压应力作用下煤体瓦斯解吸及渗流规律研究

发布时间：2017-10-01 15:07

  本文关键词：压应力作用下煤体瓦斯解吸及渗流规律研究

  更多相关文章： 吸附解吸 应力 渗透率模型 流固耦合

【摘要】：煤层中瓦斯运移过程是一种涉及到瓦斯吸附解吸、煤体渗透率演化等因素的复杂的多物理场相互耦合过程,研究这个过程,对于理解现场环境中瓦斯快速释放规律,以及改进煤层瓦斯抽采手段具有重要的意义。与地面煤层气开采不同,井下的采掘作业破坏了原有的瓦斯赋存环境,改变了含瓦斯煤体受力状态。对于特定区域的煤体,这种受力状态的改变主要体现在了两方面:(一)应力集中区的产生:如巷道的掘进造成了掘进工作面前方与两侧产生了应力集中或煤层中施工钻孔使得钻孔周围产生应力集中等。(二)应力变化的时效性:如掘进过程中的应力前移,或者工作面周期来压导致工作面前方煤体应力的变化等。又由于井下煤体普遍处于受压状态中,因此使得我们在研究井下瓦斯运移规律时,需要特别考虑压应力作用下应力的变化对于煤体瓦斯的解吸及渗流特征的影响。瓦斯主要以吸附状态赋存于煤体之中,当压应力作用于煤体时,应力不仅将煤体微孔结构中的游离瓦斯气体压出,同时对煤体吸附界面做功,使得瓦斯分子脱离煤体吸附界面,甚至使得煤体发生破坏。因此,总体上来说,当压应力加载于煤体后,不仅解吸速度增大,某时刻的累积解吸量也会增大。本文以压应力作用下煤粒瓦斯解吸特征为切入点,自行设计了应力加载下煤粒瓦斯的吸附解吸系统,研究了不同吸附平衡压力环境中压应力对不同气体解吸的影响。煤体的渗透率与煤体的裂隙发育有密切关系。当应力作用于煤体时,如果压应力足够大,煤体破裂产生新的裂隙,煤体的渗透率将会产生较大的变化。为研究这个过程,本文通过进行三轴应力下的渗透率实验研究煤体从未受应力至破裂过程中的渗透率演化,并通过声发射监测煤体内部破坏情况。如果压应力较小,煤体不足以产生新的贯穿裂隙时,应力会对煤体的原始节理产生影响,同时改变煤体的吸附解吸能力,导致影响吸附形变,进而致使煤体节理开度发生变化,因而改变煤体的渗流过程。为了描述这个阶段的渗透率,在本文中,作者根据Hol的吸附模型,引入了M吸附修正因子用来表征应力对煤体吸附能力的影响,结合内膨胀因子fa及配分系数fe,建立了应力作用下煤体的各向异性渗透率模型,且对模型进行了验证。最后通过多孔介质力学,建立了含有M及不含M的含瓦斯煤体的流固耦合模型,并对其进行了数值计算。论文的主要研究内容与结论如下:(1)压应力对煤体瓦斯吸附能力影响的机理分析通过热力学理论,分析了压应力对煤体瓦斯吸附能力影响的机理,并引入了M吸附修正因子的概念。分析认为,压应力会使得煤体的吸附界面产生变化,改变煤体吸附界面上瓦斯分子的受力状态,因而使得煤体表面势垒降低,瓦斯分子更易脱离煤体吸附界面,即压应力降低了煤体对瓦斯的吸附能力,促使了瓦斯在煤中的解吸。根据hol的吸附热力学模型,引入了m吸附修正因子的概念,用于计算应力作用后煤体对瓦斯的吸附量。(2)建立了考虑应力对吸附能力影响变化条件下的各向异性渗透率模型通过引入表征裂隙开度的变化量与基质长度量之比的配分系数fe与表征因吸附变形所导致的裂隙开度的变化量与基质长度的变化量之比的内膨胀因子fa,结合m吸附修正因子,建立了考虑吸附能力变化条件下的各向异性渗透率模型。具体研究内容如下:通过参数的敏感性分析发现,将表征应力对煤体吸附能力变化的m吸附修正因子引入常规渗透率模型后,发现在一定的参数范围内,m会对渗透率的计算结果产生明显的影响,从而说明了引入m吸附修正因子的必要性。然后,将m结合内膨胀因子fa及配分系数fe后,建立了考虑吸附能力变化条件下的各向异性渗透率模型。并给出了不同情况下fe的计算方法。然后运用以往的实验数据,对模型进行了验证。(3)设计并搭建了压应力作用下煤粒瓦斯的吸附解吸实验系统根据相关标准,设计并搭建了压应力加载下煤粒瓦斯的吸附解吸实验系统。该实验系统共分为真空脱气系统、煤样储存及应力加载系统、充气吸附系统、气体解吸系统、数据采集系统五大子系统。通过在不锈钢煤样罐中封入千斤顶来实现应力对煤体颗粒的加载。采用o型圈密封形式改进了千斤顶与罐体及法兰与法兰间在高压情况下的密封效果。使用该系统能够进行压应力加载下煤粒瓦斯的吸附量及解吸量的测定工作。(4)压应力加载下不同气体解吸特征的实验研究在不同气体压力环境中,通过对煤粒施加不同的压应力,研究了n2、ch4及co2的解吸特征。具体内容如下:对吸附平衡压力为0.6mpa及1.7mpa的煤粒分别进行0-16mpa间几个应力阶段的加载,测定其解吸曲线。通过langmuir型解吸方程对解吸曲线进行拟合发现,整体上来说langmuir型方程说可以很好的描述压应力作用下煤粒瓦斯的解吸曲线,尤其是放散初期的曲线,在后期的放散过程中,曲线的拟合效果逐渐变差。实验同时发现,压应力对不同气体的解吸过程均有促进作用,随着应力的增大,三种气体的解吸量出现了波动式增大的特征。通过对解吸速度的拟合研究发现,加载压应力后,解吸速度逐渐增大,同时解吸速度的衰减速度也将逐渐增大。另外,如果平衡压力相同,加载应力相同的条件下,三种气体的初始解吸速度co2ch4n2。(5)三轴应力作用下煤体渗透率演化规律实验研究通过三轴渗透率测试实验,研究煤体在从未受力至失稳阶段的渗透率演化规律。通过声发射装置监测到的加载过程中的声发射次数及声发射能量研究煤体在加载过程中的破坏情况,并与煤体渗透率的测定结果相结合,研究压应力作用下煤体渗流率的演化特征。实验发现,在应力加载初始阶段,声发射振铃计数很小,随着应力的增加声发射振铃计数开始出现明显增加,当煤体发生破坏后,声发射振铃计数增速减小。应力加载下的声发射能量变化也具有相似的趋势。声发射信号的特征反映了煤体内部的破坏情况,对应煤体渗透率的演化特征。当声发射信号开始密集时,煤体渗透率也开始升高。