煤与瓦斯共采中煤层增透率理论与模型研究

地下开采中瓦斯抽采的针对性与有效性是煤与瓦斯共采的关键问题,其核心是在理论和技术上对采动引起的裂隙网络所形成的增透性进行定义和分析。在综合考虑煤体在不同开采方式形成的支承压力、孔隙压力和瓦斯吸附膨胀耦合作用对损伤裂隙煤体体积改变的影响的基础上,定义了一个新力学量——增透率,来反映单位体积改变下煤体渗透率的变化,推导了4种增透率的理论表达式,并对工程实例进行数值分析,定量描述了开采过程中覆岩和煤层中增透率的分布和演化,结果表明增透率能够反映开采扰动对煤岩体裂隙网络渗透性的影响,为煤与瓦斯共采工程中的煤层增透效果评价提供定量指标和科学方法。

基于体积应变含瓦斯煤增透率模型及采动响应研究

为获得含瓦斯煤开采过程中渗透率的采动响应规律,从孔隙率的基本定义出发,通过引入增透率来反映单位体积改变下煤体渗透率的变化,建立了基于体积应变的含瓦斯煤增透率模型。基于增透率模型,结合工程实例采用Comsol Multiphysics模拟了含瓦斯煤开采过程中增透率的变化规律,并开展了增透率采动响应的试验研究。研究结果表明:增透率模型可对采动裂隙网络形成的煤层透气性进行定量评价研究,采动是影响含瓦斯煤增透率的关键因素,受采动影响,煤体体积应变、增透率的变化规律均基本一致,煤体膨胀变形、增透率随采煤工作面的推进逐渐增大,增透率的变化滞后于体积应变的变化,且越靠近工作面煤层增透效果和瓦斯抽采效果越好;沿煤层倾向,回风巷侧最大瓦斯抽采量大于运输巷侧,煤体增透率亦大于运输巷侧。依据增透率的采动响应规律调整瓦斯抽采孔与工作面的角度,可增加抽采量,降低工作面瓦斯浓度。

单孔增透率算法的提出及其工程应用

低透煤层增透效果的定量描述和评价一直处于盲目状态,使得煤矿瓦斯治理中致裂措施、瓦斯抽采不能因地制宜。增透率可反映采动或人工增透措施对煤岩体渗透特性的改变,并可定量评价煤层增透效果,其分布和演化规律可精准圈定瓦斯富集区域,指导瓦斯抽采钻孔的合理布置。在简化钻孔和裂隙模型基础上,求解了采动条件下钻孔的体积应变,提出了针对单孔的增透率计算方法;依托同煤矿塔山矿8212采面,开展现场裂隙探测试验,研究了工作面前方采动裂隙网络发育演化及卸压增透变化规律,并分析了单孔增透率随回采面推进的演化特征。结果表明:裂隙网络呈现"从无到有、从短变长、从窄变宽、不断贯通"的趋势,煤岩体单孔增透率随回采面推进呈现先逐渐上升后保持平稳的趋势,该成果有望直接优化煤矿现场瓦斯抽采孔的布置设计。

保护层开采卸压增透效应及其定量表征方法研究

保护层开采是高突矿井瓦斯治理的主要方式及开采方法,然而其卸压增透效果当前无法量化表征,缺乏评价体系。基于平板流体模型增透率理论,结合平煤十矿地质条件,通过离散单元法建立保护层开采数值模型,获得保护层开采不同距离时采空区下方的增透率图谱及被保护层的应力分布。结果表明:保护层开采过程中,采面前方15 m处支撑压力会出现应力峰值,随着采面的推进,增透率与现场瓦斯流量呈现正相关关系;在采空区下方,被保护层卸压及增透效应明显,且卸压区范围与增透率分布集中区域基本一致,均随采空区范围的扩大而增大。该研究成果证实了增透率理论可作为保护层开采卸压增透指标,为现场保护层回采设计、瓦斯抽采设计范围的确定提供更加科学的依据。

岩石应变软化及渗透率演化模型和试验验证

为预测承载岩石的应变软化和渗透率演化,基于Gebdykes白云岩的三轴试验结果,分析了围压对岩石弹性模量、破坏应变、峰值强度、强度退化过程、残余强度和剪胀扩容的影响规律。将岩石变形全过程简化为3阶段,使用强度退化指数、脆性模量系数和扩容指数改进FLAC中的SS模型,建立了考虑围压影响的岩石应变软化模型。基于淮南潘一矿煤、凝灰岩、巴里坤砂岩、山西安家岭泥岩的渗透率与体积应变实验数据,建立了基于体积应变增透率的岩石渗透率演化模型,与改进SS模型结合,建立了考虑围压影响的岩石应变软化和渗透率演化模型。利用本文模型分别模拟了安家岭泥岩和Gebdykes白云岩的三轴压缩、渗透率演化和体积扩容过程,结果表明:1体积应变渗透率演化模型能较好地描述体积应变与渗透率的关系;2本文模型能较好地模拟围压对岩石残余强度、峰后强度退化过程和剪胀扩容的影响,能较准确预测承载岩石的渗透率演化。

