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低渗透含瓦斯煤岩体渗透率压敏效应的实验研究

作　者: 姚俊耀
导　师: 唐建新
学　校: 重庆大学
专　业: 采矿工程
关键词: 渗透率压敏效应流固耦合钻孔抽放数值模拟
分类号: TD712
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

煤炭在我国能源结构中占有举足轻重的地位。在煤炭的井工开采中，由瓦斯引起的灾害事故严重影响和制约着煤矿的生产安全和发展。然而瓦斯又是一种可利用的、洁净的、高热值的能源，随着我国经济的发展和能源结构的调整，瓦斯必将成为21世纪主要的能源之一。无论是将瓦斯作为灾害因素加以防治，还是作为清洁能源加以利用，其基础在于认识清楚瓦斯在煤岩体这种非常规储层中的赋存和流动规律。本文在实验的基础上，根据含瓦斯煤岩的特点，利用流固耦合、有限元分析相关理论，运用数值模拟的方法，得到了一些有益的研究成果：（1）通过实验室模拟软弱煤层在地应力场中的渗透性实验，得出煤岩在加载及卸载过程中的渗透率变化规律，定义了渗透率的压敏效应指数，其变化规律与渗透率随有效应力的变化规律相似，能很好的反映渗透率的演化规律；同时将实验结果与数值模拟、现场实测结合起来，结果表明两者匹配性较好。（2）从含瓦斯煤岩的物性特征出发，基于孔隙率的基本定义，考虑到游离瓦斯压力变化对煤体颗粒体积变形的影响，推导出了孔隙率的数学表达式。运用多孔介质有效应力理论，利用一系列假设，推导出了含瓦斯煤岩变形控制方程。基于含瓦斯煤岩体渗透率的压敏效应，并充分考虑到Klinkenberg效应、基质收缩效应的影响，推导出了渗透率的数学表达式。从瓦斯的运移的一系列基本假设出发，运用达西渗流定律、质量守恒定律，推导出瓦斯运移控制方程。利用COMSOLMultiphyscis多物理场耦合分析软件对实验结果进行了验证。（3）对不同条件下单孔抽放瓦斯运移规律进行了分析。初始阶段，瓦斯压力变化较大，瓦斯压力梯度较大，瓦斯涌出量大；随着抽放时间的推移，煤储层内瓦斯压力逐渐降低，瓦斯压力梯度也随之降低，瓦斯抽放范围不断增大。这表明在钻孔抽放的初始阶段，瓦斯抽放量很大，持续一段时间后，瓦斯量逐渐衰减并趋于稳定。（4）模拟了顺层多个钻孔抽放瓦斯条件下，瓦斯运移规律。随着抽放时间的增长，各钻孔的抽放范围不断扩大，钻孔之间产生相互影响。随着钻孔间距的减小，钻孔间影响作用增强，煤层瓦斯压力降低更快。同时由于瓦斯压力下降更快，在抽采后期，Klinkenberg效应和基质收缩效应出现的可能性更大，应加强观测，及时调整抽放部署。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
1 绪论  9-19
  1.1 概述  9-10
  1.2 含瓦斯煤岩渗流特性的研究现状  10-12
  1.3 煤层瓦斯流固耦合理论研究的现状  12-13
  1.4 国内外瓦斯抽放技术研究现状  13-15
    1.4.1 国外瓦斯抽放技术研究现状  13-14
    1.4.2 国内瓦斯抽放技术研究现状  14-15
  1.5 本文研究内容及技术路线  15-19
    1.5.1 研究内容  15-16
    1.5.2 技术路线  16-19
2 含瓦斯煤岩渗透率压敏效应的实验研究  19-57
  2.1 概述  19
  2.2 原岩应力场下瓦斯渗流试验  19-38
    2.2.1 实验方案的设计  19
    2.2.2 取样要求  19-20
    2.2.3 试件加工  20
    2.2.4 试验系统  20-21
    2.2.5 实验步骤及方案  21-22
    2.2.6 煤岩渗透率与有效应力的关系  22-38
  2.3 实验结果的分析  38-42
    2.3.1 渗透率与有效应力关系的数学描述  38-39
    2.3.2 地应力场中煤岩体的渗流特性分析  39
    2.3.3 煤岩渗透率敏感系数与有效应力的关系  39-42
  2.4 压敏效应的工程应用  42-55
    2.4.1 井田概况  42
    2.4.2 试验区概况  42-43
    2.4.3 考察钻孔布置  43-45
    2.4.4 透气性系数等值线图的绘制  45-46
    2.4.5 采动影响下煤层渗透率的演化  46-55
  2.5 本章小结  55-57
3 基于压敏效应的含瓦斯煤岩流固耦合理论  57-77
  3.1 引言  57
  3.2 含瓦斯煤岩的物性特征  57-64
    3.2.1 含瓦斯煤岩的孔隙结构  57-62
    3.2.2 含瓦斯煤岩的渗透特性  62-64
  3.3 含瓦斯煤岩的变形控制方程  64-65
    3.3.1 本构方程  64
    3.3.2 应力平衡方程  64-65
    3.3.3 几何变形方程  65
  3.4 煤层瓦斯流动理论  65-72
    3.4.1 含瓦斯煤岩体中瓦斯的赋存状态  65-66
    3.4.2 煤层瓦斯压力  66
    3.4.3 含瓦斯煤岩体的吸附理论及煤层瓦斯含量  66-70
    3.4.4 瓦斯运移的控制方程  70-72
  3.5 试验结果的数值验证  72-76
  3.6 本章小结  76-77
4 基于压敏效应的钻孔抽放瓦斯的数值模拟  77-99
  4.1 引言  77
  4.2 考虑压敏效应的钻孔抽放瓦斯流固耦合模型  77-79
    4.2.1 物理模型  77-78
    4.2.2 定解条件  78-79
  4.3 顺层单孔抽放瓦斯的数值模拟  79-93
    4.3.1 几何模型的建立  79-80
    4.3.2 初始条件和边界条件  80
    4.3.3 数值计算结果及分析  80-93
  4.4 顺层多个钻孔抽放瓦斯的数值分析  93-98
    4.4.1 几何模型  93
    4.4.2 初始条件和边界条件  93
    4.4.3 数值模拟结果及分析  93-98
  4.5 本章小结  98-99
5 结论与展望  99-103
  5.1 主要结论  99-100
  5.2 后续研究工作展望  100-103
致谢  103-105
参考文献  105-111
附录  111
  A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文  111

低渗透含瓦斯煤岩体渗透率压敏效应的实验研究

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