本文關(guān)鍵詞：壓應(yīng)力作用下煤體瓦斯解吸及滲流規(guī)律研究

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【摘要】：煤層中瓦斯運(yùn)移過(guò)程是一種涉及到瓦斯吸附解吸、煤體滲透率演化等因素的復(fù)雜的多物理場(chǎng)相互耦合過(guò)程,研究這個(gè)過(guò)程,對(duì)于理解現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中瓦斯快速釋放規(guī)律,以及改進(jìn)煤層瓦斯抽采手段具有重要的意義。與地面煤層氣開(kāi)采不同,井下的采掘作業(yè)破壞了原有的瓦斯賦存環(huán)境,改變了含瓦斯煤體受力狀態(tài)。對(duì)于特定區(qū)域的煤體,這種受力狀態(tài)的改變主要體現(xiàn)在了兩方面:(一)應(yīng)力集中區(qū)的產(chǎn)生:如巷道的掘進(jìn)造成了掘進(jìn)工作面前方與兩側(cè)產(chǎn)生了應(yīng)力集中或煤層中施工鉆孔使得鉆孔周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中等。(二)應(yīng)力變化的時(shí)效性:如掘進(jìn)過(guò)程中的應(yīng)力前移,或者工作面周期來(lái)壓導(dǎo)致工作面前方煤體應(yīng)力的變化等。又由于井下煤體普遍處于受壓狀態(tài)中,因此使得我們?cè)谘芯烤峦咚惯\(yùn)移規(guī)律時(shí),需要特別考慮壓應(yīng)力作用下應(yīng)力的變化對(duì)于煤體瓦斯的解吸及滲流特征的影響。瓦斯主要以吸附狀態(tài)賦存于煤體之中,當(dāng)壓應(yīng)力作用于煤體時(shí),應(yīng)力不僅將煤體微孔結(jié)構(gòu)中的游離瓦斯氣體壓出,同時(shí)對(duì)煤體吸附界面做功,使得瓦斯分子脫離煤體吸附界面,甚至使得煤體發(fā)生破壞。因此,總體上來(lái)說(shuō),當(dāng)壓應(yīng)力加載于煤體后,不僅解吸速度增大,某時(shí)刻的累積解吸量也會(huì)增大。本文以壓應(yīng)力作用下煤粒瓦斯解吸特征為切入點(diǎn),自行設(shè)計(jì)了應(yīng)力加載下煤粒瓦斯的吸附解吸系統(tǒng),研究了不同吸附平衡壓力環(huán)境中壓應(yīng)力對(duì)不同氣體解吸的影響。煤體的滲透率與煤體的裂隙發(fā)育有密切關(guān)系。當(dāng)應(yīng)力作用于煤體時(shí),如果壓應(yīng)力足夠大,煤體破裂產(chǎn)生新的裂隙,煤體的滲透率將會(huì)產(chǎn)生較大的變化。為研究這個(gè)過(guò)程,本文通過(guò)進(jìn)行三軸應(yīng)力下的滲透率實(shí)驗(yàn)研究煤體從未受應(yīng)力至破裂過(guò)程中的滲透率演化,并通過(guò)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)煤體內(nèi)部破壞情況。如果壓應(yīng)力較小,煤體不足以產(chǎn)生新的貫穿裂隙時(shí),應(yīng)力會(huì)對(duì)煤體的原始節(jié)理產(chǎn)生影響,同時(shí)改變煤體的吸附解吸能力,導(dǎo)致影響吸附形變,進(jìn)而致使煤體節(jié)理開(kāi)度發(fā)生變化,因而改變煤體的滲流過(guò)程。為了描述這個(gè)階段的滲透率,在本文中,作者根據(jù)Hol的吸附模型,引入了M吸附修正因子用來(lái)表征應(yīng)力對(duì)煤體吸附能力的影響,結(jié)合內(nèi)膨脹因子fa及配分系數(shù)fe,建立了應(yīng)力作用下煤體的各向異性滲透率模型,且對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。最后通過(guò)多孔介質(zhì)力學(xué),建立了含有M及不含M的含瓦斯煤體的流固耦合模型,并對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。論文的主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)論如下:(1)壓應(yīng)力對(duì)煤體瓦斯吸附能力影響的機(jī)理分析通過(guò)熱力學(xué)理論,分析了壓應(yīng)力對(duì)煤體瓦斯吸附能力影響的機(jī)理,并引入了M吸附修正因子的概念。分析認(rèn)為,壓應(yīng)力會(huì)使得煤體的吸附界面產(chǎn)生變化,改變煤體吸附界面上瓦斯分子的受力狀態(tài),因而使得煤體表面勢(shì)壘降低,瓦斯分子更易脫離煤體吸附界面,即壓應(yīng)力降低了煤體對(duì)瓦斯的吸附能力,促使了瓦斯在煤中的解吸。