在全应力应变过程中,煤样渗透率出现了先降低,然后下降趋势变缓再升高的特征。单轴应变量与渗透率的关系近似“U”型曲线。(6)含瓦斯煤体流固耦合模型的建立及数值计算在建立的考虑吸附能力变化条件下的各向异性渗透率模型的基础上结合多孔介质弹性力学、Darcy定律及质量守恒定律,建立了考虑吸附修正因子M与不考虑M的含瓦斯煤体流固耦合模型,并通过COMSOL Multiphysics软件,对流固耦合模型进行了数值解算,然后评估了Langmuir体积形变及内膨胀因子对渗透率的影响。(7)应力对瓦斯解吸及渗流的控制机理现场验证通过结合井下现场应力扰动(工作面推进速度、工作面来压、掘进工作面放炮)与瓦斯涌出量变化情况,分析井下动力扰动与瓦斯涌出量变化之间的对应关系,验证压应力作用下应力对瓦斯解吸及渗流的控制机理。工作面推进速度、工作面来压、掘进工作面放炮都对工作面周围的应力分布造成了影响,而且通过对瓦斯涌出量监测发现,在应力扰动造成工作面周围的应力改变时,瓦斯涌出量也发生了改变,这种应力变化与瓦斯涌出量之间的良好对应关系说明,工作面推进速度、工作面来压、掘进工作面放炮通过改变含瓦斯煤体的受力情况影响瓦斯的解吸和渗流,进而控制了工作面瓦斯的涌出量。通过现场监测数据,压应力作用下应力对瓦斯解吸及渗流的控制机理得到了很好的验证。
【关键词】：吸附解吸 应力 渗透率模型 流固耦合
【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】：2016
【分类号】：TD712
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-14
• 1 绪论14-26
• 1.1 论文选题背景及研究意义14-15
• 1.2 国内外研究现状15-23
• 1.2.1 瓦斯解吸放散的影响因素15-18
• 1.2.2 煤体瓦斯解吸放散模型18-20
• 1.2.3 煤体渗透率影响因素20-23
• 1.2.4 含瓦斯煤渗透率模型23
• 1.3 存在的主要问题23-24
• 1.4 主要研究研究目标、内容方法与技术路线24-26
• 1.4.1 主要研究目标24
• 1.4.2 论文的主要研究内容24-25
• 1.4.3 研究方法及技术路线25-26
• 2 压应力对煤体瓦斯吸附及渗流率影响的机理分析26-58
• 2.1 压应力对煤体吸附能力的影响26-28
• 2.2 渗透率模型的建立28-56
• 2.2.1 新型渗透率模型建立的背景29-33
• 2.2.2 M吸附修正因子对渗透率的影响分析33-40
• 2.2.3 渗透率模型的建立40-49
• 2.2.4 模型的验证49-56
• 2.3 本章小结56-58
• 3 压应力对煤体瓦斯解吸规律影响的研究58-106
• 3.1 压应力对煤体瓦斯解吸规律影响的实验研究58-99
• 3.1.1 实验系统及实验方法58-66
• 3.1.2 压应力对煤体瓦斯解吸累积解吸量的影响分析66-82
• 3.1.3 压应力对煤体瓦斯解吸速度的影响分析82-98
• 3.1.4 压应力对煤粒瓦斯解吸的影响机理分析98-99
• 3.2 构造煤与原生结构煤的吸附能力比较99-104
• 3.2.1 构造煤与原生结构煤的吸附能力比较99-101
• 3.2.2 煤与瓦斯突出机理分析101-104
• 3.3 本章小节104-106
• 4 三轴应力作用下煤体渗透率演化实验研究106-124
• 4.1 实验系统及实验方法106-111
• 4.1.1 实验系统106-108
• 4.1.2 煤样的采集与制备108-109
• 4.1.3 实验方法109-111
• 4.2 三轴应力作用下煤体破坏特征研究111-115
• 4.2.1 三轴应力加载后煤样声发射振铃计数特征分析111-113
• 4.2.2 三轴应力加载后煤样声发射能量特征分析113-115
• 4.3 三轴应力作用下煤体渗透率演化规律分析115-122
• 4.3.1 全应力-应变曲线特征115-118
• 4.3.2 三轴应力作用下煤体渗透率演化规律分析118-122
• 4.4 本章小结122-124
• 5 含瓦斯煤体流固耦合模型的建立及数值分析124-140
• 5.1 含瓦斯煤体流固耦合模型的建立124-132
• 5.1.1 动态孔隙率模型124-126
• 5.1.2 煤体变形控制方程126-127
• 5.1.3 气体流动控制方程127-128
• 5.1.4 含瓦斯煤体的流固耦合方程128-130
• 5.1.5 忽略M吸附修正因子的含瓦斯煤体的流固耦合方程130-132
• 5.2 数值分析132-138
• 5.2.1 边界条件设置132-133
• 5.2.2 数值计算结果分析133-138
• 5.3 本章小节138-140
• 6 工作面采掘应力扰动对瓦斯解吸运移规律的影响研究140-150
• 6.1 矿井概况140-141
• 6.2 8101回采工作面采动应力对瓦斯涌出的影响分析141-144
• 6.2.1 8101工作面概况141
• 6.2.2 工作面推进速度对瓦斯涌出量的影响141-143
• 6.2.3 工作面来压对瓦斯涌出量的影响143-144
• 6.3 炮掘工作面采动应力下的瓦斯涌出规律144-149
• 6.3.1 1011机巷炮掘工作面概况144
• 6.3.2 掘进工作面放炮后的瓦斯涌出特征及其来源分析144-149
• 6.4 本章小结149-150
• 7 结论与展望150-154
• 7.1 结论150-152
• 7.2 创新点152
• 7.3 展望152-154
• 参考文献154-166
• 致谢166-168
• 作者简介168

