老空区破碎煤岩体变形与渗流特性研究及在煤层气抽采中的应用
发布时间：2020-12-30 07:06
近年来,废弃矿井老空区煤层气作为一种非常规天然气资源正得到越来越多的关注,其抽采利用一方面可以解除临近煤层瓦斯压力,为残留煤炭资源二次开采创造有利条件;另一方面老空区瓦斯“变废为宝”作为清洁能源可以改善我国能源结构,还可防止其逸散到大气中积聚温室效应。因此对废弃矿井老空区煤层气进行抽采利用意义重大。根据中国工程院重大咨询研究项目-我国煤炭资源高效回收及节能战略研究结果预测,到2020年,我国废弃矿井数量将达到1.2万个。这些废弃矿井闭井前煤炭资源回收率一般不高,其内部蕴含有大量的煤层气资源,闭井后随着时空演化更是富集了丰富的煤层气。国外已有老空区煤层气抽采技术的研究,但国内相关条件相对复杂这一领域的研究尚处于起步阶段。本文在前人的研究基础上,针对国内废弃矿井老空区煤层气地面抽采钻井井位难以精准确定、破碎煤岩体变形与渗流特性不清楚等实际问题,以山西省晋煤集团沁水煤田废弃老空区为研究对象,通过理论分析、数值模拟、实验室实验以及现场工业试验等方法对老空区煤层气抽采的相关技术基础进行了系统研究,得到的主要研究结论如下:（1）科学界定了废弃矿井老空区煤层气储气空间概念,将废弃矿井老空区煤层气储气...
【文章来源】：太原理工大学山西省 211工程院校
【文章页数】：184 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究现状及存在的问题
1.2.1 采空区三维应力分布
1.2.2 采空区三维破坏特征
1.2.3 破碎煤岩体力学及声发射特性
1.2.4 含瓦斯破碎煤岩体气体渗透特性
1.2.5 老空区煤层气抽采技术
1.3 研究内容与方案
1.3.1 研究内容
1.3.2 技术路线
第二章 老空区煤层气储气空间发育及区域划分
2.1 老空区煤层气储气空间定义及发育范围
2.1.1 老空区煤层气储气空间定义及分类
2.1.2 老空区煤层气储气空间发育范围
2.2 老空区煤层气储气空间数值模拟模型
2.2.1 老空区地质及开采条件
2.2.2 储气空间数值模型的建立
2.3 垮落式老空区煤层气储气空间发育
2.3.1 老空区三维应力分布
2.3.2 老空区三维卸压体空间发育特征
2.3.3 老空区三维塑性破坏体空间发育特征
2.3.4 老空区区域划分
2.4 刀柱式老空区煤层气储气空间发育
2.4.1 老空区三维应力分布
2.4.2 老空区三维卸压体空间发育特征
2.4.3 老空区三维塑性破坏体空间发育特征
2.4.4 老空区区域划分
2.5 本章小结
第三章 破碎煤岩体压实-渗透-声发射实验系统及实验设计
3.1 老空区煤层气来源及破碎煤岩体在煤层气富集中的作用
3.2 破碎煤岩体压实过程中渗流模型及特点分析
3.3 破碎煤岩体压实-声发射实验系统及实验设计
3.4 破碎煤岩体压实-渗流实验系统及实验设计
3.5 本章小结
第四章 破碎煤岩体压实变形特性及内部破裂演化规律
4.1 实验对象、方案及试验数据处理
4.2 不同岩性、不同粒径破碎煤岩体压实变形特性
4.3 破碎煤岩体内部压实破裂过程中声发射参数演化规律
4.3.1 破碎煤矸石压实过程中声发射参数演化
4.3.2 破碎石灰岩压实过程中声发射参数演化
4.3.3 破碎无烟煤压实过程中声发射参数演化
4.4 破碎煤岩体压实过程中内部破裂的时空演化规律
4.4.1 破碎煤岩体压实过程中声波波速变化
4.4.2 破碎煤矸石分层压实破碎特性研究
4.4.3 破碎石灰岩分层压实破碎特性研究
4.4.4 破碎无烟煤分层压实破碎特性研究
4.5 本章小结
第五章 破碎煤岩体气体渗透规律及地面钻井井位优选
5.1 实验对象及实验数据处理
5.2 渗透过程中压力、流量动态演化规律
5.3 流速与压力梯度的关系
5.4 渗透率与瓦斯压力的关系
5.5 渗透率-孔隙率与轴向应力的关系
5.6 不同类型老空区煤层气储气空间钻井井位优选
5.6.1 老空区煤层气富集规律及地面钻井抽采特点
5.6.2 垮落式老空区煤层气储气空间钻井井位优选
5.6.3 刀柱式老空区煤层气储气空间钻井井位优选
5.7 本章小结
第六章 现场工业试验
6.1 矿井概况
6.1.1 晋圣永安宏泰煤业概况
6.1.2 沁秀煤业岳城煤矿概况
6.2 现场实施
6.2.0 老空区区域划分及钻井井位布置
6.2.1 钻井固井技术
6.2.2 地面抽采智能控制系统设计及安全运行技术
6.3 地面钻井井位优选指导下抽采效果分析
