煤層瓦斯是一種重要的清潔能源,而影響其運移規(guī)律的主要參數(shù)為擴散和滲流。當開采進入深部高應力區(qū)域,煤層瓦斯抽采相對困難,利用以經(jīng)典雙重孔隙裂隙煤體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的氣體運移模型預測瓦斯產(chǎn)量效果較差。這主要是由于高應力條件下煤體物理結(jié)構(gòu)變化,從而影響了瓦斯氣體的擴散和滲流運移規(guī)律。本文主要采用巖石力學、流體力學、滲流力學、吸附科學、分形幾何學、擴散動力學等理論知識,利用流體侵入法、掃描電鏡法、CT處理法、自主研制的高應力煤體擴散特性測試裝置等不同實驗手段,分析了煤體孔隙擴散和裂隙滲流系統(tǒng);并結(jié)合以基質(zhì)微元體概念為基礎(chǔ)的高應力煤體擴散模型,獲取了不同應力條件下有效體擴散系數(shù)和體擴散系數(shù)的演化規(guī)律;利用裂隙結(jié)構(gòu)中的巖橋物質(zhì)對應力的工程和自然應變響應規(guī)律,建立相應的滲透率演化模型;最終,構(gòu)建了適用于深部高應力煤層瓦斯運移的氣固耦合模型,得到的主要結(jié)論如下:1)采用多種測試手段從不同角度表征了煤的孔裂隙系統(tǒng)。基于分形維數(shù)理論和壓汞法確定了孔隙擴散和裂隙滲流系統(tǒng)的分界孔徑,對于比表面積分形和孔容分形,可知研究樣品中1-3 mm顆粒煤和塊狀煤的分界孔徑基本均處于30-40nm之間,兩種分形方法獲取的分界孔徑較為接近。煤體孔隙率在高應力狀態(tài)下對應力變化的敏感度較低,反應了裂隙滲透率變化幅度較小,說明了裂隙在高應力狀態(tài)基本處于“閉合”形態(tài)。結(jié)合孔裂隙系統(tǒng)中氣體的運移規(guī)律,建立了不同運移行為對瓦斯產(chǎn)量主控作用轉(zhuǎn)換模型。2)煤的形態(tài)差異造成擴散特性不同�；谌^程解吸量與時間關(guān)系,建立了考慮吸附態(tài)瓦斯損失量的煤粒擴散模型,結(jié)果表明粒徑為0.2-0.25 mm和1-3mm樣品的擴散系數(shù)大約在1×10~(-11) m~2/s-2×10~(-11) m~2/s和1.1×10~(-9) m~2/s-1.7×10~(-9)m~2/s之間,說明粒徑越大擴散系數(shù)越大。此外,以圓柱體形狀為基質(zhì)單元,建立了無應力狀態(tài)下圓柱體和立方體形狀煤體擴散模型,在不同吸附平衡壓力條件下,兩者的擴散系數(shù)分別大約在0.8×10~-1010 m~2/s-3.3×10~-1010 m~2/s和0.76×10~-1010 m~2/s-1.95×10~-1010 m~2/s之間,同處相同量級。0.2-0.25 mm顆粒煤與圓柱形態(tài)煤體擴散系數(shù)量級相同,但相同時間單位質(zhì)量煤解吸量卻相差2-2.5倍左右,這主要是由于兩種形態(tài)煤的基質(zhì)形狀因子存在差異,而形狀因子同樣是影響解吸擴散量的重要因素,經(jīng)計算0.2-0.25 mm顆粒煤的形狀因子大約是圓柱形態(tài)煤的26.5倍。3)探討了高應力對煤體物理結(jié)構(gòu)的改造作用。分別從CT和滲透率實驗來研究煤體裂隙空間隨應力變化的演化特性,獲取高應力狀態(tài)下煤體結(jié)構(gòu)特征,并基于此將煤體看作由無數(shù)連通的孔隙外加煤實體組成的一個拓撲形態(tài)網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)中存在無數(shù)個相似的局部孔隙系統(tǒng),而局部孔隙系統(tǒng)是以氣體分子擴散長度為量綱截取基質(zhì)微元體,從而提出了高應力狀態(tài)下煤體的孔隙網(wǎng)絡(luò)拓撲微元體結(jié)構(gòu)模型。同時,在一定的合理假設(shè)條件下,提出了擴散長度與應力之間滿足Langmuir形式的理論關(guān)系,建立了考慮應力因素的高應力煤體擴散模型。4)獲得高應力煤體自然放散條件下擴散系數(shù)規(guī)律。