煤渗透率各向异性及其对本煤层瓦斯预抽的影响规律研究

发布时间：2020-03-22 06:45

【摘要】：煤层渗透率是影响本煤层瓦斯抽采效率的最主要因素。国内外研究结果表明煤层渗透率具有天然的各向异性,且渗透率的各向异性具有普遍性,即绝大多数煤层的原始渗透率都具有各向异性。本文通过定向取样实测不同方向的煤样渗透率,考察煤渗透率及其应力敏感性的各向异性特征,判定渗透率优势方向。通过数值模拟和现场试验考察煤渗透率各向异性对本煤层瓦斯预抽的影响,确定抽采钻孔布置优势方位,为提升本煤层瓦斯预抽效果提供依据。本文首先分析了试验地点新景矿8#煤层西一正巷、北三副巷和北七副巷所在煤层的产状特征和裂隙发育特征,分析结果表明:西一正巷和西一副巷背斜西侧裂隙沿东北—西南方向发布,背斜轴部裂隙沿东—西方向发育,背斜东侧裂隙沿东北—西南方向发育;北三副巷和北三正巷背斜构造西侧裂隙沿东北—西南方向发育,背斜轴部裂隙沿东—西方向发育,背斜东侧裂隙沿东—西方向发育;北七副巷和北七正巷裂隙沿东北—西南方向发育。通过实验室和现场测试了三个试验地点煤层的基础参数,结果表明:三个取样地点煤样的工业分析参数和真视密度测试结果差别不大,有较好的一致性;三个取样地点煤样的吸附常数、原始煤层瓦斯含量、原始煤层瓦斯压力和透气性系数具有一定的非均质性。利用低温液氮法测试了三个试验地点煤样的孔隙结构特征,测试结果表明:BET比表面积西一正巷煤样最大,北三副巷煤样次之,北三副巷煤样最小;BJH总孔体积西一正巷,北七副巷,北三副巷三处煤样相等;平均孔径北三副巷煤样最大,北七副巷煤样次之,西一副巷煤样最小;西一正巷,北七副巷,北三副巷三处煤样微孔总体积相等,发育着大量微孔隙,有利于煤中CH4的赋存和吸附。从西一正巷、北三副巷和北七副巷取大块煤样,分别沿煤层走向、倾向和竖直方向套取圆柱体煤样,测定三组煤样的渗透率,得到了煤层渗透率及其应力敏感性的各向异性特征,实验结果表明:在恒定瓦斯压力条件下,三个取样地点煤样渗透率随着围压的增大而逐渐减小,并经历两个阶段:围压在10 MPa~12 MPa加载过程中,渗透率急剧下降,围压在10 MPa~12 MPa加载过程中,渗透率缓慢下降;三个取样地点煤样渗透率具有显著的各向异性,其中沿煤层走向的渗透率最大,倾向次之,竖直方向最小,因此沿煤层走向是取样地点煤层瓦斯渗流的优势方向;煤渗透率应力敏感性系数具有横观各向同性,即沿煤层走向和倾向煤样渗透率的应力敏感性系数接近各向同性,低于沿竖直方向煤样渗透率的应力敏感性系数;煤渗透率应力敏感性系数具有各向异性的原因是杨氏模量和孔隙率具有各向异性。运用弹性力学、渗流力学等理论,综合考虑煤层裂隙结构、力学性质、吸附/解吸变形和地应力场四方面的各向异性,建立了正交各向异性煤层渗透率演化模型的立方型和指数型表达式,两组模型表达式与已发表文献中的渗透率数据吻合程度较好。在不增加拟合参数数量的情况下,指数型表达式的拟合优度略高于立方型表达式,说明指数型表达式可能更接近煤层渗透率演化的本质。立方型表达式通过煤体和煤基质变形间接反映力学和吸附/解吸作用对渗透率的影响,而指数型表达式由节理变形直接反应力学和吸附/解吸作用对渗透率的影响。因此,指数型表达式的准确性优于立方型表达式。指数型表达式的求解过程比立方型表达式复杂。立方型表达式是显性解析式,可直接求解。指数型表达式是隐性解析式,无法直接求解,只能通过数值算法求解其近似解。因此,立方型表达式的实用性由于指数型表达式。基于该模型分析了煤层渗透率优势方向的主要影响因素是有效应力和初始渗透率的各向异性。有效应力是地应力和瓦斯压力的差应力,地应力具有各向异性而瓦斯压力可视为各向同性,因此地应力的各向异性是影响煤层渗透率各向异性的主要因素之一。初始渗透率的各向异性则反映了煤层裂隙结构的各向异性,煤层裂隙结构对其渗透率也有着较大的影响,同一块煤样在相同条件下测定渗透率,渗透压力的方向如果与煤样的裂隙面垂直,则渗透率最小;渗透压力的方向如果与煤样的裂隙面平行,则渗透率最大。基于前述建立的各向异性煤层渗透率演化模型,建立了考虑渗透率各向异性的煤层瓦斯流动理论模型,应用COMSOL Multiphysics数值模拟平台对顺层钻孔预抽煤层瓦斯进行参数分析,模拟分析弹性模量、Langmuir吸附应变常数、初始孔隙率、初始渗透率各向异性对顺层钻孔预抽煤层瓦斯的影响规律;同时模拟分析渗透率具有各向异性条件下不同布孔方位对抽采流量的影响规律。模拟结果表明:弹性模量、Langmuir吸附变形常数和初始面孔隙率的各向异性对模拟结果影响不显著,而初始渗透率的各向异性对模拟结果有显著影响;当抽采钻孔与渗透率最大方向垂直时,抽采流量最大;抽采流量随钻孔与渗透率最大方向夹角的减小而减小;当钻孔与渗透率最大方向的夹角大于60°时,布孔方位对抽采流量的影响不再显著;渗透率各向异性越大,布孔方位对抽采流量的影响越显著。因此,应准确掌握煤层渗透率的各向异性特征,以便为理论分析和数值模拟提供可靠的依据。在顺层钻孔抽采瓦斯数值模拟中也应着重考虑煤层渗透率的影响。在理论分析、实验研究和数值模拟结果的基础上,确定了本煤层瓦斯预抽钻孔的合理布孔原则:钻孔应尽可能与最大渗透率方向保持垂直。对于本文的试验地点,最大渗透率方向与煤层走向平行。为了验证此原则,在试验地点布置五组方位不同的试验钻孔,实测布孔方位对抽采流量的影响规律。实测结果表明,当钻孔与煤层走向夹角较大时(60°)时,其抽采流量明显高于与煤层走向夹角较小(30°)的钻孔,验证了前述本煤层瓦斯预抽钻孔合理布孔原则。此外,为了解决新景矿8#煤层渗透率低、单孔抽采流量小而难以准确测量的难题,设计了微流量条件下准确测量单孔抽采流量的装置,实现了抽采流量的准确测量以及预抽期的准确预测。通过合理调整顺层钻孔方位,可以提高单孔瓦斯抽采量和累积瓦斯抽采量,缩短本煤层瓦斯预抽期,减少本煤层瓦斯预抽钻孔的布置数量,节省钻孔施工成本,降低工作面回采过程中的瓦斯涌出量,加快工作面回采进度,对保障工作面安全回采和提高回采效率具有重要意义。本文的创新性主要体现在如下三个方面:(1)得到了阳泉矿区新景矿8#煤层渗透率及其应力敏感性的各向异性特征:沿煤层走向的渗透率最大,倾向次之,竖直方向最小,因此沿煤层走向是瓦斯渗流的优势方向;煤渗透率应力敏感性系数具有横观各向同性,即沿煤层走向和倾向煤样渗透率的应力敏感性系数接近各向同性,且低于沿竖直方向煤样渗透率的应力敏感性系数;煤渗透率应力敏感性系数具有各向异性的原因是杨氏模量和孔隙率具有各向异性。(2)综合考虑煤层裂隙结构、力学性质、吸附/解吸变形和地应力场四个方面的各向异性,推导得到了正交各向异性煤层渗透率演化模型的立方型和指数型表达式。(3)确定了本煤层瓦斯预抽钻孔的合理布孔原则:钻孔应尽可能与最大渗透率方向保持垂直,现场试验证明布孔方位与煤层走向的夹角越大,钻孔抽采流量越高。本文研究得到了阳泉矿区新景矿8#煤层渗透率的各向异性特征,但阳泉矿区其它煤层以及其它矿区煤层渗透率的各向异性特征还有待于进一步考察。本文对煤层渗透率的各向异性及其对本煤层瓦斯预抽的影响规律做了初步探讨和研究,尚未进行工作面的完整抽采设计,与实现工业化应用还有一段距离。
【图文】：

