沿抽采井筒的煤储层渗透率模型研究

渗透率是表征瓦斯流动的重要参数,为保证煤矿瓦斯安全高效抽采,有必要探究距抽采井筒不同位置处煤层瓦斯渗流演化特征。然而,瓦斯抽采过程中伴随有效应力、煤基质对瓦斯的吸附/解吸能力以及煤储层温度的不断变化,甚至出现抽采损伤,使得煤层瓦斯运移行为异常复杂。为探究抽采过程的煤层瓦斯渗流特性,在圆柱坐标系下,考虑压力场与温度场变化对煤储层渗透率的影响,构建温度影响的孔隙压力时空演化函数,据此建立应力与温度作用下的煤储层渗透率模型。结果表明:建立的模型能合理描述沿抽采井筒孔隙压力的演化规律以及瓦斯的运移特性,即在恒定外应力的条件下,随抽采时间增加,不同位置处孔隙压力先降低后变化平缓,煤储层渗透率先降低后升高;此外,同一煤储层位置处,考虑温度比不考虑温度的渗透率计算值更低;通过讨论发现,随抽采时间增加,根据裂隙压缩与基质收缩对渗透率演化的不同效应,设置合理的负压抽采方式可提高瓦斯抽采量。      

采动诱导应力集中对顺层钻孔瓦斯抽采影响的试验研究

利用自主研发的多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统,开展受采动影响导致工作面前方不同应力分布条件下的顺层钻孔瓦斯抽采物理模拟试验,对抽采过程中卸压区、应力集中区和原始应力区的煤层瓦斯压力、钻孔抽采流量、应力敏感系数和无因次渗透率等参数演化规律进行分析。试验结果表明,(1)在瓦斯抽采过程中钻孔周围瓦斯压力下降速率先快后慢,越靠近钻孔的瓦斯压力等压线越为密集,瓦斯流速越大,钻孔周围瓦斯压力梯度先增大后减小;(2)随着采动应力集中系数增大,煤层渗透率降低,瓦斯抽采流量减小,其中采动应力水平最大的应力集中1区瓦斯抽采流量最小,而应力水平最小的卸压区抽采流量最大;(3)应力集中区的应力敏感系数高于卸压区和原始应力区,而该区域无因次渗透率下降速率最慢。     

开采扰动下考虑损伤破裂的深部煤体渗透率模型研究

为了研究深部煤体在开采扰动影响下的渗透率演化规律,以三向应力条件下的煤体渗透率模型为基础,从吸附解吸作用引起裂隙变形和损伤破裂造成煤基质弹性模量劣化的角度进行理论推导,引入内膨胀应变系数的概念,同时基于Drucker-Prager破坏准则的损伤本构关系建立了两种考虑煤体损伤破裂的渗透率演化模型——指数型和立方型,并且对常规三轴加载、开采扰动加卸载和改变气体压力下的瓦斯渗透试验结果进行了拟合分析。结果表明：所构建的两种模型可以较好地反映常规三轴加载和开采扰动加卸载下煤体渗透率的分区段变化特征,也可以描述有效围压恒定条件下煤体渗透率随气体压力升高而降低的规律。在开采扰动加卸载和改变气体压力的试验中,指数型的拟合效果略优于立方型。研究结果可为深部煤炭开采及瓦斯抽采的工作提供指导。     

