瓦斯抽采钻孔周边煤岩渗流特性及粉体堵漏机理

发布时间：2018-10-20 16:37

【摘要】：钻孔抽采是煤矿瓦斯灾害防治的主要技术措施，其中钻孔密封是决定瓦斯抽采效果的重要环节。然而瓦斯抽采过程中煤岩裂隙发育导致瓦斯抽采浓度低、衰减快，存在重大安全隐患：抽采系统内低浓度瓦斯易落入爆炸极限范围内，，存在爆炸风险；孔外裂隙内高浓度氧气易引起煤体氧化自燃，可诱发瓦斯燃烧（或爆炸）。本文以提高瓦斯抽采浓度为切入点，对钻孔围岩渗流特性和粉体封堵机理进行了研究，为有效封堵孔外漏气裂隙提高瓦斯抽采浓度提供理论依据。主要成果如下：采用理论分析、模型试验和现场实测相结合的方法研究了钻孔周边裂隙区分布特性：（1）钻孔开挖形成的裂隙区范围是在巷道开挖形成的围岩裂隙区基础上沿钻孔轴向呈“先增、后减、随后稳定”的形式扩展；（2）钻孔开挖卸荷后，孔上、下方形成垮塌区，左右两侧形成破碎区，最终由圆形变成“类橄榄球”形，且其长轴与最大主应力方向垂直；（3）裂隙区内主要存在宏观和微观的直、弯折和分叉裂隙三种裂隙形态，大部分宏观裂隙的宽度和长度分别小于5mm和50mm。采用实验室试验和数值计算的方法研究了巷道及钻孔先后开挖引起的有效应力与渗透性演化特性：（1）巷道开挖使巷道径向方向依次形成完全渗流区（裂隙区）、过渡渗流区、渗流屏蔽区和原岩渗流区。钻孔开挖使“四区”以钻孔为对称轴沿钻孔方向继续扩展；（2）完全渗流区和渗流屏蔽区内煤体渗透率随有效应力增大而呈负指数递减变化，随瓦斯压力增大而降低；完全渗流区和渗流屏蔽区内的渗透率分别较原岩渗流区高2个数量级和低2倍以上；（3）对于低渗透性煤层，瓦斯抽采过程中渗流屏蔽区阻隔了本区及本区以外煤体瓦斯流入孔内，而巷道中空气却易经完全渗流区进入孔内，最终导致钻孔抽采浓度降低。应用双流体模型研究了裂隙内的气固两相流运动规律：（1）直裂隙发生堵塞前，底部颗粒沉积层以整体蠕动的方式向前运动，堵塞发生需要的时间尺度很小；（2）各种影响因素的重要程度：加料量表观气速弯折角度，弯折裂隙的弯折角度对堵塞过程的影响较小；（3）分叉裂隙的主管段更易堵塞，钝角分叉裂隙比锐角更易于发生堵塞。利用自主构建的粉体封堵裂隙实验平台研究了粉体封堵直、弯折和分叉裂隙的堵塞特性：（1）弯折裂隙堵塞的临界粉体质量流量与气速间呈递增的关系。直裂隙发生堵塞的临界粉体质量流量也随气速的增大而增大，依次分为三个典型阶段：中速增长阶段、低速增长阶段和高速增长阶段，比弯折裂隙多了中速增长阶段；（2）随气速增大，弯折裂隙堵塞的临界粉体固气比呈幂指数递减变化，这与已有的研究理论和实验结果相一致。但不同的是，发现存在最小固气比，当气速大于最小固气比对应的气速时，固气比反而随气速的增大呈幂指数递增变化；（3）直、分叉裂隙堵塞的临界气速与固气比间呈“S”型关系，即随气速增大，固气比呈“增、减、增”变化。由于低气速输送粉体易造成管路堵塞，基于此，直、分叉裂隙也存在最小固气比；（4）建立了直、弯折和分叉裂隙堵塞边界的经验公式，其相对误差在合理范围内，可用于工程实践。研究成果在平煤股份八矿进行了应用，结果表明：采用本文研究成果后，钻孔瓦斯抽采浓度比原先增幅一倍以上。
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【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TD712.6

【参考文献】