煤層瓦斯是一種重要的清潔能源,而影響其運(yùn)移規(guī)律的主要參數(shù)為擴(kuò)散和滲流。當(dāng)開采進(jìn)入深部高應(yīng)力區(qū)域,煤層瓦斯抽采相對(duì)困難,利用以經(jīng)典雙重孔隙裂隙煤體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的氣體運(yùn)移模型預(yù)測(cè)瓦斯產(chǎn)量效果較差。這主要是由于高應(yīng)力條件下煤體物理結(jié)構(gòu)變化,從而影響了瓦斯氣體的擴(kuò)散和滲流運(yùn)移規(guī)律。本文主要采用巖石力學(xué)、流體力學(xué)、滲流力學(xué)、吸附科學(xué)、分形幾何學(xué)、擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)等理論知識(shí),利用流體侵入法、掃描電鏡法、CT處理法、自主研制的高應(yīng)力煤體擴(kuò)散特性測(cè)試裝置等不同實(shí)驗(yàn)手段,分析了煤體孔隙擴(kuò)散和裂隙滲流系統(tǒng);并結(jié)合以基質(zhì)微元體概念為基礎(chǔ)的高應(yīng)力煤體擴(kuò)散模型,獲取了不同應(yīng)力條件下有效體擴(kuò)散系數(shù)和體擴(kuò)散系數(shù)的演化規(guī)律;利用裂隙結(jié)構(gòu)中的巖橋物質(zhì)對(duì)應(yīng)力的工程和自然應(yīng)變響應(yīng)規(guī)律,建立相應(yīng)的滲透率演化模型;最終,構(gòu)建了適用于深部高應(yīng)力煤層瓦斯運(yùn)移的氣固耦合模型,得到的主要結(jié)論如下:1)采用多種測(cè)試手段從不同角度表征了煤的孔裂隙系統(tǒng)�；诜中尉S數(shù)理論和壓汞法確定了孔隙擴(kuò)散和裂隙滲流系統(tǒng)的分界孔徑,對(duì)于比表面積分形和孔容分形,可知研究樣品中1-3 mm顆粒煤和塊狀煤的分界孔徑基本均處于30-40nm之間,兩種分形方法獲取的分界孔徑較為接近。煤體孔隙率在高應(yīng)力狀態(tài)下對(duì)應(yīng)力變化的敏感度較低,反應(yīng)了裂隙滲透率變化幅度較小,說(shuō)明了裂隙在高應(yīng)力狀態(tài)基本處于“閉合”形態(tài)。結(jié)合孔裂隙系統(tǒng)中氣體的運(yùn)移規(guī)律,建立了不同運(yùn)移行為對(duì)瓦斯產(chǎn)量主控作用轉(zhuǎn)換模型。2)煤的形態(tài)差異造成擴(kuò)散特性不同�；谌^(guò)程解吸量與時(shí)間關(guān)系,建立了考慮吸附態(tài)瓦斯損失量的煤粒擴(kuò)散模型,結(jié)果表明粒徑為0.2-0.25 mm和1-3mm樣品的擴(kuò)散系數(shù)大約在1×10~(-11) m~2/s-2×10~(-11) m~2/s和1.1×10~(-9) m~2/s-1.7×10~(-9)m~2/s之間,說(shuō)明粒徑越大擴(kuò)散系數(shù)越大。此外,以圓柱體形狀為基質(zhì)單元,建立了無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下圓柱體和立方體形狀煤體擴(kuò)散模型,在不同吸附平衡壓力條件下,兩者的擴(kuò)散系數(shù)分別大約在0.8×10~-1010 m~2/s-3.3×10~-1010 m~2/s和0.76×10~-1010 m~2/s-1.95×10~-1010 m~2/s之間,同處相同量級(jí)。0.2-0.25 mm顆粒煤與圓柱形態(tài)煤體擴(kuò)散系數(shù)量級(jí)相同,但相同時(shí)間單位質(zhì)量煤解吸量卻相差2-2.5倍左右,這主要是由于兩種形態(tài)煤的基質(zhì)形狀因子存在差異,而形狀因子同樣是影響解吸擴(kuò)散量的重要因素,經(jīng)計(jì)算0.2-0.25 mm顆粒煤的形狀因子大約是圓柱形態(tài)煤的26.5倍。3)探討了高應(yīng)力對(duì)煤體物理結(jié)構(gòu)的改造作用。