静态致裂作用下低渗厚煤层瓦斯增透数值模拟研究

为提高煤层静态致裂井下作业效率,优化致裂布孔参数,以中煤华晋王家岭矿12316综采工作面胶带巷为实验背景,结合煤层变形破坏方程、瓦斯扩散渗流方程和煤层渗透率演化方程,构建煤层破坏及渗透率演化模型;采用FlAC^3D-COMSOL Multiphysics对煤体静态致裂增透过程及影响因素进行数值模拟,揭示静态致裂作用下煤层应力分布、塑性扩展与瓦斯压力传递演化规律。通过优化选取致裂工艺参数开展现场试验,定量分析不同孔距下静态致裂过程中煤层瓦斯抽采量的变化特征。结果表明：静态致裂过程中膨胀应力在煤体内部沿致裂孔半径方向向四周均匀传递,单孔致裂过程中形成圆环状应力圈和塑性区;在双孔致裂条件下,两致裂孔内膨胀应力的水平叠加效果优于竖直叠加效果,使煤体水平方向破坏效果较竖直方向显著,且两致裂孔中间区域的煤层先于其他区域破坏。受静态致裂作用范围的限制,增透促抽后煤层内瓦斯压力大小与孔距呈正相关关系,煤层渗透率与孔距间呈负相关关系;现场试验表明,将孔距设为1.6 m以内进行静态致裂增透,在抽采负压为20 kPa条件下抽采30 d,测得致裂后瓦斯抽采纯量提升1倍左右,说明静态致裂对瓦...     

采掘扰动与温度耦合影响下工作面前方煤体渗透率模型研究

为了探究采掘扰动和温度变化对工作面前方煤体渗透率的影响,将引起煤体裂隙变形的因素划分为有效应力、吸附解吸和热膨胀3部分。基于损伤力学、吸附理论和热应力理论推导出了采掘扰动与温度耦合作用下煤体裂隙应变表达式,进而构建了采掘扰动与温度耦合影响下工作面前方煤体渗透率模型。结合改变温度、同时改变扰动应力和温度的两种渗透率试验结果对所建立的模型适用性进行了拟合分析,并对模型中的参数敏感性进行了讨论。结果表明:所构建的煤体渗透率模型可以较好地描述采掘扰动与温度耦合影响下煤体渗透率的演化过程;在同一温度下,煤体渗透率随着内膨胀应变系数的增大而增大,随着热内膨胀应变系数的增大而减小。研究结果可为煤炭开采及瓦斯抽采的工作提供指导。     

基于塑性变形的煤体损伤本构关系及渗透率模型研究

开采扰动诱发的煤与瓦斯突出是煤矿生产过程中的主要瓦斯动力灾害之一。为系统探索开采扰动下煤体损伤演化特征和瓦斯渗流规律,拟开展不同瓦斯压力下全应力应变–渗流实验。通过考虑气体吸附和热膨胀效应修正广义胡克定律,建立基于塑性变形的煤体损伤本构关系,进一步构建考虑损伤的分段渗透率模型。结果表明:以渗透率突变点为界,可将煤体渗透率分为峰前和峰后2个变化阶段。其中,峰前呈指数型降低,而峰后急剧增加,峰值抗压强度和弹性模量均随着瓦斯压力升高而降低;煤体轴向塑性应变和损伤演化规律具有良好的一致性,二者均呈现出峰前变化不大,峰后激增的变化趋势;利用不同瓦斯压力和50℃实验数据对所建的损伤模型及渗透率模型进行验证,得到理论曲线和实验数据具有较好的吻合度,表明新建模型可较好地反映不同条件下煤体破坏失稳过程中的损伤演化规律和瓦斯渗流特征。      

损伤和剪胀效应对裂隙煤体渗透率演化规律的影响研究

煤层瓦斯渗透率是影响瓦斯抽采和动力灾害防治的重要参数。为了研究煤体损伤和剪胀变形对渗透率的影响,首先引入损伤变量反映煤体损伤破坏状态,建立了基于体应变增量的煤体损伤本构模型。并采用Hurst指数表征裂隙表面粗糙度,基于裂隙表面的分形特征,建立了裂隙渗透率在压缩和剪切作用下的演化模型。通过对TOUGH2和FLAC3D软件进行二次开发,建立了基于双重孔隙模型的TOUGH2(CH4)-FLAC气-固耦合数值分析工具。采用本软件对煤样单轴压缩过程进行模拟分析,结果表明：煤体的破坏是损伤单元累积和贯通的结果,最终形成贯通煤体的损伤带是造成煤体失稳破坏的主因;围岩内的渗透率增加区域与损伤区位置基本一致,其中裂隙系统的渗透率增加幅度最大可达2个数量级;剪切破坏区的裂隙发生剪胀变形,引起裂隙渗透率大幅增加。建立的理论模型与数值计算工具为制定瓦斯治理措施提供了理论指导。     