根據(jù)hol的吸附熱力學(xué)模型,引入了m吸附修正因子的概念,用于計(jì)算應(yīng)力作用后煤體對(duì)瓦斯的吸附量。(2)建立了考慮應(yīng)力對(duì)吸附能力影響變化條件下的各向異性滲透率模型通過(guò)引入表征裂隙開(kāi)度的變化量與基質(zhì)長(zhǎng)度量之比的配分系數(shù)fe與表征因吸附變形所導(dǎo)致的裂隙開(kāi)度的變化量與基質(zhì)長(zhǎng)度的變化量之比的內(nèi)膨脹因子fa,結(jié)合m吸附修正因子,建立了考慮吸附能力變化條件下的各向異性滲透率模型。具體研究?jī)?nèi)容如下:通過(guò)參數(shù)的敏感性分析發(fā)現(xiàn),將表征應(yīng)力對(duì)煤體吸附能力變化的m吸附修正因子引入常規(guī)滲透率模型后,發(fā)現(xiàn)在一定的參數(shù)范圍內(nèi),m會(huì)對(duì)滲透率的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生明顯的影響,從而說(shuō)明了引入m吸附修正因子的必要性。然后,將m結(jié)合內(nèi)膨脹因子fa及配分系數(shù)fe后,建立了考慮吸附能力變化條件下的各向異性滲透率模型。并給出了不同情況下fe的計(jì)算方法。然后運(yùn)用以往的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。(3)設(shè)計(jì)并搭建了壓應(yīng)力作用下煤粒瓦斯的吸附解吸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)并搭建了壓應(yīng)力加載下煤粒瓦斯的吸附解吸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)共分為真空脫氣系統(tǒng)、煤樣儲(chǔ)存及應(yīng)力加載系統(tǒng)、充氣吸附系統(tǒng)、氣體解吸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)五大子系統(tǒng)。通過(guò)在不銹鋼煤樣罐中封入千斤頂來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)力對(duì)煤體顆粒的加載。采用o型圈密封形式改進(jìn)了千斤頂與罐體及法蘭與法蘭間在高壓情況下的密封效果。使用該系統(tǒng)能夠進(jìn)行壓應(yīng)力加載下煤粒瓦斯的吸附量及解吸量的測(cè)定工作。(4)壓應(yīng)力加載下不同氣體解吸特征的實(shí)驗(yàn)研究在不同氣體壓力環(huán)境中,通過(guò)對(duì)煤粒施加不同的壓應(yīng)力,研究了n2、ch4及co2的解吸特征。具體內(nèi)容如下:對(duì)吸附平衡壓力為0.6mpa及1.7mpa的煤粒分別進(jìn)行0-16mpa間幾個(gè)應(yīng)力階段的加載,測(cè)定其解吸曲線。通過(guò)langmuir型解吸方程對(duì)解吸曲線進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn),整體上來(lái)說(shuō)langmuir型方程說(shuō)可以很好的描述壓應(yīng)力作用下煤粒瓦斯的解吸曲線,尤其是放散初期的曲線,在后期的放散過(guò)程中,曲線的擬合效果逐漸變差。實(shí)驗(yàn)同時(shí)發(fā)現(xiàn),壓應(yīng)力對(duì)不同氣體的解吸過(guò)程均有促進(jìn)作用,隨著應(yīng)力的增大,三種氣體的解吸量出現(xiàn)了波動(dòng)式增大的特征。通過(guò)對(duì)解吸速度的擬合研究發(fā)現(xiàn),加載壓應(yīng)力后,解吸速度逐漸增大,同時(shí)解吸速度的衰減速度也將逐漸增大。另外,如果平衡壓力相同,加載應(yīng)力相同的條件下,三種氣體的初始解吸速度co2ch4n2。(5)三軸應(yīng)力作用下煤體滲透率演化規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究通過(guò)三軸滲透率測(cè)試實(shí)驗(yàn),研究煤體在從未受力至失穩(wěn)階段的滲透率演化規(guī)律。通過(guò)聲發(fā)射裝置監(jiān)測(cè)到的加載過(guò)程中的聲發(fā)射次數(shù)及聲發(fā)射能量研究煤體在加載過(guò)程中的破壞情況,并與煤體滲透率的測(cè)定結(jié)果相結(jié)合,研究壓應(yīng)力作用下煤體滲流率的演化特征。