低滲透煤層瓦斯抽放理論與應(yīng)用研究.pdf

1、在煤礦開采中，瓦斯災(zāi)害一直是威脅煤礦安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一。雖然國內(nèi)外學(xué)者在瓦斯治理方面進(jìn)行了大量艱苦的工作，但收效甚微。目前，本煤層瓦斯預(yù)抽放措施仍然被認(rèn)為是預(yù)防瓦斯災(zāi)害最有效的方法之一。但是，隨著煤層開采深度的增加，煤層透氣性隨之減小，從而嚴(yán)重影響了煤層瓦斯的抽放率和瓦斯抽放效果。因此，解決低滲透煤層的瓦斯抽放已成為確保煤礦安全生產(chǎn)，提高煤礦生產(chǎn)效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人類對(duì)能源需求的增大，煤層氣資源的開發(fā)與利用也日益倍

2、受關(guān)注。我國的絕大多數(shù)煤田均為低滲透煤層，因此開展低滲透煤層的瓦斯抽放研究具有重要的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。 本文首先較詳細(xì)地分析了我國的煤層氣的形成條件，基本特征，資源狀況和煤層氣的開發(fā)利用現(xiàn)狀，回顧了瓦斯抽放的現(xiàn)狀和存在的問題，總結(jié)了目前廣泛使用的多種瓦斯抽放方法的特點(diǎn)及其適用條件，闡釋了瓦斯流動(dòng)理論以及各種煤層氣儲(chǔ)層數(shù)學(xué)模型的研究現(xiàn)狀，提出了本煤層水力割縫的基本研究思想和理論，并進(jìn)行了以下主要的研究工作： 1、以孔隙介

3、質(zhì)逾滲理論、概率論為基礎(chǔ)，提出了孔隙裂隙雙重介質(zhì)的逾滲研究方法。采用數(shù)值模擬的方法研究了孔隙裂隙雙重介質(zhì)的逾滲現(xiàn)象及逾滲閾值分布規(guī)律，揭示了孔隙裂隙雙重介質(zhì)逾滲的基本特性。研究表明，孔隙裂隙雙重介質(zhì)的逾滲閾值不是一個(gè)定值，而是孔隙率(n)、裂隙分形維數(shù)(D)、裂隙數(shù)量分布初值(N0)三個(gè)變量的函數(shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： f(n，N0，D)=npc-n-N0Exp(-9.8687)·Exp(4.7917D)，其中，npc—孔隙介質(zhì)逾滲

4、閾值，n—孔隙裂隙介質(zhì)的孔隙率，N0—孔隙裂隙介質(zhì)的裂隙數(shù)量分布初值，D—孔隙裂隙介質(zhì)的裂隙分形維數(shù)。當(dāng)f(n，N0，D)≥0時(shí)，孔隙裂隙雙重介質(zhì)內(nèi)部出現(xiàn)逾滲團(tuán)，介質(zhì)可滲透，反之介質(zhì)內(nèi)部沒有逾滲團(tuán)、不可滲透。 2、通過對(duì)我國十多個(gè)煤礦的煤層進(jìn)行逾滲模擬計(jì)算，得到了煤體的逾滲概率(p)與滲透系數(shù)(k)之間的關(guān)系為： K=0.1468Exp(2.8197p)以煤體逾滲概率為依據(jù)，提出了煤體滲透性的逾滲分類方法，為煤體滲透性分

5、類提供了新的方法。 3、通過對(duì)潞安礦業(yè)集團(tuán)3＃煤層煤樣進(jìn)行鉆孔及水力割縫抽放的大型三維固流耦合實(shí)驗(yàn)研究，揭示了水力割縫提高低滲透煤層瓦斯抽放率的機(jī)理和割縫的瓦斯排放規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，煤體割縫后，瓦斯的初期排放速度和排放量顯著增加，對(duì)400米埋深的煤層，割縫可使初期排放速度提高3倍，排放量提高4倍；對(duì)800米埋深的煤層，割縫可使初期排放速度提高16倍，排放量提高9倍，并大幅度提高了瓦斯抽放速度。 通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，揭示了

6、瓦斯排放過程中煤體有效應(yīng)力的變化規(guī)律，即隨著排放時(shí)間延長(zhǎng)，瓦斯壓力(p)隨時(shí)間變化遵循指數(shù)衰減規(guī)律：p=a·Exp(-b·t)；煤體有效應(yīng)力(σi)隨時(shí)間變化遵循對(duì)數(shù)增加規(guī)律：σi=aIn(t)+b；有效應(yīng)力系數(shù)(α)隨時(shí)間變化遵循對(duì)數(shù)減小規(guī)律：α=a-bIn(t)；在瓦斯排放過程中有效應(yīng)力系數(shù)與煤體有效體積應(yīng)力(Θ’)及瓦斯壓力(p)遵循雙線性關(guān)系：α=a0-a1Θ’-a2p+a3Θ'p。 通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)煤體割縫過程中

