高应力煤体物理结构演化特性对瓦斯运移影响机制研究

发布时间：2020-10-29 19:46

　　 煤层瓦斯是一种重要的清洁能源,而影响其运移规律的主要参数为扩散和渗流。当开采进入深部高应力区域,煤层瓦斯抽采相对困难,利用以经典双重孔隙裂隙煤体结构为基础的气体运移模型预测瓦斯产量效果较差。这主要是由于高应力条件下煤体物理结构变化,从而影响了瓦斯气体的扩散和渗流运移规律。本文主要采用岩石力学、流体力学、渗流力学、吸附科学、分形几何学、扩散动力学等理论知识,利用流体侵入法、扫描电镜法、CT处理法、自主研制的高应力煤体扩散特性测试装置等不同实验手段,分析了煤体孔隙扩散和裂隙渗流系统;并结合以基质微元体概念为基础的高应力煤体扩散模型,获取了不同应力条件下有效体扩散系数和体扩散系数的演化规律;利用裂隙结构中的岩桥物质对应力的工程和自然应变响应规律,建立相应的渗透率演化模型;最终,构建了适用于深部高应力煤层瓦斯运移的气固耦合模型,得到的主要结论如下:1)采用多种测试手段从不同角度表征了煤的孔裂隙系统。基于分形维数理论和压汞法确定了孔隙扩散和裂隙渗流系统的分界孔径,对于比表面积分形和孔容分形,可知研究样品中1-3 mm颗粒煤和块状煤的分界孔径基本均处于30-40nm之间,两种分形方法获取的分界孔径较为接近。煤体孔隙率在高应力状态下对应力变化的敏感度较低,反应了裂隙渗透率变化幅度较小,说明了裂隙在高应力状态基本处于“闭合”形态。结合孔裂隙系统中气体的运移规律,建立了不同运移行为对瓦斯产量主控作用转换模型。2)煤的形态差异造成扩散特性不同。基于全过程解吸量与时间关系,建立了考虑吸附态瓦斯损失量的煤粒扩散模型,结果表明粒径为0.2-0.25 mm和1-3mm样品的扩散系数大约在1×10~(-11) m~2/s-2×10~(-11) m~2/s和1.1×10~(-9) m~2/s-1.7×10~(-9)m~2/s之间,说明粒径越大扩散系数越大。此外,以圆柱体形状为基质单元,建立了无应力状态下圆柱体和立方体形状煤体扩散模型,在不同吸附平衡压力条件下,两者的扩散系数分别大约在0.8×10~-1010 m~2/s-3.3×10~-1010 m~2/s和0.76×10~-1010 m~2/s-1.95×10~-1010 m~2/s之间,同处相同量级。0.2-0.25 mm颗粒煤与圆柱形态煤体扩散系数量级相同,但相同时间单位质量煤解吸量却相差2-2.5倍左右,这主要是由于两种形态煤的基质形状因子存在差异,而形状因子同样是影响解吸扩散量的重要因素,经计算0.2-0.25 mm颗粒煤的形状因子大约是圆柱形态煤的26.5倍。3)探讨了高应力对煤体物理结构的改造作用。分别从CT和渗透率实验来研究煤体裂隙空间随应力变化的演化特性,获取高应力状态下煤体结构特征,并基于此将煤体看作由无数连通的孔隙外加煤实体组成的一个拓扑形态网络,网络中存在无数个相似的局部孔隙系统,而局部孔隙系统是以气体分子扩散长度为量纲截取基质微元体,从而提出了高应力状态下煤体的孔隙网络拓扑微元体结构模型。同时,在一定的合理假设条件下,提出了扩散长度与应力之间满足Langmuir形式的理论关系,建立了考虑应力因素的高应力煤体扩散模型。4)获得高应力煤体自然放散条件下扩散系数规律。应力为20 MPa、30 MPa和40 MPa的不同吸附平衡压力下,体扩散系数和有效体扩散系数分别处于1.83×10~(-19) m~2/s-7.02×10~(-19) m~2/s和5.6×10~(-6) 1/s-25.41×10~(-6) 1/s之间。并且高应力煤体的体扩散系数和有效体扩散系数均是随着吸附平衡压力增加而增加的;但在相同吸附平衡压力前提下,煤体应力越大,体扩散系数越大,而有效体扩散系数越小。相比无应力煤体,高应力煤体因应力因素造成物理结构发生改造,引起扩散形式转变为低扩散能力的表面扩散为主,这也是造成高应力煤层瓦斯难抽采的重要因素之一。5)获取高应力煤体逐级放散条件下扩散系数规律。不同放散压力梯度对瓦斯扩散性能同样影响较大,以40 MPa应力及5 MPa瓦斯平衡压力为实验基础,获得当压力梯度均为1 MPa时,体扩散系数最大为1-0.1 MPa对应的9.96×10~(-19)m~2/s,最小值为5-4 MPa对应的3.21×10~(-19) m~2/s,说明体扩散系数在边界条件压力递减过程中是逐步增加的;而对于不同放散压力梯度5-4 MPa、5-2 MPa和5-0.1 MPa实验,体扩散系数分别为3.21×10~(-19) m~2/s、6.37×10~(-19) m~2/s和7.02×10~(-19)m~2/s,体现了压力梯度越大,体扩散系数越大。6)构建基于不同裂隙应变响应模式的渗透率演化模型。根据渗透率受控于有效应力变形和吸附膨胀变形共同影响,获得了渗透率演化中回弹和恢复机制;研究固定参数条件下,储层初始压力和裂隙压缩系数对渗透率回弹和恢复影响,获取瓦斯压力达到阈值后,渗透率均会出现回弹和恢复现象;而对于内部膨胀系数而言,则相反,煤体渗透率始终不会出现回弹和恢复现象。7)运用多场气固耦合模型分析煤层瓦斯运移规律。分别采用适用于深部高应力和浅部低应力煤体的多场气-固耦合模型,获取两种应力区域下煤体瓦斯的运移特性,对比分析获取了深部高应力煤体瓦斯难以抽采的本质原因为煤体物理结构模型改造。此外,针对于深部煤层瓦斯抽采量主控因素转换关系展开数值研究,可知渗流起到主控作用相比于扩散作用的时间较短,深部煤层瓦斯的流动基本受控于扩散机制。最终,利用压降系数探讨了抽采钻孔互扰情况,获取了梯形布孔模式效果是优于矩形模式、菱形模式的。该论文有图95幅,表32个,参考文献213篇。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TD712
【部分图文】：