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 野田和俊 ,吴余超;矿用瓦斯自动警报器的响应特性[J];煤矿安全;1984年09期

2 瑞语;又见瓦斯,又见瓦斯[J];百科知识;2005年01期

3 解张伟;;瓦斯到底能怎么样造福人类?[J];党政干部文摘;2005年10期

4 邴吉杰;浅议瓦斯管路系统中阻爆装置的应用[J];煤矿安全;2000年07期

5 李学诚;安全排放瓦斯的作法[J];煤矿安全;2001年01期

6 郑丙建,王彦凯,王建林,付国延;调压技术在防治瓦斯中的应用[J];煤矿安全;2001年07期

7 尹志华;排放高浓度盲巷瓦斯造成全风压汇合处瓦斯逆流的原因分析[J];矿业安全与环保;2002年01期

8 李子林 ,李之军;潘西煤矿高瓦斯区瓦斯规律及防治对策[J];山东煤炭科技;2002年05期

9 聂光国,张建国;综合防治瓦斯 解放生产力[J];中国煤炭;2003年11期

10 聂光国 ,张建国;综合防治瓦斯 解放生产力[J];河南科技;2003年10期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 王玉麟;王君杰;;低浓瓦斯综合利用新技术研究[A];全国暖通空调制冷2010年学术年会论文集[C];2010年

