煤体双重孔隙特征及钻孔瓦斯流动规律研究

发布时间：2018-10-22 14:40

【摘要】：煤炭在我国一次能源结构中占据着主要的地位,在煤炭开采当中,瓦斯既是一种引起灾变的因素,又是一种高效清洁的能源,因此,煤矿要施行“煤与瓦斯共采”。但是,目前我国对于这项技术还没有系统科学的理论依据,大部分还是以经验为主。针对以上情况,本文以钻孔中的瓦斯流动为研究对象,采用理论分析、实验研究、数值模拟、现场试验验证相结合的方法,系统研究破碎煤岩体中瓦斯的解吸特性及流动规律、钻孔周围煤体的结构特性以及钻孔内部的瓦斯运移规律等,希望该研究成果能为瓦斯抽采提供一定的理论依据,并能对工程实践有一定的指导作用。煤的瓦斯吸附解吸实验可以为瓦斯抽采和瓦斯突出的预测提供关键技术参数,也可以为研究煤中瓦斯的吸附和放散机理提供依据。因此,本文设计了三组煤的瓦斯吸附解吸实验,分别为煤粒处于一个大气压下解吸的动态瓦斯吸附解吸实验、煤粒处于封闭空间内的变压解吸实验和煤样在不同受载情况下的解吸实验,得出了煤粒处于一个大气压下和封闭空间内放散时,瓦斯累积解吸量随时间的变化关系,而且同一粒径的煤样,瓦斯解吸量随着解吸时初始压力的增大而增加;通过分析,还得到了煤中瓦斯的解吸模型,模型中的一个参数为瓦斯的最大解吸量,研究表明其大小与初始压力有关而与粒度没有明显的变化关系,另一个参数则是反映解吸速率的物理量,其值与初始压力和粒径有关;同时得出煤中瓦斯在不同受载条件下解吸时的瓦斯解吸模型与煤粒在一个大气压下解吸的模型相同,表明该模型可以应用于煤在大气压下的解吸,与煤的破碎程度和受载条件无关。煤粒瓦斯流动的基本规律一直是广大学者研究的重要问题,是建立双重孔隙结构钻孔瓦斯流动模型的关键基础。根据所做的实验,本文进行了四种条件下的数值模拟研究,分别以菲克定律和达西定律为基础,建立了球形煤粒在定压条件下的瓦斯放散模型,采用有限差分法进行离散,并运用VB编程解算,然后将两种模拟结果和实验结果进行对比,发现达西模拟结果与实验结果的拟合程度要远高于菲克定律,证明在煤粒的微小孔隙系统中,瓦斯流动更符合达西渗流定律;利用同样的数值模拟方法,分别对球形煤粒的吸附及圆柱形煤粒的瓦斯放散过程进行模拟,得出煤粒中的瓦斯流动服从达西定律,与瓦斯流动形式和煤粒的形状无关;根据菲克和达西定律,分别建立了球形煤粒在封闭空间内的瓦斯放散模型,通过模拟得出,在ln[1-(Qt/Q∞)2]~t图中,菲克模拟结果均为直线,而达西模拟和实验结果均为曲线且较吻合,充分说明了瓦斯在煤粒中的流动符合达西定律而不是菲克定律。煤体是由包含孔隙的煤粒和裂隙组成的双重结构体,钻孔内的瓦斯流动过程可以看作是瓦斯先从煤的孔隙表面解吸出来,然后经煤基质扩散渗流,最后再从裂隙中渗流流入钻孔内的一个连续过程。根据煤体这种双重孔隙的结构特点,利用质量守恒定律等可以建立煤基质中的瓦斯流动方程和钻孔周围煤体裂隙中的瓦斯流动方程,两者联立可得到双重孔隙结构钻孔瓦斯流动数学模型。采用六点有限差分的方法对模型进行离散求解,并推导出函数一阶和二阶导数的六点差分表示形式。依次对煤基质瓦斯流动方程和钻孔裂隙瓦斯流动方程进行离散化,为了便于求解,将两个差分方程组分别用矩阵的形式表示出来,运用vb语言编程进行解算。在设计程序时,求解裂隙瓦斯流动方程需先求解煤基质瓦斯流动方程,得到其瓦斯源项,而求解煤基质瓦斯流动方程时又需先求解裂隙瓦斯流动方程得到其边界条件。为解决这一矛盾关系,可先给裂隙瓦斯流动方程设定一个瓦斯源值,根据求解步骤先求解裂隙瓦斯流动方程,将求得的裂隙瓦斯压力值赋值给煤基质瓦斯流动方程作为压力边界,解算煤基质瓦斯流动方程,根据煤基质瓦斯流动方程解算结果求得新的瓦斯源项值,将此值与设定的瓦斯源项值进行比较,若两者之间的误差小于一个极小值,则认为这一时刻煤体瓦斯流动方程解算成功,对程序进行处理,最终得到了钻孔瓦斯流动分析软件。根据自行编制的钻孔瓦斯流动分析软件进行数值模拟实验,首先对钻孔模型进行了简化,并进行了参数设置。