顺层钻孔布置间距对煤层瓦斯抽采效果影响的物理模拟试验研究

基于自主研发的多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统,开展了不同顺层钻孔布置间距条件下的瓦斯抽采物理模拟试验,对瓦斯抽采过程中煤层瓦斯压力及抽采流量的演化规律进行了探讨。研究结果表明:煤层内不同测点的气压随着与抽采管之间距离的减小,下降速率加快;当受抽采叠加效应影响时,在相同距离条件下抽采管之间区域的气压下降速率大于外侧,且在抽采开始后该气压差异迅速到达峰值后呈下降趋势,而距离抽采管越近的区域,或随钻孔布置间距增加,叠加效应均减弱;在煤层垂直于钻孔的断面上,气压梯度与抽采瞬时流量存在幂函数关系,随着钻孔布置间距减小,或数量增加,同一位置的气压下降速率增大,抽采瞬时流量下降速率加快,累计流量增加,煤层渗透性系数ɑ值增大,说明煤层瓦斯抽采效率更高。研究结果可为现场合理布置抽采钻孔提供一定的理论依据。     

煤层瓦斯卸压抽放动态过程的气-固耦合模型研究

根据瓦斯渗流与煤体变形的基本理论,引入煤体孔隙变形与透气性演化的耦合作用方程,建立了考虑煤层吸附、解吸作用的含瓦斯煤岩固-气耦合作用模型。应用该模型模拟研究了不同压力影响下瓦斯抽放过程中煤层透气性的演化和抽放孔周围瓦斯压力的变化规律,其结果对于深入理解瓦斯抽放作用机制并采取相应的瓦斯预防和控制措施等具有重要的理论和实践意义。     

卸压区不同钻孔长度抽采条件下瓦斯运移特性试验

研究抽采过程中瓦斯运移特性有助于了解抽采气体来源、不同位置对抽采效果的贡献及抽采降压规律,为合理确定抽采时间、设计抽采位置和钻孔长度等提供依据。利用自主研发的多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统,开展了卸压区不同钻孔长度条件下瓦斯抽采的物理模拟试验,分析了抽采过程中煤层瓦斯运移相对速度和方向特征。研究结果表明：抽采前期和钻孔周围区域分别是抽采量主要贡献时期和区域,瓦斯压力梯度大,流动快。卸压区瓦斯流动相对速度最快,应力集中区使得瓦斯相对流动速度衰减加速,且对原始区的瓦斯流动形成一道屏障,使其相对流动速度趋于0。随着抽采时间的增加,瓦斯相对流动速度逐渐衰减,对于瓦斯运移方向而言,抽采一旦开始便在煤层中形成了较为固定的运移通道,但在抽采后期和钻孔深部区域,由于瓦斯压力梯度小,流动缓慢,运移方向的不稳定性增强。而随着钻孔长度增加,卸压区内瓦斯相对流动速度表现出增大的趋势,因此,适当增大卸压区钻孔长度将有利于现场瓦斯开采。     

