華北中南部中高煤級(jí)構(gòu)造煤瓦斯擴(kuò)散規(guī)律及控制機(jī)理研究.pdf

1、擴(kuò)散在瓦斯運(yùn)移產(chǎn)出過(guò)程中發(fā)揮著重要作用，針對(duì)以往構(gòu)造煤瓦斯擴(kuò)散特性研究多采用顆粒煤樣和解吸擴(kuò)散法進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)煤樣和方法不能客觀反映原始煤層物性特征和儲(chǔ)層條件，控制機(jī)理缺乏結(jié)合煤的微觀結(jié)構(gòu)分析內(nèi)外因素的耦合作用，現(xiàn)有擴(kuò)散模型存在理想化程度高、準(zhǔn)確性低、適用條件不明確等問(wèn)題，從煤層在井下的實(shí)際賦存狀態(tài)出發(fā)，采用氣相色譜擴(kuò)散法和解吸擴(kuò)散法兩種擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定方法，開(kāi)展了模擬地層條件下構(gòu)造煤瓦斯擴(kuò)散規(guī)律實(shí)驗(yàn)，分析了兩種方法反映構(gòu)造煤瓦斯擴(kuò)散規(guī)律的差異

2、性和適用性，探討了圍壓、氣壓、溫度、煤質(zhì)、煤體結(jié)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)等因素對(duì)瓦斯擴(kuò)散規(guī)律影響及耦合控制機(jī)理，構(gòu)建了反映不同地層條件下的構(gòu)造煤瓦斯擴(kuò)散模型，并對(duì)新模型進(jìn)行了驗(yàn)證和應(yīng)用，論文取得了以下主要研究成果：
　?。?）探討了四類煤體結(jié)構(gòu)原煤柱狀煤樣制作方法，針對(duì)碎粒-糜棱煤柱狀煤樣制作困難這一難題，提出了構(gòu)造煤等靜壓制作柱狀煤樣方法。
　?。?）采用壓汞、液氮吸附、小角X射線散射、掃描電鏡等方法獲取了構(gòu)造煤微觀孔裂隙的特性，提出

3、了構(gòu)造煤全孔徑分形維數(shù)定量表征方法，為揭示構(gòu)造煤瓦斯擴(kuò)散控制機(jī)理奠定了基礎(chǔ)。
　　①無(wú)煙煤、貧煤孔容主要集中在微孔和過(guò)渡孔，肥煤孔容主要集中在過(guò)渡孔和中孔，而孔比表面積均集中在微孔；無(wú)煙煤、貧煤、肥煤的總孔容、總比表面積、退汞效率隨破壞程度增大而增大，中值孔徑、排驅(qū)壓力隨破壞程度的增大而減小，但在不同的破壞階段，增加或減小的速率不同。
　　②相同孔徑段，小角X射線散射測(cè)定的孔比表面積明顯大于液氮吸附所測(cè)結(jié)果，高出1.7~8.

4、8倍左右，以無(wú)煙煤增幅最大，可能由封閉孔隙含量增多導(dǎo)致。
　?、鄱x并提出了構(gòu)造煤全孔徑分形維數(shù)計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了不同有效測(cè)試范圍內(nèi)壓汞和液氮吸附分形維數(shù)的有效統(tǒng)一，便于對(duì)構(gòu)造煤非均質(zhì)性進(jìn)行定量表征。
　?、軣o(wú)煙煤、貧煤、肥煤顯微裂隙發(fā)育總數(shù)隨破壞程度的增大呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，以碎裂煤最為發(fā)育。
　?。?）采用氣相色譜法對(duì)柱狀煤樣和解吸法對(duì)顆粒煤樣進(jìn)行了擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定，研究了兩種方法反映構(gòu)造煤瓦斯擴(kuò)散規(guī)律的差異性和

5、適用性，探討了圍壓、氣壓、溫度、破壞程度等不同地層條件下構(gòu)造煤瓦斯擴(kuò)散規(guī)律。
　?、俅罱藲庀嗌V法模擬原始地層條件瓦斯擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定試驗(yàn)平臺(tái)。
　?、跉庀嗌V法采用原煤柱狀煤樣進(jìn)行測(cè)試，可同時(shí)施加有圍壓、氣壓、溫度影響，解吸法采用顆粒煤樣進(jìn)行測(cè)試，僅施加有氣壓、溫度，未考慮圍壓影響，兩種擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定方法都反映了構(gòu)造煤的瓦斯擴(kuò)散規(guī)律，但屬于不同的地層賦存狀態(tài)，兩者不能簡(jiǎn)單替代；前者主要應(yīng)用于原始煤層擴(kuò)散速率預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)，后者主要