最终得到了钻孔裂隙周围瓦斯压力分布规律,表明随着时间的延长,从裂隙出口开始向钻孔壁深处方向煤体内部瓦斯压力逐渐减小;同时也得到了钻孔周围的瓦斯压力分布规律,表明随着时间的延长,钻孔周围瓦斯压力降低区域逐渐向外扩散,时间越长,瓦斯压力降低越明显;得到了裂隙周围瓦斯含量分布规律,表明随着时间的延长,从裂隙出口开始向煤体深处煤体内部瓦斯含量逐渐减小;钻孔周围的瓦斯含量分布规律表明,随着时间的延长,钻孔周围瓦斯含量降低区域逐渐向外扩散,时间越长,瓦斯含量降低得越明显;另外,还得到了煤基质内瓦斯压力及解吸速度和累积解吸量的变化规律,并且通过分析发现钻孔瓦斯涌出速度的对数和时间的对数呈线性关系,从而得出钻孔瓦斯涌出速度随时间的变化公式,进而得到了钻孔瓦斯累积流量随时间的变化公式;在此基础上,分别分析了裂隙透气性系数和煤基质透气性系数对煤体瓦斯压力、瓦斯含量和瓦斯涌出变化的影响,并得到了两种透气性系数的变化对钻孔瓦斯涌出速度公式中参数的影响规律。还分析了煤体储层压力对瓦斯压力、瓦斯含量变化的影响,得到了当储层压力变化时,钻孔瓦斯涌出速度和累积流量的变化规律以及涌出速度公式中参数的变化规律。为了进一步研究钻孔瓦斯的流动规律,需要现场测定钻孔瓦斯流量的变化,以便找寻其规律。通过对测量钻孔瓦斯涌出速度的瞬时流量计和测量钻孔瓦斯累积流量的累计流量计进行优缺点分析,选择得到了两种最适合的流量计分别为ZLD-2型钻孔多级流量计和高精度的煤气表作为测量仪器;通过分析制定了现场测定方案,并进行了钻孔瓦斯流量的现场测定,分别得到了钻孔瓦斯涌出速度和钻孔瓦斯累积流量随时间的变化规律;为了体现双重孔隙结构钻孔瓦斯流动模型的优越性,在物理假设的基础上又建立了钻孔瓦斯流动的连续介质模型,并进行了数值模拟,将基于连续介质和双重介质模型的模拟结果和测定结果进行比较,得出利用双重介质模拟的钻孔瓦斯涌出速度与实测结果基本符合,只是在中间某些点有偏差,而连续介质模拟的结果速度衰减较慢,这是因为连续介质计算时把孔隙裂隙看作一个整体,采用相同的裂隙透气性系数,而双重介质模型中煤粒孔隙的透气性系数要远小于裂隙的透气性系数,因此前者整体的透气性系数要大于后者,涌出速度较大。对于钻孔瓦斯累积流量,初期三者比较吻合,一段时间后,连续介质的模拟结果逐渐开始偏离。所以,双重介质模型是更加符合现场实际的钻孔瓦斯涌出模型。本文的创新性主要体现在以下四点:(1)提出了煤中瓦斯的解吸模型。利用自行研制的实验系统,设计了三组煤的瓦斯吸附解吸实验,得到了煤在不同条件下解吸量随时间的变化规律,并推导出了煤中瓦斯的解吸模型,特别是得到了煤中瓦斯在大气压下的解吸模型,该模型对工程实践有一定的指导意义。(2)揭示了煤粒微小孔隙系统中的瓦斯流动规律。分别以菲克和达西定律为基础,建立了煤粒中瓦斯的流动方程,然后利用有限差分的方法离散并进行数值模拟,通过四种不同条件下对模拟结果和实验结果的对比,得出在煤粒的微小孔隙系统中,瓦斯流动符合达西定律。而且作为基本定律,它应适用于各种条件,无论是吸附或解吸过程,也无论外部压力变化与否,或者煤粒形状如何改变,理论与实验结果都吻合。(3)建立了双重孔隙结构钻孔瓦斯流动数学模型。分析了煤是具有双重孔隙结构的煤体,根据其结构特点,在物理假设的基础上,利用质量守恒定律、达西定律以及理想气体状态方程,分别建立了煤基质瓦斯流动方程和钻孔裂隙的瓦斯流动方程,两者联立最终得到了双重孔隙结构钻孔瓦斯流动方程,并根据实际情况得出了方程的初始条件和边界条件。(4)开发了钻孔瓦斯流动分析软件。根据建立的双重孔隙结构钻孔瓦斯流动模型,引入六点有限差分的方法,对模型进行了离散,并用矩阵的形式表示出来,然后运用VB编制程序对有限差分模型进行了解算,同时编制了钻孔瓦斯流动分析软件。利用该软件分析得到了裂隙及钻孔周围瓦斯压力和瓦斯含量随时间的变化规律,同时通过分析钻孔瓦斯涌出速度和累积流量随时间的变化曲线,得到了钻孔瓦斯涌出速度随时间变化的公式。
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【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】：2015
【分类号】：TD712.5

【参考文献】