深部裂隙煤体瓦斯抽采过程中的多场耦合机制及其工程响应

发布时间：2020-08-08 15:49

【摘要】：随着浅部资源的枯竭,我国煤炭开采正逐步向深部延伸。与浅部相比,深部储层具有明显的“三高-两强-一低”的特性。深入研究深部储层的地质力学规律,对于提升深部资源获取能力以及动力灾害防治水平具有重要意义。钻孔瓦斯抽采是防治煤矿瓦斯动力灾害最有效的措施,这一过程受多个物理场交叉耦合影响,尤其是进入深部以后煤体的强塑性及强时效性与采动影响叠加,使这一过程变得更加复杂。本文采用多种研究方法,分析了裂隙煤瓦斯扩散动力学过程,研究了含瓦斯煤渗透率动态演化规律,探讨了弹-塑性变形煤多场耦合机制,得出如下主要结论:构建了裂隙煤体瓦斯扩散动力学试验系统,研究了煤粒瓦斯扩散动力学特性的尺度效应,阐明了地应力和瓦斯压力对裂隙煤体瓦斯扩散的影响机制。结果表明:1)煤样有效扩散系数随时间的增加逐渐降低;2)煤体瓦斯扩散具有明显的尺度效应,该尺度效应的临界值即为煤基质尺寸;3)随着围压的增大和孔隙压力的降低,煤样的扩散系数逐渐降低。提出了煤体多级孔隙结构的概念模型,建立了时间依赖的动态扩散系数模型以及适用于具有多级孔隙结构煤体的扩散动力学模型。结果表明:1)对于煤层气等非常规气的长期开发,需同时考虑体积扩散和表面扩散,而对于煤矿井下钻孔瓦斯抽采,可只考虑游离瓦斯的体积扩散;2)扩散过程中,裂隙煤体基质瓦斯压力变化规律不受煤样尺度的影响,且扩散系数衰减越慢,基质瓦斯压力降低越快。定义了煤基质内膨胀系数,定量揭示了煤基质与裂隙间的相互作用关系,探讨了内膨胀系数的影响因素及其影响机制,构建了考虑基质-裂隙相互作用的煤体渗透率模型。结果表明:1)由于“岩桥”的存在,基质膨胀变形只有部分用于改变裂隙开度,其余部分用于改变煤体体积;2)有效应力及吸附膨胀变形是影响内膨胀系数的本质因素;3)与实验数据的拟合结果表明该渗透率模型能够很好地匹配不同边界条件下的渗透率数据,说明该模型具有广泛的适用性。构建了塑性损伤煤体“等效裂隙煤体”结构模型,揭示了采动过程中煤体裂隙及损伤的动态演化规律,建立了塑性变形煤体渗透率动态演化模型。结果表明:1)采动过程中煤体损伤断裂的过程可视为对原始煤基质分割的过程,采动煤体可等效为基质尺度更小、裂隙数目更多的弹性体;2)“等效裂隙煤体”中裂隙数目与煤体所受偏应力间呈指数关系,偏应力越大,裂隙数目越多;3)渗透率模型与卸围压试验中渗透率演化规律能够较好地匹配,验证了该模型的合理性。构建了同时考虑应力场、扩散场、渗流场、温度场以及煤体非均质性的“热-流-固”多场耦合模型,揭示了非均质煤芯渗透率测试过程中物理场的时空演化规律。结果表明:1)非均质煤体内瓦斯压力等值面存在明显的空间波动性,这与均质条件下存在明显差异;2)随着时间的增加,煤体渗透率逐渐升高,且越靠近出口的位置煤体渗透率越低,实验测得值仅是出口位置的煤体渗透率;3)煤芯内瓦斯压力呈非线性分布,这与渗透率计算公式中瓦斯压力呈线性分布的假设相悖,实验过程中可通过减小进出口压差降低实验误差。构建了“瓦斯-空气”二元气体系统“应力-损伤-扩散-渗流”多场耦合模型,揭示了瓦斯抽采过程中钻孔周围瓦斯及空气流场的时空演化规律,探讨了不同因素对瓦斯抽采效果的影响机制。结果表明:1)采用二维模型计算的瓦斯和空气流场与三维模型计算结果在总体趋势上一致,数值上稍有偏差,但误差在工程可接受范围内,说明该方法可行;2)采动区周围煤体渗透率大幅升高,钻孔瓦斯流量增大,但同时流入钻孔的空气流量也大幅升高,导致钻孔抽采浓度逐渐降低;3)随着封孔长度的增加,钻孔瓦斯流量和漏风量均逐渐降低,但钻孔瓦斯抽采浓度逐渐升高,以可利用的瓦斯浓度20%作为确定封孔长度的标准,则该地质条件下(平煤八矿)钻孔的最优封孔长度约为12 m。揭示了坚硬顶板采场与普通采场应力场、渗透率及瓦斯流场的时空演化规律,阐明了两种条件下采场瓦斯富集及运移机制,提出了“切顶导流-分源治理”瓦斯防治技术。结果表明:1)坚硬顶板采场首采层上覆岩层卸压区及优势瓦斯富集区范围明显小于普通采场;2)通过切除坚硬顶板可促进上覆岩层裂隙带发育,引导瓦斯在裂隙带内富集,解决采空区瓦斯超限及上向穿层钻孔抽采效果差的问题。本文研究结果进一步完善了深部裂隙煤体瓦斯抽采过程中的多场耦合理论,促进了深部矿井瓦斯动力灾害防治技术的进一步发展。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD712.6
【图文】：