不同温度条件下气体压力升降过程中瓦斯运移规律的试验研究

利用自主研发的含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,对不同温度条件下型煤试件在气体压力升降过程的渗流特性进行了试验研究,以模拟随采深增加引起的地温升高条件下煤的渗透特性。同时,为探讨低渗储层的滑脱效应进行了相同条件下氦气的平行试验。研究结果表明：（1）升压阶段,轴向应变增大,径向应变减小,近似呈线性变化;降压阶段,随气体压力降低,应变呈现出与升压阶段相同的变化趋势。随温度升高,应变随气体压力变化的斜率增大。（2）升压阶段,随气体压力升高,渗透率呈二次抛物线型变化,约在气体压力为3.0 MPa左右到达最小;降压阶段,随气体压力减小,渗透率先略有减小后增大,升压阶段渗透率大于降压阶段渗透率。（3）升压阶段滑脱效应引起的渗透率变化量大于降压阶段的变化量,且滑脱效应所引起的渗透率变化量随气体压力增加呈幂指数函数降低。     

软煤夹层水射流层状卸压增透抽采瓦斯数值模拟及试验

水力冲孔是煤层瓦斯增透抽采的主要技术措施,其主要以出煤量考察卸压效果,但是也存在出煤量大、卸压不均一、应力易集中等问题。因此,提出软煤夹层水射流层状卸压增透抽采瓦斯技术,考虑瓦斯压力压缩和煤基质吸附瓦斯膨胀对本体变形的影响,建立应力场、裂隙场、渗流场耦合条件下的多物理场理论模型,并结合COMSOL数值模拟软件对软煤夹层水射流分支数、卸压影响范围内煤体的瓦斯压力和瓦斯含量变化规律进行了研究。研究表明:当水射流分支长半轴为2 m,短半轴为0.22 m时,水射流分支数为6个时较为合理;在相同出煤率情况下,相同时间内瓦斯压力和含量均随着与钻孔距离的增加而减小,抽采180 d,水射流层状卸压有效抽采半径约为常规水力冲孔有效抽采半径的2.14倍,且在有效影响范围2 m时,水射流层状卸压瓦斯含量降低量为7 m3/t,而常规水力冲孔瓦斯含量降低量为4.1 m3/t,水射流层状卸压瓦斯降低量为常规水力冲孔的1.71倍;在新义煤矿现场试验中发现,当水射流层状卸压出煤率为常规冲孔出煤率的0.29~0.71倍,抽采较高浓度瓦斯时长仍是常规水力冲孔的2倍。软煤夹层水射流层状卸压增透抽采瓦斯技术的提出,对未来煤矿井下软煤夹层水力冲孔技术的发展有着重要的意义,为井下瓦斯的治理提供了新的方法和方向。      

高压水及负压加载状态下三轴应力渗流试验装置的研制

针对目前相关的三轴渗流试验装置缺乏高压水及负压加载功能而不能对高压水及负压加载状态下煤样瓦斯渗流规律进行研究这一问题,研制出了煤样试件出口负压可调并可对其进行高压水加载的新型三轴应力渗流试验装置。该装置主要由三轴应力加载系统、气体渗透系统、水力压裂控制系统、气体流量测试系统、传感与控制系统5部分组成,能够进行高压水及负压载荷下的各种单轴与三轴渗流试验。研究表明,该装置能够模拟抽采钻孔负压状态下煤体内的瓦斯运移规律及考察高压水对煤体的压裂效果,在实验室能完成对煤体试样负压状态下的渗流规律研究以及试件采取水力压裂措施后的增透效果考察。     

Experimental study on the effects of the moisture content of bituminous coal on its gas seepage characteristics