應力為20 MPa、30 MPa和40 MPa的不同吸附平衡壓力下,體擴散系數(shù)和有效體擴散系數(shù)分別處于1.83×10~(-19) m~2/s-7.02×10~(-19) m~2/s和5.6×10~(-6) 1/s-25.41×10~(-6) 1/s之間。并且高應力煤體的體擴散系數(shù)和有效體擴散系數(shù)均是隨著吸附平衡壓力增加而增加的;但在相同吸附平衡壓力前提下,煤體應力越大,體擴散系數(shù)越大,而有效體擴散系數(shù)越小。相比無應力煤體,高應力煤體因應力因素造成物理結(jié)構(gòu)發(fā)生改造,引起擴散形式轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛿U散能力的表面擴散為主,這也是造成高應力煤層瓦斯難抽采的重要因素之一。5)獲取高應力煤體逐級放散條件下擴散系數(shù)規(guī)律。不同放散壓力梯度對瓦斯擴散性能同樣影響較大,以40 MPa應力及5 MPa瓦斯平衡壓力為實驗基礎(chǔ),獲得當壓力梯度均為1 MPa時,體擴散系數(shù)最大為1-0.1 MPa對應的9.96×10~(-19)m~2/s,最小值為5-4 MPa對應的3.21×10~(-19) m~2/s,說明體擴散系數(shù)在邊界條件壓力遞減過程中是逐步增加的;而對于不同放散壓力梯度5-4 MPa、5-2 MPa和5-0.1 MPa實驗,體擴散系數(shù)分別為3.21×10~(-19) m~2/s、6.37×10~(-19) m~2/s和7.02×10~(-19)m~2/s,體現(xiàn)了壓力梯度越大,體擴散系數(shù)越大。6)構(gòu)建基于不同裂隙應變響應模式的滲透率演化模型。根據(jù)滲透率受控于有效應力變形和吸附膨脹變形共同影響,獲得了滲透率演化中回彈和恢復機制;研究固定參數(shù)條件下,儲層初始壓力和裂隙壓縮系數(shù)對滲透率回彈和恢復影響,獲取瓦斯壓力達到閾值后,滲透率均會出現(xiàn)回彈和恢復現(xiàn)象;而對于內(nèi)部膨脹系數(shù)而言,則相反,煤體滲透率始終不會出現(xiàn)回彈和恢復現(xiàn)象。7)運用多場氣固耦合模型分析煤層瓦斯運移規(guī)律。分別采用適用于深部高應力和淺部低應力煤體的多場氣-固耦合模型,獲取兩種應力區(qū)域下煤體瓦斯的運移特性,對比分析獲取了深部高應力煤體瓦斯難以抽采的本質(zhì)原因為煤體物理結(jié)構(gòu)模型改造。此外,針對于深部煤層瓦斯抽采量主控因素轉(zhuǎn)換關(guān)系展開數(shù)值研究,可知滲流起到主控作用相比于擴散作用的時間較短,深部煤層瓦斯的流動基本受控于擴散機制。最終,利用壓降系數(shù)探討了抽采鉆孔互擾情況,獲取了梯形布孔模式效果是優(yōu)于矩形模式、菱形模式的。該論文有圖95幅,表32個,參考文獻213篇。
【學位單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：TD712
【部分圖文】：

，這主要是由于在利用擴散模型時，顆粒形態(tài)可以很好的克服模型部分假設(shè)規(guī)定的條件。如果單純的從顆粒煤擴散特性測試的實驗方法進行分類，主要由三類：壓力法、容積法和重量法[27,88-90]。其中，壓力法和容積法需要非常準確地測定樣品罐和空隙體積，而對于壓力法中氣體吸附量是通過讀取記錄的壓力數(shù)值進行計算的，容積法則是可以通過記錄的壓力或氣體體積計算。重量法則是利用在一個精確平衡的恒壓條件下讓樣品機械懸浮通過磁力聯(lián)軸器懸掛在高壓容器壁上，從而計算氣體的吸附量。而這三種測試方法運用到實驗儀器示意圖，如圖1-1所示。圖1-1顆粒煤擴散特性測試裝置[91]Figure1-1Diffusioncharacteristictestingdeviceofcoalparticle壓力法是運用最為廣泛的一種，主要是通過監(jiān)測樣品罐和參考罐中氣體在解

