牙星矿含瓦斯煤体动态扩散特征及多场耦合规律研究
发布时间：2021-09-29 19:51
煤层钻孔瓦斯抽采技术不仅能够有效防治煤矿瓦斯动力灾害,同时也可以实现煤层气的资源化利用。本文通过实验测试、理论分析和数值模拟相结合的方法,分析了不同煤体的孔裂隙结构特征,探讨了多种尺寸煤粒的瓦斯扩散动力学规律,构建了煤层多物理场耦合数学模型,并以内蒙牙星煤矿416综采工作面瓦斯抽采为工程背景,研究了多种因素对瓦斯抽采效果的影响,阐明了采动煤层多场耦合规律,为解决井下实际工程问题提供依据。主要研究成果如下:（1）以牙星矿煤样为主其他矿为辅,开展了不同变质程度煤体的物理力学性质测试及孔隙结构特征分析试验,综合图像分析法与流体注入法表述了煤体的孔裂隙特征。（2）搭建了瓦斯扩散量动态采集实验平台,实现了扩散测试的精确化和自动化。利用该平台研究了不同尺寸煤粒瓦斯解吸扩散特性,结果表明:随着孔隙压力的逐渐升高,煤体的极限扩散率上升。由粒径尺度导致的煤样有效扩散系数差异存在一个临界区间,当煤体粒径没有升至该区间内时,扩散系数随粒径尺寸的增大而缓慢降低;当粒径超过临界区间时,扩散系数逐渐稳定在一个定值附近。（3）计算了不同煤体孔隙的迂曲度以及扩散孔道长度,定量分析了四种煤体的气体扩散能力的强弱顺序。给...
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
我国煤层气资源评价盆地（群）分布[16]
硕士学位论文6时煤层瓦斯流场的演化规律，并结合杨柳煤矿的现场测试数据验证了模型的准确性。Zhang等[75]建立了考虑有效应力和基质变形的渗透率模型，并用实验分析了模型适用性。Li等[76]推导了考虑克林肯贝格效应的渗透率和孔隙度的演化模型，用仿真软件进行了二维建模。Wei等[77]针对软煤的蠕变现象，建立了考虑煤蠕变特性的流固耦合模型。Lin等[78]对富含CO2煤层进行了注N2瓦斯抽采的模拟，建立了二元气体的运移模型。图1-2瓦斯抽采多场耦合模型[74]Figure1-2Multi-fieldcouplingmodelforgasdrainage上述研究大多是基于弹性理论构建的多场耦合模型，而对于受到采动影响后工作面前方煤体塑性损伤的多场耦合理论研究较少。同时对于煤体非均质性和各向异性考虑较少，因此，采动煤层在瓦斯抽采中关于气体运移规律的相关研究有待加强。1.3存在的主要问题（MainProblems）为了研究煤层内瓦斯的多场耦合规律，查阅了国内外学者的相关研究成果，这些文献对于扩散实验研究和煤体渗透率模型建立有诸多有益之处，但对于采动煤层瓦斯抽采过程中的多场耦合规律方面的研究仍有不足之处，主要体现在以下几个方面：（1）虽然目前进行煤体渗透率数学模型开发的研究较多，但其中很少能够结合煤矿现场的实际情况和现场煤体的真实物性特征。传统的煤体细观孔隙结构检测方法有很多，而采用将图像分析与流体注入相结合来进行煤体孔隙结构检测的研究较少。在煤体解吸扩散规律以及控制机理的研究上的认识不足，需要进一步的研究。（2）瓦斯在不同尺度煤颗粒中的扩散特性具有明显差异。而在大多数关于瓦斯扩散的实验研究中，采用煤颗粒作为研究对象，并将实验室测试结果用于表征煤层内瓦斯的扩散动力学特性，而没有考虑瓦斯扩散的尺度效应。虽然大量实
硕士学位论文8所示：图1-3研究总体思路Figure1-3Generalideas1.5主要研究进展及成果（ResearchProgressandAchievements）截止2020年4月，围绕课题研究内容及计划，分别开展了资料收集及文献阅读、基础测试及试验研究、平台搭建及实验分析以及数学建模及多场仿真等研究，取得如下进展：（1）资料收集及文献阅读对多个矿井现场进行了实地调研，包括平煤神马集团八矿，山西阳泉新景矿以及内蒙牙星矿等科研生产单位。阅读学习了大量关于煤体孔隙结构、煤粒瓦斯扩散、煤层瓦斯抽采多场耦合模型等文献资料，共计200余篇，其中英文文献约100余篇，以及相关书籍20余部。（2）基础测试及试验研究将前期实地调研取回的不同变质程度块状煤岩进行加工制样，并分别进行了物理力学性质测试和孔隙结构测试。开展了不同变质程度煤样的工业分析、单轴加载测试、坚固性系数测试、扫描电子显微镜观测、孔隙压汞测试以及核磁共振分析实验等研究工作。（3）平台搭建及实验分析搭建了瓦斯扩散量动态采集实验平台，编写了相关测试程序，针对煤体内瓦