Moisture content is the main factor affecting the occurrence and flow of gas in bituminous coal and restricts the gas permeability of the coal seam, which affects the effectiveness of gas extraction from the coal seam directly. In order to study the influence of moisture content on the gas seepage characteristics of bituminous coal, this paper focused on bituminous coal from the Xutuan coal mine and used a bespoke laboratory unit called a Gas Flow and Displacement Testing Apparatus (GFDTA). The moisture content of bituminous coal was measured, and the axial and radial gas seepage experiments of bituminous coal under different moisture content conditions were carried out. The average original moisture content (1.3%) and the average saturated moisture content (2.4%) of the bituminous coal sample were obtained. It was observed that, with the increase of time, the original moisture content of the coal decreased with a negative exponential function and the wetting moisture content increased with an Exponential Association function. The gas axial seepage experimental results showed that when the moisture content was lower, the coal adsorbed CH₄; when the moisture content was higher than M_ad, the two fields of gas and liquid are coupled and affect the axial flow of the CH₄, decreasing the moisture content. With higher moisture content, the interaction between the two is more readily evident and the diffusion behavior of the CH₄ has a greater impact on the moisture content. Axial and radial gas seepage experiments, under the same gas pressure, axial pressure, and confining pressure, revealed that with the increase of moisture content, the axial and radial permeability of bituminous coal first increased and then decreased. This phenomenon is analyzed by the water lock effect, the effects of sorption on gas seepage and moisture content on gas adsorption effects. Among them, critical moisture content of approximately 1% exists when the axial and confining pressures are loaded or unloaded at the same time as well as the axial pressure loading or unloading alone. However, the critical moisture content is about 0.5% under confining pressure loading or unloading alone. In addition, in radial seepage experiments, it was observed that the volumetric strain of the coal decreased with the increase in the moisture content.     

吸附–解吸状态下煤层气运移机制

带吸附作用的煤层气运移规律一直是煤层气地质学界关注的焦点问题之一。为研究吸附-解吸状态下的煤层气运移机制,推导了气体吸附-解吸方程并分析了多孔介质扩散-渗流理论,开展了煤层气运移实验并对实验结果进行了分析。研究结果发现:煤体孔隙结构对煤层气运移具有"容阻效应","容储""阻降"二重特性并存构成了煤基质的基本功能;气体运移过程中煤体对CO₂和CH₄吸附能力的差异体现在吸附响应时间、吸附速率增长率、吸附平衡时间和最大吸附体积等4项指标;煤层气运移过程中扩散和渗流两种方式并存,当裂隙及大孔内气体压力较中-微孔隙系统气体压力高时,气体运移速率以渗流为主,否则以扩散为主。      

Coal pore characteristics at different freezing temperatures under conditions of freezing–thawing cycles

Most coal reservoirs in China have low permeability, which causes gas drainage to be inefficient. The method of cyclic cryogenic fracturing basing on freezing–thawing (F–T) fracturing effects is proposed to break coal to increase its permeability. An F–T experiment was carried out at different freezing temperatures using a nuclear magnetic resonance (NMR) test and an ultrasonic test. We investigated the evolution of coal pore structure under different freezing temperature F–T cycles and the mechanism of F–T fracturing. The results indicate that the frost force and the thermal stress in the cyclical process of F–T work together to cause fracture formation and fatigue damage. When the freezing temperature decreases, the network of pores and fissures becomes more developed and the number of mesopores, macropores and micro-fractures increases. This suggests that the network of pore-fractures in coal will be more interconnected and the space available for gas seepage will be larger. Ultimately, this significantly increases the efficiency of gas drainage.     

变轴压加载煤体变形破坏及瓦斯渗流试验研究

为探究煤岩在变轴压加载下的变形破坏和瓦斯渗流演化规律,以原煤煤粉压制的煤体试件为研究对象,采用含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验系统,进行了5种不同轴压加载路径下的煤体三轴压缩及瓦斯渗流试验。研究结果表明,煤体变形可分为压密、稳定发展、非稳定破裂发展和破裂后4个阶段;压密阶段试件的应变变化速率主要与张开性结构面和裂隙有关,与轴压加载区间无关,稳定发展阶段虽然轴压加载速率不同,但在相同的轴压加载区间,轴向应变变化速率基本相同;变轴压加载前期煤体渗透率与轴压的加载速率呈负相关变化,中后期渗透率变化速率与轴压加载速率相关性不大。研究结论对指导冲击地压以及煤与瓦斯突出的监测预警有着重要意义。