基于潤(rùn)東煤業(yè)煤巖體熱力耦合作用下瓦斯?jié)B流特性研究.pdf

1、我國(guó)煤與瓦斯突出礦井約占我國(guó)煤礦總數(shù)的一半左右，制約煤炭安全、綠色、高效生產(chǎn)的瓦斯問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重。研究煤體瓦斯?jié)B流特性，可以為解決我國(guó)煤礦低透氣性煤層瓦斯抽采難、抽采率低等問(wèn)題提供理論依據(jù)，對(duì)于提高瓦斯抽采效果，促進(jìn)我國(guó)煤礦的安全生產(chǎn)以及開(kāi)發(fā)新型能源利用具有重要現(xiàn)實(shí)意義。
　　基于此背景，論文以能夠真實(shí)反映煤巖體特征的原煤煤樣（山西晉煤集團(tuán)陽(yáng)城晉圣潤(rùn)東煤業(yè)3號(hào)煤層）為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)備改裝設(shè)計(jì)、瓦斯?jié)B透性實(shí)驗(yàn)、理論分析、現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)

2、證及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)煤樣瓦斯?jié)B透性規(guī)律進(jìn)行了研究分析，主要內(nèi)容如下：
　　1.全應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)S伺服控溫滲流實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與改裝，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括：煤樣試件密封系統(tǒng)；軸壓與圍壓加卸載系統(tǒng)；變溫自動(dòng)控制系統(tǒng)；負(fù)壓自動(dòng)控制系統(tǒng)；流量、應(yīng)力、應(yīng)變等自動(dòng)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
　　2.對(duì)煤體結(jié)構(gòu)類(lèi)型以及煤層瓦斯物理特征及運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行分析，確定原煤煤樣作為目標(biāo)煤樣。對(duì)煤樣進(jìn)行了工業(yè)性分析，并對(duì)煤的孔隙率(K1)、瓦斯放散初速度(△p)、

3、煤的視密度(ARD)、煤的普氏系數(shù)(f)、煤的真密度(TRD)等基本參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定。
　　3.進(jìn)行了不同溫度與圍壓條件下煤樣全應(yīng)力-應(yīng)變過(guò)程力學(xué)實(shí)驗(yàn)，得出了圍壓及溫度變化對(duì)煤樣的抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比的影響規(guī)律，分析了力熱耦合作用下煤體的力學(xué)特性。
　　4.進(jìn)行了煤樣瓦斯?jié)B透性測(cè)試，分析了軸壓、圍壓、有效應(yīng)力、孔隙壓力及溫度變化對(duì)滲透率的影響，其主要結(jié)論如下：
　?。?）加載軸壓、圍壓在1~10 MPa，軸向應(yīng)力與

4、煤樣滲透率呈線(xiàn)性函數(shù)關(guān)系；圍壓與煤樣滲透率呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系；滲透率與軸壓和圍壓符合此處公式省略：的函數(shù)模型。
　?。?）基于煤樣 Klinkenberg效應(yīng)，滲透率與瓦斯壓力呈二次函數(shù)關(guān)系：K＝a+bp1+cp12。
　?。?）溫度變化對(duì)煤樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)及瓦斯的吸附解吸產(chǎn)生的變化，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)滲透率與溫度變化符合“S”曲線(xiàn)模型。
　?。?）溫度T=25~80℃，煤巖滲透率存在兩個(gè)溫度敏感區(qū)，分別在30~50℃和60~70

5、℃。
　　（5）在礦井埋深370 m處施工1號(hào)抽放鉆孔（15號(hào)煤層）、250 m處施工2號(hào)抽放鉆孔（3號(hào)煤層），通過(guò)對(duì)不同埋深的抽放鉆孔自然瓦斯流量、瓦斯抽放濃度以及衰減系數(shù)的考察，較好地驗(yàn)證了加載應(yīng)力對(duì)煤樣瓦斯?jié)B流特性的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。
　　5.基于單孔瓦斯?jié)B流模型對(duì)實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行COMSOL數(shù)值分析數(shù)值模擬，其模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)值吻合度較高。
　　其創(chuàng)新點(diǎn)可以歸納為3個(gè)方面：
　　1.通過(guò)應(yīng)力場(chǎng)-滲流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究，并結(jié)合數(shù)

6、值模擬驗(yàn)證，推演出山西晉煤集團(tuán)陽(yáng)城晉圣潤(rùn)東煤業(yè)有限公司3號(hào)煤原煤煤樣滲透率與軸壓和圍壓的函數(shù)模型：此處公式省略：????
　　2.通過(guò)應(yīng)力場(chǎng)-溫度場(chǎng)-滲流場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)研究，并結(jié)合數(shù)值模擬驗(yàn)證，得到煤樣的溫度和滲透率關(guān)系曲線(xiàn)呈“S”型，其函數(shù)模型：此處公式省略：
　　3.利用溫度敏感性分析，得到山西晉煤集團(tuán)陽(yáng)城晉圣潤(rùn)東煤業(yè)有限公司3號(hào)煤原煤煤樣的溫度高敏感區(qū)分布在30~50℃和60~70℃的范圍內(nèi)。
　　通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模