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在應(yīng)力加載初始階段,聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)很小,隨著應(yīng)力的增加聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)開(kāi)始出現(xiàn)明顯增加,當(dāng)煤體發(fā)生破壞后,聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)增速減小。應(yīng)力加載下的聲發(fā)射能量變化也具有相似的趨勢(shì)。聲發(fā)射信號(hào)的特征反映了煤體內(nèi)部的破壞情況,對(duì)應(yīng)煤體滲透率的演化特征。當(dāng)聲發(fā)射信號(hào)開(kāi)始密集時(shí),煤體滲透率也開(kāi)始升高。在全應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程中,煤樣滲透率出現(xiàn)了先降低,然后下降趨勢(shì)變緩再升高的特征。單軸應(yīng)變量與滲透率的關(guān)系近似“U”型曲線。(6)含瓦斯煤體流固耦合模型的建立及數(shù)值計(jì)算在建立的考慮吸附能力變化條件下的各向異性滲透率模型的基礎(chǔ)上結(jié)合多孔介質(zhì)彈性力學(xué)、Darcy定律及質(zhì)量守恒定律,建立了考慮吸附修正因子M與不考慮M的含瓦斯煤體流固耦合模型,并通過(guò)COMSOL Multiphysics軟件,對(duì)流固耦合模型進(jìn)行了數(shù)值解算,然后評(píng)估了Langmuir體積形變及內(nèi)膨脹因子對(duì)滲透率的影響。(7)應(yīng)力對(duì)瓦斯解吸及滲流的控制機(jī)理現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證通過(guò)結(jié)合井下現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力擾動(dòng)(工作面推進(jìn)速度、工作面來(lái)壓、掘進(jìn)工作面放炮)與瓦斯涌出量變化情況,分析井下動(dòng)力擾動(dòng)與瓦斯涌出量變化之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,驗(yàn)證壓應(yīng)力作用下應(yīng)力對(duì)瓦斯解吸及滲流的控制機(jī)理。工作面推進(jìn)速度、工作面來(lái)壓、掘進(jìn)工作面放炮都對(duì)工作面周圍的應(yīng)力分布造成了影響,而且通過(guò)對(duì)瓦斯涌出量監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn),在應(yīng)力擾動(dòng)造成工作面周圍的應(yīng)力改變時(shí),瓦斯涌出量也發(fā)生了改變,這種應(yīng)力變化與瓦斯涌出量之間的良好對(duì)應(yīng)關(guān)系說(shuō)明,工作面推進(jìn)速度、工作面來(lái)壓、掘進(jìn)工作面放炮通過(guò)改變含瓦斯煤體的受力情況影響瓦斯的解吸和滲流,進(jìn)而控制了工作面瓦斯的涌出量。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),壓應(yīng)力作用下應(yīng)力對(duì)瓦斯解吸及滲流的控制機(jī)理得到了很好的驗(yàn)證。
【關(guān)鍵詞】：吸附解吸 應(yīng)力 滲透率模型 流固耦合
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TD712
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-14
• 1 緒論14-26
• 1.1 論文選題背景及研究意義14-15
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀15-23
• 1.2.1 瓦斯解吸放散的影響因素15-18
• 1.2.2 煤體瓦斯解吸放散模型18-20
• 1.2.3 煤體滲透率影響因素20-23
• 1.2.4 含瓦斯煤滲透率模型23
• 1.3 存在的主要問(wèn)題23-24
• 1.4 主要研究研究目標(biāo)、內(nèi)容方法與技術(shù)路線24-26
• 1.4.1 主要研究目標(biāo)24
• 1.4.2 論文的主要研究?jī)?nèi)容24-25
• 1.4.3 研究方法及技術(shù)路線25-26