孀瘧渲?程度的增加擴散系數(shù)是先迅速降低后緩慢增長，而在濕潤煤體中的擴散系數(shù)是小于干燥煤體的�；U散法盡管可以有效消除煤中由于壓力梯度形成的滲流行為，但缺點依舊很明顯，即穩(wěn)定狀態(tài)的形成需要較長時間，并且該方法只能在低壓下進行，這種低壓狀態(tài)與深部三高狀態(tài)（高應力，高壓力、高含量）煤層是不太相符的，因而獲得的擴散系數(shù)能否利用于深部煤層瓦斯抽采還是存在較大疑問。Chen[109]利用互擴散設(shè)備測定了一些人造和天然孔隙介質(zhì)的擴散系數(shù)，系統(tǒng)地研究了穩(wěn)態(tài)擴散系數(shù)與介質(zhì)的孔隙率、滲透率和連通性的關(guān)系。圖1-2煤體擴散特性測試裝置Figure1-2Diffusioncharacteristictestingdeviceofcoalmass除了上述兩種比較經(jīng)典的利用煤（巖）體作為研究對象的擴散系數(shù)測定實驗，其它學者還依據(jù)自身的理論設(shè)計了一些實驗儀器及計算方法來獲取煤巖體或類似物質(zhì)的擴散系數(shù)。Zhao[110]基于二次互擴散中的瞬態(tài)流設(shè)計了一種新的測試煤體擴散系數(shù)的實驗裝置以及相對應的數(shù)學模型，其主要的工作原理是首先將圓柱形樣品放置于罐體中，并注入高壓的甲烷氣體使得煤體得以達到吸附平衡狀態(tài)，而此時罐體中的甲烷濃度即使煤體內(nèi)部甲烷的濃度；接著與罐體中相同瓦斯壓力的氦氣注入進入罐體中，且此時需要抽出罐體中的混合氣體到固定體積的容器中以保證罐體中的氣體壓力恒定，經(jīng)過這一系列措施，同一種氣體在煤體內(nèi)外環(huán)境下一定的濃度差形成了甲烷/氦氣的擴散。該實驗方法的優(yōu)點是可以盡可能的減小大孔隙中氣體的流動對微孔隙中氣體流動的影響，因為大孔隙中的氣體流動規(guī)

1緒論15化模型；在此基礎(chǔ)上，分析模型演化過程中影響滲透率回彈和恢復效應的因素。5）氣固耦合模型在深部煤層瓦斯抽采工程應用基于對深部高應力煤體擴散和滲流特性研究結(jié)果，結(jié)合應力變形方程，構(gòu)建適用于深部高應力煤體的氣固耦合模型；通過對比高應力和低應力煤體瓦斯抽采過程中壓力和流量的演化規(guī)律，獲取煤體物理結(jié)構(gòu)的改變是造成深部高應力煤體瓦斯難以抽采的本質(zhì)原因；同時運用耦合模型解算瓦斯抽采過程中主控因素角色轉(zhuǎn)換關(guān)系，以及分析多孔之間的互擾情況并探討了布孔模式。1.4.2研究思路本文主要運用巖石力學，流體力學，滲流力學，吸附科學，擴散動力學和表面化學等理論方法，采用理論分析，實驗室試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的手段，圍繞深部高應力條件下煤體物理結(jié)構(gòu)特性，開展煤體孔裂隙系統(tǒng)中瓦斯運移規(guī)律的相關(guān)研究。首先采集相關(guān)樣品，運用多種表征手段描述煤的孔裂隙系統(tǒng)，并建立不同瓦斯運移形態(tài)對產(chǎn)量主控作用轉(zhuǎn)換模型；針對于不同形態(tài)煤體，分別構(gòu)建合適的擴散模型描述其擴散特性并分析差異性；結(jié)合CT掃描和滲透率測定實驗研究高應力條件下煤體物理結(jié)構(gòu)，并基于應力參數(shù)及擴散長度，構(gòu)建高應力煤體擴散動力學模型，利用該模型分析自然和逐級降壓條件下煤體的放散特性；從裂隙結(jié)構(gòu)對不同應變響應模式的角度，建立了一種新的滲透率演化模型，并分析其滲透率恢復和回彈現(xiàn)象；最后通過建立的適用于深部高應力煤體的氣固耦合模型，研究了不同背景下的工程應用。本次的研究工作深化了對深部高應力煤層瓦斯運移規(guī)律的認識，可為深部高應力煤層瓦斯抽采提供理論基矗論文的技術(shù)路線如圖1-3所示。圖1-3技術(shù)路線圖Figure1-3Structurechartoftechnicalroute
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本文編號：2861366