煤体,结构模型

中孔扩散系数小于大孔，因而在时间上表现出扩散系数逐渐降低的现象。为此，有学者提出可通过扩散系数与时间之间的关系建立时间依赖的扩散模型，从而避免了扩散模型过度参数化的问题[54]。但是现有的时间依赖的扩散模型在扩散系数随时间变化研究方面主要依赖于实验结果的拟合，经验性强，不利于扩散时间依赖性深层机理的揭示。1.2.3 含瓦斯煤体渗透率模型研究现状渗透率是定量评估煤层气开发以及煤矿瓦斯抽采效果的关键参数之一，定量研究煤层渗透率的动态演化规律对于煤层气产能预测、瓦斯抽采钻孔的优化布置以及瓦斯动力灾害防治等具有重要意义[62, 63]。构建煤体渗透率模型的关键在于建立煤体的物理结构模型[64]。通常认为煤体为双重孔隙介质，由煤基质及裂隙组成其中，煤基质又包含基质孔隙和煤体骨架。为了简化建模过程，相关学者提出了球形模型、毛细管模型、火柴杆模型以及立方模型（如图 1-5 所示），其中火柴杆模型和立方模型是目前研究渗透率模型最常用的煤体物理结构模型[65]。基于以上煤体物理结构模型，相关学建立了大量的渗透率模型。

经典,对比分析,渗透率,孔隙压力

型在相同工况下的变化规律的差异性及其主要原因。图 1-6（b）为各模型在煤层气排采过程中的渗透率演化规律，所取参数中弹性模量 2.902 GPa，泊松比 0.35，Langmuir 压力常数 4.3 MPa，最大吸附应变取0.0126。煤层初始裂隙孔隙率取 0.1%，裂隙可压缩系数取 0.1392 MPa-1。假设初始时刻储层的孔隙压力为 10 MPa，排采过程中，P&M 模型、C&B 模型的渗透率随孔隙压力的下降先降低后逐渐反弹，并且 P&M 模型的下降幅度明显大于C&B 模型，这是因为 P&M 模型高估了煤基质的压缩系数，导致有效应力对煤体渗透率的负效应被放大。为此，Palmer 等[83]通过引入表征煤层节理方向的系数来修正煤基质的压缩系数，弱化有效应力的影响。可以看出，当 g=0.1 和 0.5 时，煤层渗透率随着孔隙压力的降低逐渐升高，且 g=0.1 时的渗透率明显高于 g=0.5时的渗透率。此外， S&D 模型和修正后的 P&M 模型（g=0.1，0.5）预测的渗透率随孔隙压力的降低而逐渐升高，随着排采的进行基质收缩对渗透率的贡献占据主导地位。从图中还可以看出，在相同工况条件下 S&D 模型预测的渗透率总是高于 C&B 模型。这是因为 C&B 模型中应力项对渗透率的贡献要大于 S&D 模型，而应变项对渗透率的贡献要小于 S&D 模型[89]。

曲线,不同尺度,瓦斯,孔隙压力

博士学位论文80图3-23 不同尺度煤体瓦斯扩散过程孔隙压力空间分布曲线Figure 3-23 Gas pressure curve of coal with different sizes during diffusion process图3-24为不同尺度煤粒瓦斯扩散动力学曲线。对于尺度小于1 mm的破碎煤基质，从横向上看达到相同的扩散率，尺度越小的煤基质所需时间越短，且扩散达到平衡所需时间也越短；从纵向上看，相同扩散时间下，尺度越大的煤基质其扩散率越低。而对于尺度大于1 mm的裂隙性煤粒，不同曲线之间差异很小，说明当煤粒尺度大于单个基质尺度时，煤粒尺度对扩散特性的影响可以忽略。此外，从图中还可以看出，不同尺度煤粒其达到平衡时的极限扩散率均小于1，这是因为模型中外部环境及裂隙压力设为0.1 MPa，扩散平衡时，煤基质的平衡压力并不为0

【参考文献】