終得到了鉆孔瓦斯流動分析軟件。根據(jù)自行編制的鉆孔瓦斯流動分析軟件進行數(shù)值模擬實驗,首先對鉆孔模型進行了簡化,并進行了參數(shù)設(shè)置。最終得到了鉆孔裂隙周圍瓦斯壓力分布規(guī)律,表明隨著時間的延長,從裂隙出口開始向鉆孔壁深處方向煤體內(nèi)部瓦斯壓力逐漸減小;同時也得到了鉆孔周圍的瓦斯壓力分布規(guī)律,表明隨著時間的延長,鉆孔周圍瓦斯壓力降低區(qū)域逐漸向外擴散,時間越長,瓦斯壓力降低越明顯;得到了裂隙周圍瓦斯含量分布規(guī)律,表明隨著時間的延長,從裂隙出口開始向煤體深處煤體內(nèi)部瓦斯含量逐漸減小;鉆孔周圍的瓦斯含量分布規(guī)律表明,隨著時間的延長,鉆孔周圍瓦斯含量降低區(qū)域逐漸向外擴散,時間越長,瓦斯含量降低得越明顯;另外,還得到了煤基質(zhì)內(nèi)瓦斯壓力及解吸速度和累積解吸量的變化規(guī)律,并且通過分析發(fā)現(xiàn)鉆孔瓦斯涌出速度的對數(shù)和時間的對數(shù)呈線性關(guān)系,從而得出鉆孔瓦斯涌出速度隨時間的變化公式,進而得到了鉆孔瓦斯累積流量隨時間的變化公式;在此基礎(chǔ)上,分別分析了裂隙透氣性系數(shù)和煤基質(zhì)透氣性系數(shù)對煤體瓦斯壓力、瓦斯含量和瓦斯涌出變化的影響,并得到了兩種透氣性系數(shù)的變化對鉆孔瓦斯涌出速度公式中參數(shù)的影響規(guī)律。還分析了煤體儲層壓力對瓦斯壓力、瓦斯含量變化的影響,得到了當(dāng)儲層壓力變化時,鉆孔瓦斯涌出速度和累積流量的變化規(guī)律以及涌出速度公式中參數(shù)的變化規(guī)律。為了進一步研究鉆孔瓦斯的流動規(guī)律,需要現(xiàn)場測定鉆孔瓦斯流量的變化,以便找尋其規(guī)律。通過對測量鉆孔瓦斯涌出速度的瞬時流量計和測量鉆孔瓦斯累積流量的累計流量計進行優(yōu)缺點分析,選擇得到了兩種最適合的流量計分別為ZLD-2型鉆孔多級流量計和高精度的煤氣表作為測量儀器;通過分析制定了現(xiàn)場測定方案,并進行了鉆孔瓦斯流量的現(xiàn)場測定,分別得到了鉆孔瓦斯涌出速度和鉆孔瓦斯累積流量隨時間的變化規(guī)律;為了體現(xiàn)雙重孔隙結(jié)構(gòu)鉆孔瓦斯流動模型的優(yōu)越性,在物理假設(shè)的基礎(chǔ)上又建立了鉆孔瓦斯流動的連續(xù)介質(zhì)模型,并進行了數(shù)值模擬,將基于連續(xù)介質(zhì)和雙重介質(zhì)模型的模擬結(jié)果和測定結(jié)果進行比較,得出利用雙重介質(zhì)模擬的鉆孔瓦斯涌出速度與實測結(jié)果基本符合,只是在中間某些點有偏差,而連續(xù)介質(zhì)模擬的結(jié)果速度衰減較慢,這是因為連續(xù)介質(zhì)計算時把孔隙裂隙看作一個整體,采用相同的裂隙透氣性系數(shù),而雙重介質(zhì)模型中煤粒孔隙的透氣性系數(shù)要遠(yuǎn)小于裂隙的透氣性系數(shù),因此前者整體的透氣性系數(shù)要大于后者,涌出速度較大。對于鉆孔瓦斯累積流量,初期三者比較吻合,一段時間后,連續(xù)介質(zhì)的模擬結(jié)果逐漸開始偏離。所以,雙重介質(zhì)模型是更加符合現(xiàn)場實際的鉆孔瓦斯涌出模型。本文的創(chuàng)新性主要體現(xiàn)在以下四點:(1)提出了煤中瓦斯的解吸模型。利用自行研制的實驗系統(tǒng),設(shè)計了三組煤的瓦斯吸附解吸實驗,得到了煤在不同條件下解吸量隨時間的變化規(guī)律,并推導(dǎo)出了煤中瓦斯的解吸模型,特別是得到了煤中瓦斯在大氣壓下的解吸模型,該模型對工程實踐有一定的指導(dǎo)意義。(2)揭示了煤粒微小孔隙系統(tǒng)中的瓦斯流動規(guī)律。分別以菲克和達(dá)西定律為基礎(chǔ),建立了煤粒中瓦斯的流動方程,然后利用有限差分的方法離散并進行數(shù)值模擬,通過四種不同條件下對模擬結(jié)果和實驗結(jié)果的對比,得出在煤粒的微小孔隙系統(tǒng)中,瓦斯流動符合達(dá)西定律。而且作為基本定律,它應(yīng)適用于各種條件,無論是吸附或解吸過程,也無論外部壓力變化與否,或者煤粒形狀如何改變,理論與實驗結(jié)果都吻合。(3)建立了雙重孔隙結(jié)構(gòu)鉆孔瓦斯流動數(shù)學(xué)模型。分析了煤是具有雙重孔隙結(jié)構(gòu)的煤體,根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點,在物理假設(shè)的基礎(chǔ)上,利用質(zhì)量守恒定律、達(dá)西定律以及理想氣體狀態(tài)方程,分別建立了煤基質(zhì)瓦斯流動方程和鉆孔裂隙的瓦斯流動方程,兩者聯(lián)立最終得到了雙重孔隙結(jié)構(gòu)鉆孔瓦斯流動方程,并根據(jù)實際情況得出了方程的初始條件和邊界條件。(4)開發(fā)了鉆孔瓦斯流動分析軟件。根據(jù)建立的雙重孔隙結(jié)構(gòu)鉆孔瓦斯流動模型,引入六點有限差分的方法,對模型進行了離散,并用矩陣的形式表示出來,然后運用VB編制程序?qū)τ邢薏罘帜Ｐ瓦M行了解算,同時編制了鉆孔瓦斯流動分析軟件。利用該軟件分析得到了裂隙及鉆孔周圍瓦斯壓力和瓦斯含量隨時間的變化規(guī)律,同時通過分析鉆孔瓦斯涌出速度和累積流量隨時間的變化曲線,得到了鉆孔瓦斯涌出速度隨時間變化的公式。
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【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TD712.5

【參考文獻】

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本文編號：2287448