基于潤東煤業(yè)煤巖體熱力耦合作用下瓦斯?jié)B流特性研究.pdf

1、我國煤與瓦斯突出礦井約占我國煤礦總數(shù)的一半左右，制約煤炭安全、綠色、高效生產(chǎn)的瓦斯問題越來越嚴重。研究煤體瓦斯?jié)B流特性，可以為解決我國煤礦低透氣性煤層瓦斯抽采難、抽采率低等問題提供理論依據(jù)，對于提高瓦斯抽采效果，促進我國煤礦的安全生產(chǎn)以及開發(fā)新型能源利用具有重要現(xiàn)實意義。
　　基于此背景，論文以能夠真實反映煤巖體特征的原煤煤樣（山西晉煤集團陽城晉圣潤東煤業(yè)3號煤層）為研究對象，通過實驗設(shè)備改裝設(shè)計、瓦斯?jié)B透性實驗、理論分析、現(xiàn)場驗

2、證及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對煤樣瓦斯?jié)B透性規(guī)律進行了研究分析，主要內(nèi)容如下：
　　1.全應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)S伺服控溫滲流實驗裝置的設(shè)計與改裝，實驗系統(tǒng)包括：煤樣試件密封系統(tǒng)；軸壓與圍壓加卸載系統(tǒng)；變溫自動控制系統(tǒng)；負壓自動控制系統(tǒng)；流量、應(yīng)力、應(yīng)變等自動監(jiān)測與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
　　2.對煤體結(jié)構(gòu)類型以及煤層瓦斯物理特征及運移規(guī)律進行分析，確定原煤煤樣作為目標煤樣。對煤樣進行了工業(yè)性分析，并對煤的孔隙率(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)進行了測定。
　　3.進行了不同溫度與圍壓條件下煤樣全應(yīng)力-應(yīng)變過程力學(xué)實驗，得出了圍壓及溫度變化對煤樣的抗壓強度、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.進行了煤樣瓦斯?jié)B透性測試，分析了軸壓、圍壓、有效應(yīng)力、孔隙壓力及溫度變化對滲透率的影響，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。
　　（3）溫度變化對煤樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)及瓦斯的吸附解吸產(chǎn)生的變化，基于實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)滲透率與溫度變化符合“S”曲線模型。
　?。?）溫度T=25~80℃，煤巖滲透率存在兩個溫度敏感區(qū)，分別在30~50℃和60~70

5、℃。
　　（5）在礦井埋深370 m處施工1號抽放鉆孔（15號煤層）、250 m處施工2號抽放鉆孔（3號煤層），通過對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，較好地驗證了加載應(yīng)力對煤樣瓦斯?jié)B流特性的實驗結(jié)論。
　　5.基于單孔瓦斯?jié)B流模型對實驗工況進行COMSOL數(shù)值分析數(shù)值模擬，其模擬結(jié)果和實驗值吻合度較高。
　　其創(chuàng)新點可以歸納為3個方面：
　　1.通過應(yīng)力場-滲流場實驗研究，并結(jié)合數(shù)

6、值模擬驗證，推演出山西晉煤集團陽城晉圣潤東煤業(yè)有限公司3號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.通過應(yīng)力場-溫度場-滲流場的實驗研究，并結(jié)合數(shù)值模擬驗證，得到煤樣的溫度和滲透率關(guān)系曲線呈“S”型，其函數(shù)模型：此處公式省略：
　　3.利用溫度敏感性分析，得到山西晉煤集團陽城晉圣潤東煤業(yè)有限公司3號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)。
　　通過實驗研究、數(shù)值模