煤层瓦斯抽采过程中煤层参数演化物理模拟实验研究

发布时间：2017-07-28 12:39

  本文关键词：煤层瓦斯抽采过程中煤层参数演化物理模拟实验研究

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【摘要】：新形势下我国煤炭工业的发展面临着严峻的挑战。国家对煤矿瓦斯治理工作高度重视的形势下,我国煤矿瓦斯抽采工作却存在着极大的技术瓶颈和困难。据统计,全国95%以上的高瓦斯和突出矿井开采的煤层属于低透气性煤层,渗透率多在10-3~10-4 md数量级,瓦斯抽采(特别是预抽)影响范围小、衰减速度快、抽采难度大。但现有的瓦斯抽采技术无法有效解决低透气性煤层高效抽采的难题,直接造成矿井瓦斯抽采率低下,“抽、采、掘”比例失衡。为治理瓦斯,低透气性高突矿井不得不投入大量的人力、物力、财力用于瓦斯抽采,由于缺乏抽采技术的突破,或者是矿井发展步履维艰,抽采治理不彻底导致瓦斯超限频繁、安全隐患严重、瓦斯事故频发,严重威胁煤矿安全生产。而煤层瓦斯抽采不仅能够有效解决瓦斯灾害问题,同时也有利于将瓦斯作为一种能源加以利用,可以减少温室气体的排放,达到环境保护的目的。由于目前对煤层瓦斯抽采过程中煤层参数的演化机理不甚了解,我国的煤层瓦斯抽采效果一直不理想。本文利用重庆大学自主研发的多场耦合煤层瓦斯抽采物理模拟实验系统,分别模拟了不同煤层受力条件、不同吸附性气体条件和不同抽采方式条件下煤层瓦斯抽采物理模拟实验,通过分析煤层瓦斯抽采过程中煤层参数的演化规律,从而为现场的瓦斯抽采工作中合理确定抽采参数提供了依据。主要研究成果如下:(1)在抽采瓦斯过程中,煤层气体压力在初期降低较快后期降低缓慢,并且距离钻孔越近,气体压力下降速度越快;在各个层面、纵面及断面上,煤层瓦斯等压线均呈现出以钻孔为中心的圆环形分布,距离钻孔越近,瓦斯流速越大;地应力集中区和受采动影响较小的原始区的煤层渗透性较差,瓦斯抽采过程中,气体压力降低较慢,抽采难度大。(2)煤层变形受地应力、抽采位置、抽采时间和煤层气体压力等因素的共同影响,且抽采初期的煤层变形速率较大;煤层σ1方向的变形普遍大于σ2和σ3方向的变形,σ3方向的变形与煤层所受的地应力大小σ3呈正比;由于最先产生变形的煤层引起的泊松效应限制了距离抽采位置较远煤层的变形量,所以距离抽采位置越近,抽采过程中煤层变形速率和最终变形量越大;煤层中的气体压力越大,煤层变形速率越快,在气体压力降低并趋于稳定后,煤层变形达到一个稳定状态。(3)煤层瓦斯解吸吸热导致煤层温度下降,且温度和流量具有很好的相关性,都表现出在抽采初期下降较快,后期下降缓慢,其中温度随时间的下降量符合对数函数关系;距抽采钻孔越近,瓦斯解吸速度及温度下降越快、温度下降量越大,且垂直钻孔方向的温度梯度大于平行钻孔方向的温度梯度;初始气体压力越大,瓦斯解吸速度及煤层温度下降越快、温度下降量越大,而有效应力越大,瓦斯解吸速度及温度下降越慢、温度下降量越小,表明初始气体压力对解吸过程中煤层温度的影响效果较地应力更加显著。
【关键词】：煤层瓦斯 抽采 气体压力 温度 变形
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD712.6
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-9
• 1 绪论9-15
• 1.1 问题的提出及研究意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-13
• 1.2.1 煤层渗透性研究现状分析10-11
• 1.2.2 煤层瓦斯抽采研究现状分析11
• 1.2.3 物理模拟实验研究现状分析11-13
• 1.3 研究内容及技术路线13-15
• 1.3.1 研究内容13-14
• 1.3.2 技术路线14-15
• 2 煤层瓦斯抽采物理模拟实验方法15-31
• 2.1 实验装置15-18
• 2.1.1 模型相似比15-16
• 2.1.2 多场耦合煤层瓦斯抽采物理模拟实验系统16-18
• 2.2 煤样采集与煤试件制备18-24
• 2.2.1 煤试件制作19
• 2.2.2 煤粉粒径配比优化实验研究19-20
• 2.2.3 型煤的物理力学性质测试20-24
• 2.3 实验方案及实验步骤24-31
• 2.3.1 实验方案24-26
• 2.3.2 传感器布设26-27
• 2.3.3 实验步骤27-31
• 3 煤层瓦斯抽采过程中煤层参数的时空演化规律31-69
• 3.1 物理模拟实验全过程中的地应力和进口端气体压力31-34
• 3.2 煤层气体压力的时空演化规律34-49
• 3.2.1 地应力水平改变对气体压力分布的影响34-44
• 3.2.2 气体压力改变对气体压力分布的影响44-49
• 3.3 煤层变形的时空演化规律49-59
• 3.3.1 地应力改变的煤层变形的影响49-54
• 3.3.2 气体压力改变对煤层变形的影响54-59
• 3.4 煤层温度的时空演化规律59-69
• 3.4.1 地应力改变对煤层温度演化规律的影响59-64
• 3.4.2 气体压力改变对煤层温度演化规律的影响64-69
• 4 不同吸附性气体对煤层参数演化的影响69-99
• 4.1 煤层气体压力69-88
• 4.1.1 时间演化规律69-78
• 4.1.2 空间演化规律78-86
• 4.1.3 不同吸附性气体对煤层气体压力分布的影响86-88
• 4.2 煤层变形88-94
• 4.2.1 时间演化规律88-90
• 4.2.2 空间演化规律90-92
• 4.2.3 不同吸附性气体对煤层变形的影响92-94
• 4.3 煤层温度94-99
• 4.3.1 时间演化规律94-95
• 4.3.2 空间演化特性95-96
• 4.3.3 不同吸附性气体对煤层温度的影响96-99
• 5 不同抽采方式对煤层参数演化的影响99-121
• 5.1 不同抽采位置的影响99-111
• 5.1.1 煤层气体压力99-104
• 5.1.2 煤层变形104-108
• 5.1.3 煤层温度108-111
• 5.2 不同抽采长度的影响111-121
• 5.2.1 煤层气体压力111-115
• 5.2.2 煤层变形115-117
• 5.2.3 煤层温度117-121
• 6 结论与展望121-123
• 6.1 主要结论121-122
• 6.2 主要创新点122
• 6.3 后续研究工作展望122-123
• 致谢123-125
• 参考文献125-131
• 附录131

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