分別從CT和滲透率實(shí)驗(yàn)來(lái)研究煤體裂隙空間隨應(yīng)力變化的演化特性,獲取高應(yīng)力狀態(tài)下煤體結(jié)構(gòu)特征,并基于此將煤體看作由無(wú)數(shù)連通的孔隙外加煤實(shí)體組成的一個(gè)拓?fù)湫螒B(tài)網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)中存在無(wú)數(shù)個(gè)相似的局部孔隙系統(tǒng),而局部孔隙系統(tǒng)是以氣體分子擴(kuò)散長(zhǎng)度為量綱截取基質(zhì)微元體,從而提出了高應(yīng)力狀態(tài)下煤體的孔隙網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湮⒃w結(jié)構(gòu)模型。同時(shí),在一定的合理假設(shè)條件下,提出了擴(kuò)散長(zhǎng)度與應(yīng)力之間滿足Langmuir形式的理論關(guān)系,建立了考慮應(yīng)力因素的高應(yīng)力煤體擴(kuò)散模型。4)獲得高應(yīng)力煤體自然放散條件下擴(kuò)散系數(shù)規(guī)律。應(yīng)力為20 MPa、30 MPa和40 MPa的不同吸附平衡壓力下,體擴(kuò)散系數(shù)和有效體擴(kuò)散系數(shù)分別處于1.83×10~(-19) m~2/s-7.02×10~(-19) m~2/s和5.6×10~(-6) 1/s-25.41×10~(-6) 1/s之間。并且高應(yīng)力煤體的體擴(kuò)散系數(shù)和有效體擴(kuò)散系數(shù)均是隨著吸附平衡壓力增加而增加的;但在相同吸附平衡壓力前提下,煤體應(yīng)力越大,體擴(kuò)散系數(shù)越大,而有效體擴(kuò)散系數(shù)越小。相比無(wú)應(yīng)力煤體,高應(yīng)力煤體因應(yīng)力因素造成物理結(jié)構(gòu)發(fā)生改造,引起擴(kuò)散形式轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛿U(kuò)散能力的表面擴(kuò)散為主,這也是造成高應(yīng)力煤層瓦斯難抽采的重要因素之一。5)獲取高應(yīng)力煤體逐級(jí)放散條件下擴(kuò)散系數(shù)規(guī)律。不同放散壓力梯度對(duì)瓦斯擴(kuò)散性能同樣影響較大,以40 MPa應(yīng)力及5 MPa瓦斯平衡壓力為實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ),獲得當(dāng)壓力梯度均為1 MPa時(shí),體擴(kuò)散系數(shù)最大為1-0.1 MPa對(duì)應(yīng)的9.96×10~(-19)m~2/s,最小值為5-4 MPa對(duì)應(yīng)的3.21×10~(-19) m~2/s,說(shuō)明體擴(kuò)散系數(shù)在邊界條件壓力遞減過(guò)程中是逐步增加的;而對(duì)于不同放散壓力梯度5-4 MPa、5-2 MPa和5-0.1 MPa實(shí)驗(yàn),體擴(kuò)散系數(shù)分別為3.21×10~(-19) m~2/s、6.37×10~(-19) m~2/s和7.02×10~(-19)m~2/s,體現(xiàn)了壓力梯度越大,體擴(kuò)散系數(shù)越大。6)構(gòu)建基于不同裂隙應(yīng)變響應(yīng)模式的滲透率演化模型。根據(jù)滲透率受控于有效應(yīng)力變形和吸附膨脹變形共同影響,獲得了滲透率演化中回彈和恢復(fù)機(jī)制;研究固定參數(shù)條件下,儲(chǔ)層初始?jí)毫土严秹嚎s系數(shù)對(duì)滲透率回彈和恢復(fù)影響,獲取瓦斯壓力達(dá)到閾值后,滲透率均會(huì)出現(xiàn)回彈和恢復(fù)現(xiàn)象;而對(duì)于內(nèi)部膨脹系數(shù)而言,則相反,煤體滲透率始終不會(huì)出現(xiàn)回彈和恢復(fù)現(xiàn)象。7)運(yùn)用多場(chǎng)氣固耦合模型分析煤層瓦斯運(yùn)移規(guī)律。