6.3.1 刀柱式老空区煤层气抽采效果分析
6.3.2 垮落式老空区煤层气抽采效果分析
6.4 基于老空区煤层气储气空间发育特性的协同抽采技术
6.4.1 同一水平层位相邻老空区协同抽采技术
6.4.2 不同水平层位相邻复合老空区协同抽采技术
6.4.3 老空区煤层气与下煤层煤层气协同抽采技术
6.5 本章小结
第七章 结论与展望
7.1 主要结论
7.2 不足与展望
参考文献
致谢
攻读博士学位期间的科研成果及参加的科研项目
博士论文独创性说明
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同浸水时间级配破碎煤样的粒度分布分形特征[J]. 张天军,陈佳伟,包若羽,蒋兴科,周敖,葛迪. 采矿与安全工程学报. 2018(03)
[2]温度和围压耦合作用下煤样渗透率变化的试验研究[J]. 杨凯,林柏泉,朱传杰,孔佳,刘厅. 煤炭科学技术. 2017(12)
[3]承压破碎煤体碎胀系数演变特征与机制[J]. 褚廷湘,李品,晁江坤,余明高,韩学锋. 煤炭学报. 2017(12)
[4]不同级配破碎煤岩体分形特性试验研究[J]. 潘红宇,周敖,石涛,张天军,李树刚. 西安科技大学学报. 2017(06)
[5]承压破碎煤体渗透特性参数演化实验研究[J]. 余明高,晁江坤,褚廷湘,滕飞,李品. 煤炭学报. 2017(04)
[6]采场覆岩的“载荷三带”结构模型及其在防冲领域的应用[J]. 姜福兴,刘懿,张益超,温经林,杨伟利,安洁. 岩石力学与工程学报. 2016(12)
[7]连续级配饱和破碎岩石压实特性试验研究[J]. 冯梅梅,吴疆宇,陈占清,茅献彪,郁邦永. 煤炭学报. 2016(09)
[8]深部采场采动应力、覆岩运移以及裂隙场分布的时空耦合规律[J]. 王新丰,高明中,李隆钦. 采矿与安全工程学报. 2016(04)
[9]2012-2015年我国煤矿瓦斯事故统计分析[J]. 刘绪峰,赵云平. 山东工业技术. 2016(13)
[10]分级加载下破碎砂岩渗透特性试验及其稳定性分析[J]. 张天军,尚宏波,李树刚,任金虎,包若羽,张磊. 煤炭学报. 2016(05)
博士论文
[1]采动影响稳定区煤层气储层及资源量评估技术的研究与应用[D]. 李日富.重庆大学 2014
[2]地面钻井抽采老采空区瓦斯的理论与应用研究[D]. 秦伟.中国矿业大学 2013
[3]松散破碎射气介质中氡运移的气液两相耦合模型及其工程应用[D]. 李广悦.中南大学 2012
[4]煤层群开采瓦斯卸压抽采“三带”范围的理论研究[D]. 吴仁伦.中国矿业大学 2011
硕士论文
[1]废弃矿井煤层气资源开发潜力评价方法研究[D]. 韩保山.煤炭科学研究总院 2003
[2]采场覆岩面接触块体结构研究[D]. 冯国瑞.太原理工大学 2002
本文编号：2947219
【文章来源】：太原理工大学山西省 211工程院校
【文章页数】：184 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究现状及存在的问题
1.2.1 采空区三维应力分布
1.2.2 采空区三维破坏特征
1.2.3 破碎煤岩体力学及声发射特性
1.2.4 含瓦斯破碎煤岩体气体渗透特性
1.2.5 老空区煤层气抽采技术
1.3 研究内容与方案
1.3.1 研究内容
1.3.2 技术路线
第二章 老空区煤层气储气空间发育及区域划分
2.1 老空区煤层气储气空间定义及发育范围
2.1.1 老空区煤层气储气空间定义及分类
2.1.2 老空区煤层气储气空间发育范围
2.2 老空区煤层气储气空间数值模拟模型
2.2.1 老空区地质及开采条件
2.2.2 储气空间数值模型的建立
2.3 垮落式老空区煤层气储气空间发育
2.3.1 老空区三维应力分布
2.3.2 老空区三维卸压体空间发育特征
2.3.3 老空区三维塑性破坏体空间发育特征
2.3.4 老空区区域划分
2.4 刀柱式老空区煤层气储气空间发育
2.4.1 老空区三维应力分布
2.4.2 老空区三维卸压体空间发育特征
2.4.3 老空区三维塑性破坏体空间发育特征
2.4.4 老空区区域划分
2.5 本章小结
第三章 破碎煤岩体压实-渗透-声发射实验系统及实验设计
3.1 老空区煤层气来源及破碎煤岩体在煤层气富集中的作用
3.2 破碎煤岩体压实过程中渗流模型及特点分析
3.3 破碎煤岩体压实-声发射实验系统及实验设计
3.4 破碎煤岩体压实-渗流实验系统及实验设计
3.5 本章小结
