受載煤體—瓦斯—水耦合滲流特性研究

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1、摘要摘要瓦斯的抽采與利用對(duì)于預(yù)防礦井瓦斯災(zāi)害，實(shí)現(xiàn)清潔能源的有效利用及環(huán)境保護(hù)具有十分重要的意義，煤層瓦斯?jié)B流特性則是決定瓦斯抽采效果的關(guān)鍵因素。天然煤層一般是含水的，此外，煤礦井下采取水力化措施進(jìn)行增透消突過程也會(huì)將外界水引入煤層。水對(duì)煤層瓦斯?jié)B流特性影響較為顯著，煤體、瓦斯和水之間存在著耦合作用關(guān)系，因此，研究受載煤體-瓦斯-水耦合滲流特性，不僅有助于認(rèn)識(shí)水對(duì)煤層瓦斯流動(dòng)的影響規(guī)律，對(duì)含水煤層瓦斯抽采也具有重要的指導(dǎo)意義。本文通過開展一系列實(shí)驗(yàn)較為系統(tǒng)地分析了水對(duì)煤體的力學(xué)性質(zhì)、瓦斯吸附以及滲流過程的影響，建立了考慮瓦斯-水耦合作用的煤體相對(duì)

2、滲透率模型和考慮瓦斯-水分耦合作用的煤體滲透率模型，并將兩類滲透率模型分別應(yīng)用到瓦斯-水兩相滲流和瓦斯單相滲流耦合模型中，構(gòu)建了受載煤體-瓦斯-水耦合氣液兩相滲流模型和瓦斯單相滲流模型。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)工作面實(shí)際情況，運(yùn)用兩類耦合模型模擬了高含水飽和度煤層和殘余水狀態(tài)煤層的瓦斯抽采過程以及含水煤層瓦斯抽采的全過程，分析了煤層瓦斯和水的流動(dòng)規(guī)律以及影響因素，根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)含水煤層瓦斯抽采提出了改進(jìn)措施。最后，采用水力化措施煤層瓦斯抽采測定數(shù)據(jù)對(duì)所提出的改進(jìn)措施進(jìn)行了現(xiàn)場驗(yàn)證。本文根據(jù)揮發(fā)分的高低將實(shí)驗(yàn)所取的四種煤樣分為低階煙煤、中階煙煤、高階煙煤和

3、無煙煤。首先，對(duì)四種不同變質(zhì)程度的煤樣進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)特征分析。通過液氮吸附實(shí)驗(yàn)、壓汞實(shí)驗(yàn)和傅里葉紅外光譜實(shí)驗(yàn)分析得到了煤體微觀孔隙結(jié)構(gòu)和含氧官能團(tuán)隨著煤的變質(zhì)作用的演化規(guī)律，為后續(xù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)分析奠定基礎(chǔ)。然后，從水分對(duì)瓦斯、煤體特性影響作用的角度，開展了水分對(duì)煤體吸附瓦斯特性影響和水分對(duì)煤體力學(xué)性質(zhì)影響兩方面的研究。在水分對(duì)煤體吸附瓦斯特性影響方面，首先測定了四種不同變質(zhì)程度的煤樣在相同溫度、不同濕度條件的吸附水量，分析了煤體吸水能力與煤階關(guān)系。接著，測定了四種煤體在不同含水率的條件下的等溫吸附線，分析了煤體瓦斯吸附特征隨含水率的變化規(guī)律，水分對(duì)煤

4、體瓦斯吸附的影響機(jī)理，對(duì)比了三種考慮水分影響的瓦斯吸附量修正方程對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合情況。最后，分析了微觀孔隙結(jié)構(gòu)和含氧官能團(tuán)參數(shù)對(duì)煤體吸附水、瓦斯的影響，探討了水分對(duì)不同變質(zhì)程度煤體瓦斯吸附影響差異的原因。在水分對(duì)煤體力學(xué)性質(zhì)影響方面，本文開展了不同含水率的原煤煤樣和型煤煤樣的單軸壓縮力學(xué)實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)，隨著含水率增大，原煤煤樣和型煤煤樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均表現(xiàn)壓密階段區(qū)間增大，彈性階段區(qū)間縮小，屈服階段更加明顯的規(guī)律。含水率的增加導(dǎo)致煤體的峰后應(yīng)力-應(yīng)變曲線跌落速度變緩，出現(xiàn)多級(jí)跌I中國礦業(yè)大學(xué)（北京）博士學(xué)位論文落平臺(tái)。兩種煤樣的抗壓強(qiáng)度與含水率