示意图,示意图,采区,地面相

图 2.1 北七副巷示意图Fig.2.1 Schematic of the N7 tunnel8#煤层北七副巷示意图如图 2.1 所示，从图中可以看出，北三副巷靠近采取回风巷一侧的煤层产状分布较均匀，巷道与煤层走向的夹角约为 45°。(1) 地面相对位置及邻近采区开采情况地面相对位置及邻近采区开采情况见表 2.1。表 2.1 北七副巷井上下对照关系情况表Tab.2.1 Control relationship of the N7 tunnel水平 +525 工程名称芦南一区 8#煤北七正、副巷采区芦南一区井下（地面）标高（m） 504～552m、（900～1090m）地面的相对位置建筑物、小井及其他本工作面地表位于深脚河以东，赵北沟以南，芦湖村及芦湖沟以西，车道沟村以北，属山坡、山梁、沟谷地段。井下相对位置对掘进巷道的影响井下位于芦南一区南翼西部。本面所掘巷道为芦南一区 8#煤北六正、副巷及 2118 切巷，井下位于芦南一

示意图,示意图,砂质泥岩,泥岩

煤的自然发火倾向无自然发火倾向(3) 煤（岩）层赋存特征表 2.3 北七副巷煤层顶底板情况表Tab.2.3 Top and bottom plate of the N7 tunnel顶底板名称岩石类别厚度岩性顶板老顶细粒砂岩 15.75灰白色，成分以石英为主，长石次之，夹泥质条带，含云母和黑色矿物，，硅质胶结，厚度变化较大。直接顶泥岩 3.34黑色，含植物化石，中部夹 1-2 层菱铁矿结核，局部相变为砂质泥岩。伪顶底板伪底直接底砂质泥岩 3.26灰黑色，富含植物化石和黄铁矿，顶部有时相变为泥岩。2.2.2 西一正巷概况
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD712.61

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