，这主要是由于在利用扩散模型时，颗粒形态可以很好的克服模型部分假设规定的条件。如果单纯的从颗粒煤扩散特性测试的实验方法进行分类，主要由三类：压力法、容积法和重量法[27,88-90]。其中，压力法和容积法需要非常准确地测定样品罐和空隙体积，而对于压力法中气体吸附量是通过读取记录的压力数值进行计算的，容积法则是可以通过记录的压力或气体体积计算。重量法则是利用在一个精确平衡的恒压条件下让样品机械悬浮通过磁力联轴器悬挂在高压容器壁上，从而计算气体的吸附量。而这三种测试方法运用到实验仪器示意图，如图1-1所示。图1-1颗粒煤扩散特性测试装置[91]Figure1-1Diffusioncharacteristictestingdeviceofcoalparticle压力法是运用最为广泛的一种，主要是通过监测样品罐和参考罐中气体在解

孀疟渲?程度的增加扩散系数是先迅速降低后缓慢增长，而在湿润煤体中的扩散系数是小于干燥煤体的。互扩散法尽管可以有效消除煤中由于压力梯度形成的渗流行为，但缺点依旧很明显，即稳定状态的形成需要较长时间，并且该方法只能在低压下进行，这种低压状态与深部三高状态（高应力，高压力、高含量）煤层是不太相符的，因而获得的扩散系数能否利用于深部煤层瓦斯抽采还是存在较大疑问。Chen[109]利用互扩散设备测定了一些人造和天然孔隙介质的扩散系数，系统地研究了稳态扩散系数与介质的孔隙率、渗透率和连通性的关系。图1-2煤体扩散特性测试装置Figure1-2Diffusioncharacteristictestingdeviceofcoalmass除了上述两种比较经典的利用煤（岩）体作为研究对象的扩散系数测定实验，其它学者还依据自身的理论设计了一些实验仪器及计算方法来获取煤岩体或类似物质的扩散系数。Zhao[110]基于二次互扩散中的瞬态流设计了一种新的测试煤体扩散系数的实验装置以及相对应的数学模型，其主要的工作原理是首先将圆柱形样品放置于罐体中，并注入高压的甲烷气体使得煤体得以达到吸附平衡状态，而此时罐体中的甲烷浓度即使煤体内部甲烷的浓度；接着与罐体中相同瓦斯压力的氦气注入进入罐体中，且此时需要抽出罐体中的混合气体到固定体积的容器中以保证罐体中的气体压力恒定，经过这一系列措施，同一种气体在煤体内外环境下一定的浓度差形成了甲烷/氦气的扩散。该实验方法的优点是可以尽可能的减小大孔隙中气体的流动对微孔隙中气体流动的影响，因为大孔隙中的气体流动规

1绪论15化模型；在此基础上，分析模型演化过程中影响渗透率回弹和恢复效应的因素。5）气固耦合模型在深部煤层瓦斯抽采工程应用基于对深部高应力煤体扩散和渗流特性研究结果，结合应力变形方程，构建适用于深部高应力煤体的气固耦合模型；通过对比高应力和低应力煤体瓦斯抽采过程中压力和流量的演化规律，获取煤体物理结构的改变是造成深部高应力煤体瓦斯难以抽采的本质原因；同时运用耦合模型解算瓦斯抽采过程中主控因素角色转换关系，以及分析多孔之间的互扰情况并探讨了布孔模式。1.4.2研究思路本文主要运用岩石力学，流体力学，渗流力学，吸附科学，扩散动力学和表面化学等理论方法，采用理论分析，实验室试验和数值模拟相结合的手段，围绕深部高应力条件下煤体物理结构特性，开展煤体孔裂隙系统中瓦斯运移规律的相关研究。首先采集相关样品，运用多种表征手段描述煤的孔裂隙系统，并建立不同瓦斯运移形态对产量主控作用转换模型；针对于不同形态煤体，分别构建合适的扩散模型描述其扩散特性并分析差异性；结合CT扫描和渗透率测定实验研究高应力条件下煤体物理结构，并基于应力参数及扩散长度，构建高应力煤体扩散动力学模型，利用该模型分析自然和逐级降压条件下煤体的放散特性；从裂隙结构对不同应变响应模式的角度，建立了一种新的渗透率演化模型，并分析其渗透率恢复和回弹现象；最后通过建立的适用于深部高应力煤体的气固耦合模型，研究了不同背景下的工程应用。本次的研究工作深化了对深部高应力煤层瓦斯运移规律的认识，可为深部高应力煤层瓦斯抽采提供理论基矗论文的技术路线如图1-3所示。图1-3技术路线图Figure1-3Structurechartoftechnicalroute
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本文编号：2861366