2 王红卫;费奇;;智能瓦斯预报系统[A];企业发展与系统工程——中国系统工程学会第七届年会论文集[C];1992年

3 李瑞敬;;瓦斯逆流现象原因分析及防治措施[A];河北省煤炭工业科学技术工作会议论文集[C];2006年

4 杨双安;宁书年;张会星;姜铁明;;三维地震勘探技术预测瓦斯的研究成果[A];第六次全国煤炭工业科学技术大会文集[C];2005年

5 吴强;张保勇;;瓦斯水合化技术研究进展[A];第七次煤炭科学技术大会文集（下册）[C];2011年

6 李长庚;;淮南矿区瓦斯浓缩技术应用及市场前景分析[A];2010年安徽省科协年会——煤炭工业可持续发展专题研讨会论文集[C];2010年

7 郭江涛;;风电瓦斯闭锁功能设计与现场实现[A];第五届全国煤炭工业生产一线青年技术创新文集[C];2010年

8 禄利刚;郭畅;程龙彪;;节能减排视角下我国瓦斯的抽采和综合利用[A];全国煤矿井下安全避险及瓦斯治理技术理论与实践[C];2011年

9 彭苏萍;;瓦斯富集部位高分辨地震探测技术及其应用[A];中国煤炭学会第六次全国会员代表大会暨学术论坛论文集[C];2007年

10 姜文忠;;采空冒落区瓦斯扩散-通风对流模拟研究[A];2007年全国煤矿安全学术年会会议资料汇编[C];2007年

中国重要报纸全文数据库 前10条

1 实习生 解张伟;瓦斯到底能怎么样造福人类？[N];科技日报;2005年

2 中经;把瓦斯变成拳头产品[N];中国安全生产报;2007年

3 罗虎昌;大湾矿瓦斯月发电量创纪录[N];中国煤炭报;2006年

4 本报记者　 陈晓军;“西北第一瓦斯站”的尴尬[N];甘肃日报;2006年

5 白增安邋郭东;救援围绕降低瓦斯浓度展开[N];河北日报;2007年

6 张沉;山西的新瓦斯时代[N];经济观察报;2006年

7 记者 杨沛洁邋实习生 赵峰涛;瓦斯“恶魔”越来越“温顺”[N];平顶山日报;2007年

8 黄强;逢春煤矿“瓦斯自动放水器”安全效率高[N];经理日报;2007年

9 胡明军;打通一矿治理岩溶瓦斯有新招[N];经理日报;2008年

10 张延颖;河北金牛葛泉矿新装备筑牢瓦斯防线[N];中国矿业报;2008年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 董丁稳;基于安全监控系统实测数据的瓦斯浓度预测预警研究[D];西安科技大学;2012年

2 徐乐华;钻孔初始瓦斯流量法预测石门揭煤突出危险性的实验研究[D];中国矿业大学;2015年

3 陈文胜;瓦斯水合固化过程热效应实验研究[D];中国矿业大学;2015年

4 薛飞;无煤柱煤与瓦斯共采中抽采钻孔采动破坏机理研究[D];中国矿业大学;2015年

5 倪冠华;脉动压裂过程中瓦斯微观动力学特性及液相滞留机制研究[D];中国矿业大学;2015年

6 赵勇;低频机械振动含瓦斯煤耦合场渗流特性研究[D];西安科技大学;2015年

7 吴立云;“三软”煤层瓦斯参数变化特征及突出预警模型研究[D];河南理工大学;2014年

8 胡泊;压应力作用下煤体瓦斯解吸及渗流规律研究[D];中国矿业大学(北京);2016年

9 李刚;瓦斯浓度的分形分析与混沌预测模型研究[D];中国矿业大学（北京）;2009年

10 刘彦伟;煤粒瓦斯放散规律、机理与动力学模型研究[D];河南理工大学;2011年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 董骏;井下瓦斯浓度检测机器人的设计[D];河北联合大学;2014年

2 班擎宇;义忠煤矿突出危险声—电—瓦斯前兆规律及预警技术研究[D];中国矿业大学;2015年

3 申宏敏;顺层钻孔抽采瓦斯固—气耦合模型及在黄岩汇矿的应用研究[D];中国矿业大学;2015年

4 贾靳;海孜煤矿86采区7#煤层粉化煤体瓦斯解吸规律研究[D];中国矿业大学;2015年

5 张欣雨;基于改进Lyapunov指数的煤矿井下瓦斯浓度预测研究[D];山西大学;2015年

6 陈树亮;含瓦斯煤层水力致裂的瓦斯驱赶实验研究[D];中国矿业大学;2015年

7 谭玉林;煤层群上位煤层开采瓦斯运移规律及治理研究[D];湖南科技大学;2015年

8 刘少博;新义矿顺层抽采钻孔瓦斯运移规律及封孔技术研究[D];河南理工大学;2014年

9 盛锴;基于多场耦合大直径钻孔预抽煤巷条带瓦斯技术研究[D];河南理工大学;2014年

10 薛王龙;掘进工作面水力割缝抽采瓦斯的数值模拟研究[D];太原理工大学;2016年

，

本文编号：954112