• 2 壓應(yīng)力對(duì)煤體瓦斯吸附及滲流率影響的機(jī)理分析26-58
• 2.1 壓應(yīng)力對(duì)煤體吸附能力的影響26-28
• 2.2 滲透率模型的建立28-56
• 2.2.1 新型滲透率模型建立的背景29-33
• 2.2.2 M吸附修正因子對(duì)滲透率的影響分析33-40
• 2.2.3 滲透率模型的建立40-49
• 2.2.4 模型的驗(yàn)證49-56
• 2.3 本章小結(jié)56-58
• 3 壓應(yīng)力對(duì)煤體瓦斯解吸規(guī)律影響的研究58-106
• 3.1 壓應(yīng)力對(duì)煤體瓦斯解吸規(guī)律影響的實(shí)驗(yàn)研究58-99
• 3.1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方法58-66
• 3.1.2 壓應(yīng)力對(duì)煤體瓦斯解吸累積解吸量的影響分析66-82
• 3.1.3 壓應(yīng)力對(duì)煤體瓦斯解吸速度的影響分析82-98
• 3.1.4 壓應(yīng)力對(duì)煤粒瓦斯解吸的影響機(jī)理分析98-99
• 3.2 構(gòu)造煤與原生結(jié)構(gòu)煤的吸附能力比較99-104
• 3.2.1 構(gòu)造煤與原生結(jié)構(gòu)煤的吸附能力比較99-101
• 3.2.2 煤與瓦斯突出機(jī)理分析101-104
• 3.3 本章小節(jié)104-106
• 4 三軸應(yīng)力作用下煤體滲透率演化實(shí)驗(yàn)研究106-124
• 4.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方法106-111
• 4.1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)106-108
• 4.1.2 煤樣的采集與制備108-109
• 4.1.3 實(shí)驗(yàn)方法109-111
• 4.2 三軸應(yīng)力作用下煤體破壞特征研究111-115
• 4.2.1 三軸應(yīng)力加載后煤樣聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)特征分析111-113
• 4.2.2 三軸應(yīng)力加載后煤樣聲發(fā)射能量特征分析113-115
• 4.3 三軸應(yīng)力作用下煤體滲透率演化規(guī)律分析115-122
• 4.3.1 全應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征115-118
• 4.3.2 三軸應(yīng)力作用下煤體滲透率演化規(guī)律分析118-122
• 4.4 本章小結(jié)122-124
• 5 含瓦斯煤體流固耦合模型的建立及數(shù)值分析124-140
• 5.1 含瓦斯煤體流固耦合模型的建立124-132
• 5.1.1 動(dòng)態(tài)孔隙率模型124-126
• 5.1.2 煤體變形控制方程126-127
• 5.1.3 氣體流動(dòng)控制方程127-128
• 5.1.4 含瓦斯煤體的流固耦合方程128-130
• 5.1.5 忽略M吸附修正因子的含瓦斯煤體的流固耦合方程130-132
• 5.2 數(shù)值分析132-138
• 5.2.1 邊界條件設(shè)置132-133
• 5.2.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析133-138
• 5.3 本章小節(jié)138-140
• 6 工作面采掘應(yīng)力擾動(dòng)對(duì)瓦斯解吸運(yùn)移規(guī)律的影響研究140-150
• 6.1 礦井概況140-141
• 6.2 8101回采工作面采動(dòng)應(yīng)力對(duì)瓦斯涌出的影響分析141-144
• 6.2.1 8101工作面概況141
• 6.2.2 工作面推進(jìn)速度對(duì)瓦斯涌出量的影響141-143
• 6.2.3 工作面來(lái)壓對(duì)瓦斯涌出量的影響143-144
• 6.3 炮掘工作面采動(dòng)應(yīng)力下的瓦斯涌出規(guī)律144-149
• 6.3.1 1011機(jī)巷炮掘工作面概況144
• 6.3.2 掘進(jìn)工作面放炮后的瓦斯涌出特征及其來(lái)源分析144-149
• 6.4 本章小結(jié)149-150
• 7 結(jié)論與展望150-154
• 7.1 結(jié)論150-152
• 7.2 創(chuàng)新點(diǎn)152
• 7.3 展望152-154
• 參考文獻(xiàn)154-166
• 致謝166-168
• 作者簡(jiǎn)介168