7、發(fā)生煤與瓦斯噴出的現(xiàn)象。噴出強(qiáng)度與煤層埋深有關(guān)，埋深越大，強(qiáng)度越大。在800米深度地壓作用下，割縫排出的煤體量約為試件體積的10％，煤體卸壓徹底，抽放效果明顯；在400米深度地壓作用下，割縫排出的煤體量?jī)H為試件體積的2％。采用數(shù)值實(shí)驗(yàn)方法研究了煤體的非均質(zhì)參數(shù)與煤體突出指標(biāo)E/λ值的關(guān)系，結(jié)果表明：E/λ值與非均質(zhì)參數(shù)m之間呈指數(shù)關(guān)系：(E/λ)=3.0131·(m-1)-1.1676。 4、煤體是孔隙裂隙雙重介質(zhì)，由于孔隙、裂

8、隙的存在，使得煤體的強(qiáng)度與滲透系數(shù)的均勻性極差，它的表征單元體積(REV)線性尺度不易確定，不能較準(zhǔn)確的描述煤體的物理特性。通過引入非均質(zhì)參數(shù)，描述煤體的強(qiáng)度與滲透系數(shù)，并將它們用到以連續(xù)介質(zhì)為基礎(chǔ)而建立的煤體變形與瓦斯?jié)B流的固氣耦合數(shù)學(xué)模型中，實(shí)現(xiàn)了用連續(xù)、擬連續(xù)介質(zhì)的固氣耦合模型解決孔隙—裂隙雙重介質(zhì)模型、塊裂介質(zhì)模型的固氣耦合模型的問題，不僅簡(jiǎn)化了理論，而且大大地簡(jiǎn)化了數(shù)值計(jì)算模型的建立。論文詳細(xì)論述了非均質(zhì)固體變形與氣體滲流的耦

9、合數(shù)學(xué)模型的建立及其解法，以及非均質(zhì)模型的構(gòu)建方法、非均質(zhì)材料的變形與破壞模擬方法。在此基礎(chǔ)上，編制和開發(fā)了主要用于研究非均質(zhì)巖體的“巖石試驗(yàn)及工程分析——RTEA2D”軟件(RockTestingandEngineeringAnalysis)。 5、以潞安3＃煤層為背景，利用RTEA2D軟件進(jìn)行了煤層割縫抽放瓦斯的數(shù)值實(shí)驗(yàn)研究。計(jì)算結(jié)果表明：煤體割縫后，在割縫上下兩側(cè)出現(xiàn)尺度不等的拉伸裂隙，在割縫的兩端出現(xiàn)上下垂直的剪切裂隙，

10、裂隙群的大小和埋深、割縫的水平寬度有關(guān)。對(duì)于潞安3＃煤層，厚度6米，埋深400米，割縫寬度4～5米時(shí)，裂隙群可以連通6米厚的煤層，使煤層內(nèi)出現(xiàn)逾滲團(tuán)，抽放率大幅度提高。400米埋深的煤層，實(shí)施寬度為5米的水力割縫后，抽放一個(gè)月，百米鉆孔的抽放率可達(dá)到38.5％，累計(jì)抽放量為22026立方米；抽放兩個(gè)月后，百米鉆孔的抽放率可達(dá)到62.2％，累計(jì)抽放量為35613.8立方米。 利用RTEA2D軟件研究了煤體割縫后埋深對(duì)煤層瓦斯排放速

11、度的影響。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，采用鉆孔抽放瓦斯，抽放速度隨煤層埋深的增加而減??；而采用割縫強(qiáng)化抽放瓦斯，抽放速度隨煤層埋深的增加而增大，200米埋深的初期最大抽放速度是100米埋深的1.7倍，400米埋深的初期最大抽放速度是200米埋深的2.2倍，數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果與室內(nèi)瓦斯抽放試驗(yàn)結(jié)果相吻合。 6、通過在潞安煤業(yè)集團(tuán)五陽煤礦7601工作面的工業(yè)性試驗(yàn)，完成了水力割縫強(qiáng)化瓦斯抽放的一整套技術(shù)工藝。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，使用70MPa的水射流進(jìn)行