低渗透煤层瓦斯抽放理论与应用研究-后采矿工程专业毕业论文.pdf.docx

太原理工大学博士研究生学位论文低渗透煤层瓦斯抽放理论与应用研究 太原理工大学博士研究生学位论文 低渗透煤层瓦斯抽放理论与应用研究 摘要 在煤矿开采中，瓦斯灾害一直是威胁煤矿安全生产的主要灾害之一。 虽然国内外学者在瓦斯治理方面进行了大量艰苦的工作，但收效甚微。 目前，本煤层瓦斯预抽放措施仍然被认为是预防瓦斯灾害最有效的方法 之。。。但是，随着煤层开采深度的增加，煤层透气性随之减小，从而严 重影响了煤层瓦斯的抽放率和瓦斯抽放效果。因此，解决低渗透煤层的 瓦斯抽放已成为确保煤矿安全生产，提高煤矿生产效率的关键环节。随 着社会经济的发展和人类对能源需求的增大，煤层气资源的开发与利用 也日益倍受关注。我国的绝大多数煤田均为低渗透煤层，因此开展低渗 透煤层的瓦斯抽放研究具有重要的社会价值和经济效益。 本文首先较详细地分析了我国的煤层气的形成条件，基本特征，资 源状况和煤层气的开发利用现状，回顾了瓦斯抽放的现状和存在的问题， 总结了目前广泛使用的多种瓦斯抽放方法的特点及其适用条件，阐释了 瓦斯流动理论以及各种煤层气储层数学模型的研究现状，提出了本煤层 水力割缝改造低渗透煤层的基本研究思想和理论，并进行了以下主要的 研究工作： l、以孔隙介质逾渗理论、概率论为基础，提出了孔隙裂隙双重介质 的逾渗研究方法。采用数值模拟的方法研究了孔隙裂隙双重介质的逾渗 现象及逾渗阂值分布规律，揭示了孔隙裂隙双重介质逾渗的基本特性。 太原理工大学博士研究生学位论文研究表明，孔隙裂隙双重介质的逾渗阈值不是一个定值，而是孔隙率(肝)、 太原理工大学博士研究生学位论文 研究表明，孔隙裂隙双重介质的逾渗阈值不是一个定值，而是孔隙率(肝)、 裂隙分形维数(_D)、裂隙数量分布初值(No)三个变量的函数，其数学 表达式为： ．f(n，ND，D)=n；7一一NoExp(一9．8687)‘Exp(4．7917D)， 其中，”?～孔隙介质逾渗阈值，”一孔隙裂隙介质的孔隙率，％一孔隙裂 隙介质的裂隙数量分布初值，口～孔隙裂隙介质的裂隙分形维数。当 f(n，No，D)≥0时，孔隙裂隙双重介质内部出现逾渗团，介质可渗透，反之 介质内部没有逾渗团、不可渗透。 2、通过对我国十多个煤矿的煤层进行逾渗模拟计算，得到了煤体的 逾渗概率(p)与渗透系数(丘)之间的关系为： K=O．1468Exp(2．8197p) 以煤体逾渗概率为依据，提出了煤体渗透性的逾渗分类方法，为煤体渗 透性分类提供了新的方法。 3、通过对潞安矿业集团3#煤层煤样进行钻孔及水力割缝抽放的大 型三维固流耦合实验研究，揭示了水力割缝提高低渗透煤层瓦斯抽放率 的机理和割缝的瓦斯排放规律。实验结果表明，煤体割缝后，瓦斯的初 期排放速度和排放量显著增加，对400米埋深的煤层，割缝可使初期排放 速度提高3倍，排放量提高4倍；对800米埋深的煤层，割缝可使初期排放 速度提高16倍，排放量提高9倍，并大幅度提高了瓦斯抽放速度。 通过室内实验研究，揭示了瓦斯排放过程中煤体有效应力的变化规 律，即随着排放时间延长，瓦斯压力(p)随时间变化遵循指数衰减规律： P=a．Exp(一b，f)；煤体有效应力(Gi)随时间变化遵循对数增加规律： 。．：aIn(t)+b；有效应力系数(a)随时间变化遵循对数减小规律： 2 太原理工大学博士研究生学位论文口：口一bln(O；在瓦斯排放过程中有效应力系数与煤体有效体积应力(曰’) 太原理工大学博士研究生学位论文 口：口一bln(O；在瓦斯排放过程中有效应力系数与煤体有效体积应力(曰’) 及瓦斯压力(p)遵循双线性关系：口=‰一qo’一a2P+a30’P。 通过室内实验研究，发现煤体割缝过程中发生煤与瓦斯喷出的现象。 喷出强度与煤层埋深有关，埋深越大，强度越大。在800米深度地压作 用下，割缝排出的煤体量约为试件体积的10％，煤体卸压彻底，抽放效果 明显；在400米深度地压作用下，割缝排出的煤体量仅为试件体积的2％。 采用数值实验方法研究了煤体的非均质参数与煤体突出指标E／A值的关 系，结果表明；黝值与非均质参数m之间呈指数关系： (E／A)=3．0131·(m一1)“ 6。 4、煤体是孔隙裂隙双重介质，由于孔隙、裂隙的存在，使得煤体的 强度与渗透系数的均匀性极差，它的表征单元体积(REV)线性尺度不易 确定，不能较准确的描述煤体的物理特性。通过引入非均质参数，描述 煤体的强度与渗透系数，并将它们用到以连续介质为基础而建立的煤体 变形与瓦斯渗流的固气耦合数学模型中，实现了用连续、拟连续介质的 固气耦合模型解决孔隙一裂隙双重介质模型、块裂介质模型的固气耦合 模型的问题，不仅简化了理论，而且大大地简化了数值计算模型的建立。 论文详细论述了非均质固体变形与气体渗流的耦合数学模型的建立及其 解法，以及非均质模型的构建