分別采用適用于深部高應(yīng)力和淺部低應(yīng)力煤體的多場(chǎng)氣-固耦合模型,獲取兩種應(yīng)力區(qū)域下煤體瓦斯的運(yùn)移特性,對(duì)比分析獲取了深部高應(yīng)力煤體瓦斯難以抽采的本質(zhì)原因?yàn)槊后w物理結(jié)構(gòu)模型改造。此外,針對(duì)于深部煤層瓦斯抽采量主控因素轉(zhuǎn)換關(guān)系展開數(shù)值研究,可知滲流起到主控作用相比于擴(kuò)散作用的時(shí)間較短,深部煤層瓦斯的流動(dòng)基本受控于擴(kuò)散機(jī)制。最終,利用壓降系數(shù)探討了抽采鉆孔互擾情況,獲取了梯形布孔模式效果是優(yōu)于矩形模式、菱形模式的。該論文有圖95幅,表32個(gè),參考文獻(xiàn)213篇。
【學(xué)位單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：TD712
【部分圖文】：

，這主要是由于在利用擴(kuò)散模型時(shí)，顆粒形態(tài)可以很好的克服模型部分假設(shè)規(guī)定的條件。如果單純的從顆粒煤擴(kuò)散特性測(cè)試的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行分類，主要由三類：壓力法、容積法和重量法[27,88-90]。其中，壓力法和容積法需要非常準(zhǔn)確地測(cè)定樣品罐和空隙體積，而對(duì)于壓力法中氣體吸附量是通過(guò)讀取記錄的壓力數(shù)值進(jìn)行計(jì)算的，容積法則是可以通過(guò)記錄的壓力或氣體體積計(jì)算。重量法則是利用在一個(gè)精確平衡的恒壓條件下讓樣品機(jī)械懸浮通過(guò)磁力聯(lián)軸器懸掛在高壓容器壁上，從而計(jì)算氣體的吸附量。而這三種測(cè)試方法運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)儀器示意圖，如圖1-1所示。圖1-1顆粒煤擴(kuò)散特性測(cè)試裝置[91]Figure1-1Diffusioncharacteristictestingdeviceofcoalparticle壓力法是運(yùn)用最為廣泛的一種，主要是通過(guò)監(jiān)測(cè)樣品罐和參考罐中氣體在解

孀瘧渲?程度的增加擴(kuò)散系數(shù)是先迅速降低后緩慢增長(zhǎng)，而在濕潤(rùn)煤體中的擴(kuò)散系數(shù)是小于干燥煤體的�；U(kuò)散法盡管可以有效消除煤中由于壓力梯度形成的滲流行為，但缺點(diǎn)依舊很明顯，即穩(wěn)定狀態(tài)的形成需要較長(zhǎng)時(shí)間，并且該方法只能在低壓下進(jìn)行，這種低壓狀態(tài)與深部三高狀態(tài)（高應(yīng)力，高壓力、高含量）煤層是不太相符的，因而獲得的擴(kuò)散系數(shù)能否利用于深部煤層瓦斯抽采還是存在較大疑問(wèn)。Chen[109]利用互擴(kuò)散設(shè)備測(cè)定了一些人造和天然孔隙介質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)，系統(tǒng)地研究了穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散系數(shù)與介質(zhì)的孔隙率、滲透率和連通性的關(guān)系。圖1-2煤體擴(kuò)散特性測(cè)試裝置Figure1-2Diffusioncharacteristictestingdeviceofcoalmass除了上述兩種比較經(jīng)典的利用煤（巖）體作為研究對(duì)象的擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)，其它學(xué)者還依據(jù)自身的理論設(shè)計(jì)了一些實(shí)驗(yàn)儀器及計(jì)算方法來(lái)獲取煤巖體或類似物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)。