5、均滿足負(fù)線性函數(shù)，峰值應(yīng)變與含水率均滿足正線性函數(shù)，彈性模量和含水率均滿足負(fù)指數(shù)函數(shù)，泊松比與含水率均滿足正線性函數(shù)。隨著含水率的增大，加載破壞后，原煤煤樣破壞形式依次為：剪切破壞、拉伸－剪切組合破壞；型煤煤樣破壞形式依次為：剪切破壞、拉伸破壞、拉伸-剪切組合破壞。水分對(duì)煤體產(chǎn)生的損傷作用有兩部分：結(jié)合水導(dǎo)致的初始損傷作用和自由水引起的加載疊加損傷作用，兩種損傷的共同作用加劇了受載煤體的破壞。在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，本文推導(dǎo)了不同含水率的分段形式的煤體損傷統(tǒng)計(jì)本構(gòu)模型，模型克服了應(yīng)力-應(yīng)變擬合曲線與試驗(yàn)曲線在峰前部分偏離較大的問題，相比前人的模型更適用于

6、分析不同含水率條件下煤體單軸壓縮力學(xué)問題。接著，本文根據(jù)含水煤層抽采過程瓦斯和水流動(dòng)特點(diǎn)，將煤體瓦斯?jié)B流分為兩個(gè)階段，受吸附水影響瓦斯單相滲流階段和受自由水影響的瓦斯-水兩相滲流階段，并分別開展了試驗(yàn)和理論方面的研究。為了研究煤體吸附水含量（含水率）與瓦斯?jié)B透率之間的關(guān)系，本文進(jìn)行了不同含水率、有效應(yīng)力和瓦斯壓力組合條件下的原煤煤樣和型煤煤樣瓦斯?jié)B流實(shí)驗(yàn)。研究顯示，不同含水率的原煤煤樣和型煤煤樣的滲透率均隨著有效應(yīng)力的增大而減小，呈負(fù)指數(shù)關(guān)系。在低有效應(yīng)力區(qū)間，滲透率隨有效應(yīng)力增大快速下降，在高有效應(yīng)力區(qū)間，滲透率隨有效應(yīng)力的增大緩慢下降。恒定軸

7、壓和圍壓條件下，不同含水率的原煤煤樣和型煤煤樣的滲透率隨著瓦斯壓力的增大呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律，滲透率與瓦斯壓力之間符合二次多項(xiàng)式關(guān)系。不同含水率的原煤煤樣和型煤煤樣均出現(xiàn)明顯的Klinkenberg效應(yīng)。在相同有效應(yīng)力和瓦斯壓力條件下，原煤煤樣和型煤煤樣的滲透率均隨含水率的增大而減小，原煤煤樣的滲透率與含水率呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系，型煤煤樣的滲透率與含水率呈現(xiàn)線性函數(shù)關(guān)系。筆者在改進(jìn)的火柴棍模型的基礎(chǔ)上，考慮水分占據(jù)裂隙體積、水分對(duì)煤體吸附瓦斯的影響、水分對(duì)煤體力學(xué)性質(zhì)的影響以及煤體吸水膨脹的影響，推導(dǎo)了適用于任意邊界的考慮瓦斯-水分耦合作用的滲透率模型

8、，并針對(duì)不同邊界條件對(duì)模型進(jìn)行了簡化。采用簡化后的模型對(duì)不同含水率的紅嶺原煤煤樣和型煤煤樣的滲流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果顯示理論計(jì)算值與