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于动态扩散系数的煤粒瓦斯扩散模型[J]. 张路路,魏建平,温志辉,王登科,宋大钊,王洪磊. 中国矿业大学学报. 2020(01)
[2]不同煤阶煤样孔隙结构表征及其对瓦斯解吸扩散的影响[J]. 李祥春,李忠备,张良,高佳星,聂百胜,孟洋洋. 煤炭学报. 2019(S1)
[3]低渗煤层高压水射流割缝强化瓦斯抽采技术研究[J]. 刘志伟. 中国安全生产科学技术. 2019(07)
[4]基于煤体各向异性的煤层瓦斯有效抽采区域研究[J]. 林柏泉,宋浩然,杨威,赵洋,查伟. 煤炭科学技术. 2019(06)
[5]平顶山矿区深部矿井动力灾害预测方法与应用[J]. 张建国,兰天伟,王满,高明忠,荣海. 煤炭学报. 2019(06)
[6]各向异性和非均质性对煤层抽采钻孔瓦斯渗流的影响作用机制[J]. 宋浩然,林柏泉,赵洋,孔佳,查伟. 西安科技大学学报. 2019(03)
[7]我国能源消费结构继续优化[J]. 石文. 石油库与加油站. 2018(06)
[8]基于CT扫描的煤岩细观损伤特性研究[J]. 宫伟力,吴小东,张自翔,赵海燕. 煤炭科学技术. 2018(09)
[9]基于经典扩散模型不同粒径粒煤瓦斯扩散特征实验研究[J]. 李青松,李国红,王恩元,段正鹏. 中国安全生产科学技术. 2018(09)
[10]开采扰动下考虑损伤破裂的深部煤体渗透率模型研究[J]. 荣腾龙,周宏伟,王路军,任伟光,郭依宝. 岩土力学. 2018(11)
博士论文
[1]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[D]. 刘厅.中国矿业大学 2019
[2]煤的吸附解吸动力学特性及其在瓦斯参数快速测定中的应用[D]. 王飞.中国矿业大学 2016
[3]煤和泥页岩纳米孔隙的成因、演化机制与定量表征[D]. 焦堃.南京大学 2015
[4]煤体非均质随机裂隙模型及渗流—应力耦合分析[D]. 于永江.辽宁工程技术大学 2010
[5]我国能源消费结构问题研究[D]. 杭雷鸣.上海交通大学 2007
硕士论文
[1]高压驱替相与CH4在煤体中的吸附解吸及扩散与渗流规律研究[D]. 高子善.中国矿业大学 2019
[2]结构异性煤体受载损伤演化特征及瓦斯流动规律研究[D]. 黄展博.中国矿业大学 2018
本文编号：3414367
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
我国煤层气资源评价盆地（群）分布[16]
硕士学位论文6时煤层瓦斯流场的演化规律，并结合杨柳煤矿的现场测试数据验证了模型的准确性。Zhang等[75]建立了考虑有效应力和基质变形的渗透率模型，并用实验分析了模型适用性。Li等[76]推导了考虑克林肯贝格效应的渗透率和孔隙度的演化模型，用仿真软件进行了二维建模。Wei等[77]针对软煤的蠕变现象，建立了考虑煤蠕变特性的流固耦合模型。Lin等[78]对富含CO2煤层进行了注N2瓦斯抽采的模拟，建立了二元气体的运移模型。图1-2瓦斯抽采多场耦合模型[74]Figure1-2Multi-fieldcouplingmodelforgasdrainage上述研究大多是基于弹性理论构建的多场耦合模型，而对于受到采动影响后工作面前方煤体塑性损伤的多场耦合理论研究较少。同时对于煤体非均质性和各向异性考虑较少，因此，采动煤层在瓦斯抽采中关于气体运移规律的相关研究有待加强。1.3存在的主要问题（MainProblems）为了研究煤层内瓦斯的多场耦合规律，查阅了国内外学者的相关研究成果，这些文献对于扩散实验研究和煤体渗透率模型建立有诸多有益之处，但对于采动煤层瓦斯抽采过程中的多场耦合规律方面的研究仍有不足之处，主要体现在以下几个方面：（1）虽然目前进行煤体渗透率数学模型开发的研究较多，但其中很少能够结合煤矿现场的实际情况和现场煤体的真实物性特征。传统的煤体细观孔隙结构检测方法有很多，而采用将图像分析与流体注入相结合来进行煤体孔隙结构检测的研究较少。在煤体解吸扩散规律以及控制机理的研究上的认识不足，需要进一步的研究。（2）瓦斯在不同尺度煤颗粒中的扩散特性具有明显差异。而在大多数关于瓦斯扩散的实验研究中，采用煤颗粒作为研究对象，并将实验室测试结果用于表征煤层内瓦斯的扩散动力学特性，而没有考虑瓦斯扩散的尺度效应。虽然大量实