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4 本報(bào)記者　 陳曉軍;“西北第一瓦斯站”的尷尬[N];甘肅日?qǐng)?bào);2006年

5 白增安邋郭東;救援圍繞降低瓦斯?jié)舛日归_(kāi)[N];河北日?qǐng)?bào);2007年

6 張沉;山西的新瓦斯時(shí)代[N];經(jīng)濟(jì)觀察報(bào);2006年

7 記者 楊沛潔邋實(shí)習(xí)生 趙峰濤;瓦斯“惡魔”越來(lái)越“溫順”[N];平頂山日?qǐng)?bào);2007年

8 黃強(qiáng);逢春煤礦“瓦斯自動(dòng)放水器”安全效率高[N];經(jīng)理日?qǐng)?bào);2007年

9 胡明軍;打通一礦治理巖溶瓦斯有新招[N];經(jīng)理日?qǐng)?bào);2008年

10 張延穎;河北金牛葛泉礦新裝備筑牢瓦斯防線[N];中國(guó)礦業(yè)報(bào);2008年

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 董丁穩(wěn);基于安全監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的瓦斯?jié)舛阮A(yù)測(cè)預(yù)警研究[D];西安科技大學(xué);2012年

2 徐樂(lè)華;鉆孔初始瓦斯流量法預(yù)測(cè)石門(mén)揭煤突出危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)研究[D];中國(guó)礦業(yè)大學(xué);2015年

3 陳文勝;瓦斯水合固化過(guò)程熱效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究[D];中國(guó)礦業(yè)大學(xué);2015年

4 薛飛;無(wú)煤柱煤與瓦斯共采中抽采鉆孔采動(dòng)破壞機(jī)理研究[D];中國(guó)礦業(yè)大學(xué);2015年

5 倪冠華;脈動(dòng)壓裂過(guò)程中瓦斯微觀動(dòng)力學(xué)特性及液相滯留機(jī)制研究[D];中國(guó)礦業(yè)大學(xué);2015年

6 趙勇;低頻機(jī)械振動(dòng)含瓦斯煤耦合場(chǎng)滲流特性研究[D];西安科技大學(xué);2015年

7 吳立云;“三軟”煤層瓦斯參數(shù)變化特征及突出預(yù)警模型研究[D];河南理工大學(xué);2014年

8 胡泊;壓應(yīng)力作用下煤體瓦斯解吸及滲流規(guī)律研究[D];中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京);2016年

9 李剛;瓦斯?jié)舛鹊姆中畏治雠c混沌預(yù)測(cè)模型研究[D];中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）;2009年

10 劉彥偉;煤粒瓦斯放散規(guī)律、機(jī)理與動(dòng)力學(xué)模型研究[D];河南理工大學(xué);2011年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 董駿;井下瓦斯?jié)舛葯z測(cè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)[D];河北聯(lián)合大學(xué);2014年

2 班擎宇;義忠煤礦突出危險(xiǎn)聲—電—瓦斯前兆規(guī)律及預(yù)警技術(shù)研究[D];中國(guó)礦業(yè)大學(xué);2015年

3 申宏敏;順層鉆孔抽采瓦斯固—?dú)怦詈夏Ｐ图霸邳S巖匯礦的應(yīng)用研究[D];中國(guó)礦業(yè)大學(xué);2015年

4 賈靳;海孜煤礦86采區(qū)7#煤層粉化煤體瓦斯解吸規(guī)律研究[D];中國(guó)礦業(yè)大學(xué);2015年

5 張欣雨;基于改進(jìn)Lyapunov指數(shù)的煤礦井下瓦斯?jié)舛阮A(yù)測(cè)研究[D];山西大學(xué);2015年

6 陳樹(shù)亮;含瓦斯煤層水力致裂的瓦斯驅(qū)趕實(shí)驗(yàn)研究[D];中國(guó)礦業(yè)大學(xué);2015年

7 譚玉林;煤層群上位煤層開(kāi)采瓦斯運(yùn)移規(guī)律及治理研究[D];湖南科技大學(xué);2015年

8 劉少博;新義礦順層抽采鉆孔瓦斯運(yùn)移規(guī)律及封孔技術(shù)研究[D];河南理工大學(xué);2014年

9 盛鍇;基于多場(chǎng)耦合大直徑鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯技術(shù)研究[D];河南理工大學(xué);2014年

10 薛王龍;掘進(jìn)工作面水力割縫抽采瓦斯的數(shù)值模擬研究[D];太原理工大學(xué);2016年

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本文編號(hào)：954112