Zhao[110]基于二次互擴(kuò)散中的瞬態(tài)流設(shè)計(jì)了一種新的測(cè)試煤體擴(kuò)散系數(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置以及相對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，其主要的工作原理是首先將圓柱形樣品放置于罐體中，并注入高壓的甲烷氣體使得煤體得以達(dá)到吸附平衡狀態(tài)，而此時(shí)罐體中的甲烷濃度即使煤體內(nèi)部甲烷的濃度；接著與罐體中相同瓦斯壓力的氦氣注入進(jìn)入罐體中，且此時(shí)需要抽出罐體中的混合氣體到固定體積的容器中以保證罐體中的氣體壓力恒定，經(jīng)過(guò)這一系列措施，同一種氣體在煤體內(nèi)外環(huán)境下一定的濃度差形成了甲烷/氦氣的擴(kuò)散。該實(shí)驗(yàn)方法的優(yōu)點(diǎn)是可以盡可能的減小大孔隙中氣體的流動(dòng)對(duì)微孔隙中氣體流動(dòng)的影響，因?yàn)榇罂紫吨械臍怏w流動(dòng)規(guī)

1緒論15化模型；在此基礎(chǔ)上，分析模型演化過(guò)程中影響滲透率回彈和恢復(fù)效應(yīng)的因素。5）氣固耦合模型在深部煤層瓦斯抽采工程應(yīng)用基于對(duì)深部高應(yīng)力煤體擴(kuò)散和滲流特性研究結(jié)果，結(jié)合應(yīng)力變形方程，構(gòu)建適用于深部高應(yīng)力煤體的氣固耦合模型；通過(guò)對(duì)比高應(yīng)力和低應(yīng)力煤體瓦斯抽采過(guò)程中壓力和流量的演化規(guī)律，獲取煤體物理結(jié)構(gòu)的改變是造成深部高應(yīng)力煤體瓦斯難以抽采的本質(zhì)原因；同時(shí)運(yùn)用耦合模型解算瓦斯抽采過(guò)程中主控因素角色轉(zhuǎn)換關(guān)系，以及分析多孔之間的互擾情況并探討了布孔模式。1.4.2研究思路本文主要運(yùn)用巖石力學(xué)，流體力學(xué)，滲流力學(xué)，吸附科學(xué)，擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)和表面化學(xué)等理論方法，采用理論分析，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的手段，圍繞深部高應(yīng)力條件下煤體物理結(jié)構(gòu)特性，開展煤體孔裂隙系統(tǒng)中瓦斯運(yùn)移規(guī)律的相關(guān)研究。首先采集相關(guān)樣品，運(yùn)用多種表征手段描述煤的孔裂隙系統(tǒng)，并建立不同瓦斯運(yùn)移形態(tài)對(duì)產(chǎn)量主控作用轉(zhuǎn)換模型；針對(duì)于不同形態(tài)煤體，分別構(gòu)建合適的擴(kuò)散模型描述其擴(kuò)散特性并分析差異性；結(jié)合CT掃描和滲透率測(cè)定實(shí)驗(yàn)研究高應(yīng)力條件下煤體物理結(jié)構(gòu)，并基于應(yīng)力參數(shù)及擴(kuò)散長(zhǎng)度，構(gòu)建高應(yīng)力煤體擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)模型，利用該模型分析自然和逐級(jí)降壓條件下煤體的放散特性；從裂隙結(jié)構(gòu)對(duì)不同應(yīng)變響應(yīng)模式的角度，建立了一種新的滲透率演化模型，并分析其滲透率恢復(fù)和回彈現(xiàn)象；最后通過(guò)建立的適用于深部高應(yīng)力煤體的氣固耦合模型，研究了不同背景下的工程應(yīng)用。本次的研究工作深化了對(duì)深部高應(yīng)力煤層瓦斯運(yùn)移規(guī)律的認(rèn)識(shí)，可為深部高應(yīng)力煤層瓦斯抽采提供理論基矗論文的技術(shù)路線如圖1-3所示。圖1-3技術(shù)路線圖Figure1-3Structurechartoftechnicalroute
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