基于脆性模量系数的岩石应变软化及渗透率演化模型

岩石峰后应变软化力学行为及渗透率演化规律是岩石工程稳定性和安全性分析的基础。在三轴实验基础上分析了围压对岩石峰后应变软化力学行为的影响规律,提出了描述围压对岩石峰后脆性影响的新参数,即脆性模量和脆性模量系数,分析了脆性模量的物理意义和脆性模量系数方法的应用范围。基于脆性模量系数,结合强度退化指数、扩容指数、FLAC中的SS模型和体积应变增透率,建立了考虑围压影响的岩石应变软化模型和渗透率演化模型。利用本文模型较好地模拟再现了不同围压下Gebdykes白云岩变形和巴里坤砂岩渗透率的演化过程,验证了本文模型的合理性。将本文模型应用于某煤层开采过程中围岩变形和渗透率的动态演化预测,结果表明随着煤层开采,采动应力引起围岩变形、破坏,其渗透率也随之动态变化,本文模型能较好地再现煤层开采过程中围岩的渗透率动态演化规律。

页岩储层超临界CO_(2)增透规律实验

为研究超临界CO_(2)对页岩储层的增透效果,利用自主研制的岩石三轴渗流实验装置,开展超临界CO_(2)注入页岩储层增透规律研究。研究结果表明:页岩储层CH 4渗透率随孔隙压力增加呈负指数变化,页岩样品注入超临界CO_(2)后增透效果显著,CH_(4)渗透率最大可提高103.98%(3号样品);恒温条件下,注入压力为9.0 MPa时超临界CO_(2)增透效果好于8.0 MPa,随着超临界CO_(2)注入压力逐渐增加至10.0 MPa,页岩开始出现裂化现象;实验温度为35~55℃,超临界CO_(2)对于页岩的增透效果随着温度的增加而降低,波速衰减率和孔隙度随着温度的升高分别下降0.15、0.90个百分点,波速衰减率与温度呈线性递减关系。研究成果可为超临界CO_(2)强化页岩气开发过程中提高页岩气储层渗透性提供理论依据。

不同开采方式下煤岩应力场-裂隙场-渗流场行为研究

煤岩的采动力学行为与常规的煤岩材料力学行为有本质不同,传统的岩石力学实验研究没能体现开采方式和工程扰动的真实影响。深部煤与瓦斯共采实践中,不同开采方式扰动下的煤岩应力场、裂隙场和渗流场行为有显著差异,但煤岩采动力学行为特征尚缺乏科学的、定量化的分析和表达。通过开展不同开采方式下煤岩采动力学实验,分析3种典型开采方式下煤岩采动力学行为、采动裂隙展布及增透率演化规律,探索不同开采方式下煤岩真实采动应力场、裂隙场和渗流场的特征差异。研究表明:不同开采方式产生不同的采动应力场,并导致不同的煤岩裂隙场和渗流场行为特征差异;不同开采方式条件下煤岩峰值应力、峰值应力对应轴向应变和环向应变按照无煤柱开采、放顶煤开采和保护层开采的顺序降低,而体积应变绝对值则依次升高;不同开采方式下煤岩采动裂隙尺度分维D及煤层增透率激增点与工作面之间的距离(L_(rise))均按照保护层开采、无煤柱开采、放顶煤开采的顺序依次下降,确定煤层L_(rise)范围和增透率空间分布可为煤瓦斯共采工程提供理论指导。

卸轴压条件下原煤变形及渗透特性实验研究

利用自行研制的煤岩热流固耦合实验系统,以原煤为研究对象,进行不同卸轴压起始应力条件下原煤变形及渗透特性的实验研究。结果表明:(1)卸轴压时,原煤轴向应力–应变关系可用二次函数表示;原煤变形模量随卸轴压起始应力的升高而减小。(2)随着轴压的降低,原煤渗透率上升速率逐渐增大;卸轴压过程中,原煤渗透率的增长趋势随卸轴压起始应力的增大而平缓;线弹性阶段不同起始应力卸轴压,原煤渗透率的变化具有较好的相似性。(3)原煤瓦斯增透效果随卸轴压起始应力的增大而减弱,卸除单位应力时渗透率相对值的增加量与卸轴压起始应力的关系可以用对数函数表示;随着卸轴压起始应力的增大,卸轴压过程中增透率的增长趋势逐渐减弱。