硕士学位论文8所示：图1-3研究总体思路Figure1-3Generalideas1.5主要研究进展及成果（ResearchProgressandAchievements）截止2020年4月，围绕课题研究内容及计划，分别开展了资料收集及文献阅读、基础测试及试验研究、平台搭建及实验分析以及数学建模及多场仿真等研究，取得如下进展：（1）资料收集及文献阅读对多个矿井现场进行了实地调研，包括平煤神马集团八矿，山西阳泉新景矿以及内蒙牙星矿等科研生产单位。阅读学习了大量关于煤体孔隙结构、煤粒瓦斯扩散、煤层瓦斯抽采多场耦合模型等文献资料，共计200余篇，其中英文文献约100余篇，以及相关书籍20余部。（2）基础测试及试验研究将前期实地调研取回的不同变质程度块状煤岩进行加工制样，并分别进行了物理力学性质测试和孔隙结构测试。开展了不同变质程度煤样的工业分析、单轴加载测试、坚固性系数测试、扫描电子显微镜观测、孔隙压汞测试以及核磁共振分析实验等研究工作。（3）平台搭建及实验分析搭建了瓦斯扩散量动态采集实验平台，编写了相关测试程序，针对煤体内瓦
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于动态扩散系数的煤粒瓦斯扩散模型[J]. 张路路,魏建平,温志辉,王登科,宋大钊,王洪磊. 中国矿业大学学报. 2020(01)
[2]不同煤阶煤样孔隙结构表征及其对瓦斯解吸扩散的影响[J]. 李祥春,李忠备,张良,高佳星,聂百胜,孟洋洋. 煤炭学报. 2019(S1)
[3]低渗煤层高压水射流割缝强化瓦斯抽采技术研究[J]. 刘志伟. 中国安全生产科学技术. 2019(07)
[4]基于煤体各向异性的煤层瓦斯有效抽采区域研究[J]. 林柏泉,宋浩然,杨威,赵洋,查伟. 煤炭科学技术. 2019(06)
[5]平顶山矿区深部矿井动力灾害预测方法与应用[J]. 张建国,兰天伟,王满,高明忠,荣海. 煤炭学报. 2019(06)
[6]各向异性和非均质性对煤层抽采钻孔瓦斯渗流的影响作用机制[J]. 宋浩然,林柏泉,赵洋,孔佳,查伟. 西安科技大学学报. 2019(03)
[7]我国能源消费结构继续优化[J]. 石文. 石油库与加油站. 2018(06)
[8]基于CT扫描的煤岩细观损伤特性研究[J]. 宫伟力,吴小东,张自翔,赵海燕. 煤炭科学技术. 2018(09)
[9]基于经典扩散模型不同粒径粒煤瓦斯扩散特征实验研究[J]. 李青松,李国红,王恩元,段正鹏. 中国安全生产科学技术. 2018(09)
[10]开采扰动下考虑损伤破裂的深部煤体渗透率模型研究[J]. 荣腾龙,周宏伟,王路军,任伟光,郭依宝. 岩土力学. 2018(11)
博士论文
[1]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[D]. 刘厅.中国矿业大学 2019
[2]煤的吸附解吸动力学特性及其在瓦斯参数快速测定中的应用[D]. 王飞.中国矿业大学 2016
[3]煤和泥页岩纳米孔隙的成因、演化机制与定量表征[D]. 焦堃.南京大学 2015
[4]煤体非均质随机裂隙模型及渗流—应力耦合分析[D]. 于永江.辽宁工程技术大学 2010
[5]我国能源消费结构问题研究[D]. 杭雷鸣.上海交通大学 2007
硕士论文
[1]高压驱替相与CH4在煤体中的吸附解吸及扩散与渗流规律研究[D]. 高子善.中国矿业大学 2019
[2]结构异性煤体受载损伤演化特征及瓦斯流动规律研究[D]. 黄展博.中国矿业大学 2018
本文编号：3414367
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