6、應(yīng)用于瓦斯含量測(cè)定過(guò)程中損失量計(jì)算。
　?、蹥庀嗌V法測(cè)定的無(wú)煙煤、貧煤、肥煤四類煤擴(kuò)散系數(shù)隨圍壓的增大呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系減小；隨氣壓的增大呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系增大；隨溫度的升高呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系增大；在相同圍壓、氣壓、溫度條件下，無(wú)煙煤、貧煤、肥煤四類煤擴(kuò)散系數(shù)隨著破壞程度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律；相同破壞程度煤樣隨著變質(zhì)程度增大呈現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律。
　?、芙馕y(cè)定的無(wú)煙煤、貧煤、肥煤四類煤擴(kuò)散系數(shù)隨氣壓的增大呈現(xiàn)指數(shù)增大

7、；隨溫度的升高呈線性關(guān)系增大；在相同的氣壓和溫度條件下，無(wú)煙煤、貧煤、肥煤四類煤擴(kuò)散系數(shù)隨著破壞程度的增加而增大；相同破壞程度煤樣隨著變質(zhì)程度增大而增大。這與氣相色譜擴(kuò)散法測(cè)定的構(gòu)造煤擴(kuò)散規(guī)律顯著不同，反映了構(gòu)造煤在不同地層條件下的瓦斯擴(kuò)散規(guī)律。
　　（4）分析了圍壓、溫度、氣壓、煤質(zhì)、煤體結(jié)構(gòu)、微觀孔裂隙結(jié)構(gòu)等內(nèi)外因素對(duì)瓦斯擴(kuò)散規(guī)律的耦合影響及控制機(jī)理，構(gòu)建了反映不同地層條件下的構(gòu)造煤瓦斯擴(kuò)散模型，并對(duì)新模型進(jìn)行了驗(yàn)證和應(yīng)用。<

8、br>　　①溫度對(duì)不同地層狀態(tài)下構(gòu)造煤瓦斯擴(kuò)散的影響基本一致，擴(kuò)散系數(shù)均隨著溫度升高而增大，作用機(jī)理主要通過(guò)改變氣體分子的均方根速度和平均自由程。
　?、跉鈮簩?duì)構(gòu)造煤擴(kuò)散規(guī)律影響，宏觀上均呈現(xiàn)擴(kuò)散系數(shù)隨氣壓升高而增大，但控制機(jī)理不同，分兩種情況，一是當(dāng)擴(kuò)散煤樣施加有圍壓影響時(shí)，受力學(xué)作用、吸附作用綜合控制，其主控因素為有效應(yīng)力作用；圍壓條件下構(gòu)造煤擴(kuò)散系數(shù)具有效應(yīng)力負(fù)效應(yīng)。二是當(dāng)擴(kuò)散煤樣未施加圍壓影響，相當(dāng)于卸壓狀態(tài)，氣壓主要改變

9、吸附氣體內(nèi)外濃度差和氣體分子均方根速度和平均自由程；卸壓作用對(duì)煤樣本身的微觀孔隙結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生重要影響，可能導(dǎo)致部分封閉、半封閉孔隙打開(kāi)。
　?、巯嗤瑴貕簵l件下，氣相色譜法測(cè)定的擴(kuò)散系數(shù)隨著變質(zhì)程度和破壞程度的增高呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，主要受微觀孔隙結(jié)構(gòu)和顯微裂隙共同耦合控制。解吸法測(cè)定的構(gòu)造煤擴(kuò)散系數(shù)隨著變質(zhì)程度和破壞程度的增高而增大，主要受原始孔隙結(jié)構(gòu)特征和原始微觀結(jié)構(gòu)受外界環(huán)境變化影響后再分布特征控制，其中微孔、細(xì)頸瓶孔

10、、部分封閉孔起主導(dǎo)作用。由此可見(jiàn)，兩種方法測(cè)定的擴(kuò)散系數(shù)雖然都反映了構(gòu)造煤的瓦斯擴(kuò)散特性，但關(guān)鍵控制因素不同，各有特定的適用條件，兩種方法測(cè)定的擴(kuò)散系數(shù)不能簡(jiǎn)單替代使用。
　?、芤罁?jù)影響構(gòu)造煤瓦斯擴(kuò)散規(guī)律的主控因素，選擇不同的建模工具和原理，構(gòu)建了反映不同地層條件下的構(gòu)造煤瓦斯擴(kuò)散模型：基于氣相色譜法建立的構(gòu)造煤瓦斯擴(kuò)散耦合數(shù)學(xué)模型，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)原始煤層條件下構(gòu)造煤的瓦斯擴(kuò)散系數(shù)預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)；基于解吸法的建立的構(gòu)造煤分形-時(shí)效-Fic