第四章 破碎煤岩体压实变形特性及内部破裂演化规律
4.1 实验对象、方案及试验数据处理
4.2 不同岩性、不同粒径破碎煤岩体压实变形特性
4.3 破碎煤岩体内部压实破裂过程中声发射参数演化规律
4.3.1 破碎煤矸石压实过程中声发射参数演化
4.3.2 破碎石灰岩压实过程中声发射参数演化
4.3.3 破碎无烟煤压实过程中声发射参数演化
4.4 破碎煤岩体压实过程中内部破裂的时空演化规律
4.4.1 破碎煤岩体压实过程中声波波速变化
4.4.2 破碎煤矸石分层压实破碎特性研究
4.4.3 破碎石灰岩分层压实破碎特性研究
4.4.4 破碎无烟煤分层压实破碎特性研究
4.5 本章小结
第五章 破碎煤岩体气体渗透规律及地面钻井井位优选
5.1 实验对象及实验数据处理
5.2 渗透过程中压力、流量动态演化规律
5.3 流速与压力梯度的关系
5.4 渗透率与瓦斯压力的关系
5.5 渗透率-孔隙率与轴向应力的关系
5.6 不同类型老空区煤层气储气空间钻井井位优选
5.6.1 老空区煤层气富集规律及地面钻井抽采特点
5.6.2 垮落式老空区煤层气储气空间钻井井位优选
5.6.3 刀柱式老空区煤层气储气空间钻井井位优选
5.7 本章小结
第六章 现场工业试验
6.1 矿井概况
6.1.1 晋圣永安宏泰煤业概况
6.1.2 沁秀煤业岳城煤矿概况
6.2 现场实施
6.2.0 老空区区域划分及钻井井位布置
6.2.1 钻井固井技术
6.2.2 地面抽采智能控制系统设计及安全运行技术
6.3 地面钻井井位优选指导下抽采效果分析
6.3.1 刀柱式老空区煤层气抽采效果分析
6.3.2 垮落式老空区煤层气抽采效果分析
6.4 基于老空区煤层气储气空间发育特性的协同抽采技术
6.4.1 同一水平层位相邻老空区协同抽采技术
6.4.2 不同水平层位相邻复合老空区协同抽采技术
6.4.3 老空区煤层气与下煤层煤层气协同抽采技术
6.5 本章小结
第七章 结论与展望
7.1 主要结论
7.2 不足与展望
参考文献
致谢
攻读博士学位期间的科研成果及参加的科研项目
博士论文独创性说明
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同浸水时间级配破碎煤样的粒度分布分形特征[J]. 张天军,陈佳伟,包若羽,蒋兴科,周敖,葛迪. 采矿与安全工程学报. 2018(03)
[2]温度和围压耦合作用下煤样渗透率变化的试验研究[J]. 杨凯,林柏泉,朱传杰,孔佳,刘厅. 煤炭科学技术. 2017(12)
[3]承压破碎煤体碎胀系数演变特征与机制[J]. 褚廷湘,李品,晁江坤,余明高,韩学锋. 煤炭学报. 2017(12)
[4]不同级配破碎煤岩体分形特性试验研究[J]. 潘红宇,周敖,石涛,张天军,李树刚. 西安科技大学学报. 2017(06)
[5]承压破碎煤体渗透特性参数演化实验研究[J]. 余明高,晁江坤,褚廷湘,滕飞,李品. 煤炭学报. 2017(04)
[6]采场覆岩的“载荷三带”结构模型及其在防冲领域的应用[J]. 姜福兴,刘懿,张益超,温经林,杨伟利,安洁. 岩石力学与工程学报. 2016(12)
[7]连续级配饱和破碎岩石压实特性试验研究[J]. 冯梅梅,吴疆宇,陈占清,茅献彪,郁邦永. 煤炭学报. 2016(09)
[8]深部采场采动应力、覆岩运移以及裂隙场分布的时空耦合规律[J]. 王新丰,高明中,李隆钦. 采矿与安全工程学报. 2016(04)
[9]2012-2015年我国煤矿瓦斯事故统计分析[J]. 刘绪峰,赵云平. 山东工业技术. 2016(13)
[10]分级加载下破碎砂岩渗透特性试验及其稳定性分析[J]. 张天军,尚宏波,李树刚,任金虎,包若羽,张磊. 煤炭学报. 2016(05)
博士论文
[1]采动影响稳定区煤层气储层及资源量评估技术的研究与应用[D]. 李日富.重庆大学 2014
[2]地面钻井抽采老采空区瓦斯的理论与应用研究[D]. 秦伟.中国矿业大学 2013
[3]松散破碎射气介质中氡运移的气液两相耦合模型及其工程应用[D]. 李广悦.中南大学 2012
[4]煤层群开采瓦斯卸压抽采“三带”范围的理论研究[D]. 吴仁伦.中国矿业大学 2011
硕士论文
[1]废弃矿井煤层气资源开发潜力评价方法研究[D]. 韩保山.煤炭科学研究总院 2003
[2]采场覆岩面接触块体结构研究[D]. 冯国瑞.太原理工大学 2002
本文编号：2947219
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