煤层气与煤层耦合运动理论及其应用的研究 ——具有吸附作用的气固耦合理论

论文摘要

开采煤层气资源，同时从根本上预防煤矿瓦斯灾害事故的发生，保护大气环境是人们追求的理想目标。煤层气与煤层耦合运动理论研究孔隙介质骨架变形、颗粒吸附变形、吸附流体扩散解吸及自由流体渗流之间相互耦合作用规律，为煤层气开采、煤矿瓦斯防治及其他工程应用决策提供科学依据。煤层中的气体(煤层气)主要呈吸附状态，其力学性能和运动形态不同于自由气体，所以以自由流体为主体的Terzaghi有效应力原理已不适应含吸附煤层气煤的有效应力计算。因此论文对具有吸附作用的气固耦合理论进行了研究。主要研究内容如下： (1) 论述了煤层的结构、煤层气的存在形式、煤层气的扩散和渗流运动及煤层变形运动特点及其相互关系，提出或修正了煤层气与煤共同结构模式，煤层气运动模式、煤层变形模式、吸附膨胀模式等一系列的物理概念或物理模型。基于所提出物理模型和孔隙介质截面吸附润湿长度概念、表面物理化学及弹性力学原理，导出了煤吸附膨胀应变和应力、有效应力、孔隙率、渗透率等物理量间的耦合计算公式。理论计算结果与实验和数值模拟结果一致。 (2) 建立了固体变形、吸附煤层气扩散解吸及游离煤层气渗流的完全耦合运动的微分方程组；固体介质变形、孔隙裂隙二重介质中气体的扩散渗流、均匀孔隙介质中气体的扩散、均匀裂隙介质中气体的渗流的各自非耦合运动的微分方程(组)；结合地面钻井开采煤层气和两平行巷间煤柱中煤层气的运动的工程实例，将由5个方程组成的完全耦合运动的微分方程组简化到由2个方程组成的半耦合扩散渗流微分方程组；根据煤粒吸附煤层气扩散方程的解，进一步将由2个方程组成的半耦合扩散渗流微分方程组简化为1个方程，即具有变形和扩散解吸作用的半耦合渗流方程，并给出了初始边界条件。 (3) 试验研究了煤粒吸附煤层气扩散规律，求出了扩散微分方程在不同边界条件下的分析解和实验解，二者结果一致；根据分析解提出了扩散系数和膜系数测定方法。 (4) 论述了完全耦合、半耦合、非耦合运动的关系，耦合运动微分方程具

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• 论文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题研究的实际意义
• 1.1.1 煤层气对矿井的危害
• 1.1.2 煤层气的排放对环境的影响
• 1.1.3 煤层气的能源价值
• 1.2 课题的提出
• 1.2.1 煤层气开采面临的主要困难
• 1.2.2 煤层气与石油天然气开采理论与技术的异同
• 1.2.3 煤层气与煤层耦合运动理论研究内容
• 1.3 煤层气与煤层耦合运动理论研究现状
• 1.3.1 总体现状
• 1.3.2 扩散理论
• 1.3.3 渗流理论
• 1.3.4 孔隙裂隙二重介质的扩散解吸与渗流理论
• 1.3.5 气固耦合力学理论
• 1.4 本论文研究内容和方法
• 第二章 煤层气与煤层耦合运动的物理数学模型
• 2.1 基本假设、定律和物理过程分析
• 2.2 煤层气和煤层耦合运动微分方程组
• 2.2.1 煤层变形运动的平衡方程式
• 2.2.2 煤层变形运动的几何方程式
• 2.2.3 孔隙系统扩散运动的连续方程式
• 2.2.4 裂隙系统渗流运动的连续方程式
• 2.2.5 煤层气与煤层耦合运动微分方程组
• 2.3 煤层气和煤层无耦合运动微分方程
• 2.3.1 耦合运动与无耦合运动方程之间的关系
• 2.3.2 总应力作用下的变形运动微分方程
• 2.3.3 孔隙裂隙二重介质中的扩散渗流运动微分方程
• 2.3.4 均匀孔隙介质中的扩散运动微分方程
• 2.3.5 均匀裂隙介质中的渗流运动微分方程
• 2.4 本章小结
• 第三章 吸附煤层气扩散解吸规律的研究
• 3.1 简介
• 3.2 扩散解吸实验研究
• 3.2.1 煤样采集制备
• 3.2.2 实验装置
• 3.2.3 实验原理
• 3.2.4 实验步骤
• 3.2.5 实验内容
• 3.2.6 实验数据处理方法
• 3.2.7 实验数据的处理结果
• 3.3 煤粒吸附煤层气扩散解吸过程
• 3.3.1 煤粒吸附煤层气扩散的物理数学模型
• 3.3.2 扩散微分方程的分析解及其边界条件讨论
• 3.3.3 近似解及扩散系数和膜系数的测量方法
• 3.3.4 扩散微分方程的实验解（内质量源实验式）
• 3.4 理论和实验结果的分析讨论
• 3.5 本章小结
• 第四章 吸附变形与有效应力分析
• 4.1 简介
• 4.2 吸附变形与吸附热力学参数的关系
• 4.2.1 孔隙的表面压力
• 4.2.2 吸附膨胀模式及其计算
• 4.2.3 实例模拟计算
• 4.2.4 关于吸附膨胀变形特性的分析讨论
• 4.3 含吸附煤层气煤的有效应力
• 4.3.1 煤层受力状态分析
• 4.3.2 含吸附煤层气煤层的有效应力计算公式
• 4.3.3 有效应力作用下煤体变形理论值与实测值比较
• 4.3.4 关于煤层有效应力计算公式的分析讨论
• 4.4 孔隙率和吸附变形之间的关系
• 4.4.1 内向吸附变形量
• 4.4.2 裂隙孔隙率与煤层变形的关系
• 4.5 渗透率与孔隙率之间的关系
• 4.6 本章小结
• 第五章 煤层气开采及其效果评价
• 5.1 概述
• 5.2 煤层气半耦合运动的微分方程
• 5.2.1 三维问题
• 5.2.2 一维应变条件下的二维渗流问题（地面钻孔开采煤层气）
• 5.2.3 平面应变条件下的一维渗流问题（煤柱中煤层气的渗流）
• 5.3 具有变形和扩散解吸作用的渗流方程的应用
• 5.3.1 提高煤层气采收率的途径
• 5.3.2 影响煤层气采收率和选择开采区主要参数
• 5.4 注入增产法机理及其压裂效果的评价
• 5.5 注气增产机理及效果分析
• 5.5.1 注气增产机理分析
• 5.5.2 自然降压开采煤层气的最大理论回收量和回收率
• 5.5.3 注气开采煤层气的最大理论回收量和回收率
• 5.5.4 回收率的模拟计算及其讨论
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论和建议
• 6.1 煤层气与煤层耦合作用的物理过程
• 6.2 煤层气与煤层耦合运动的微分方程
• 6.3 开采煤层气的增产措施及其评价
• 6.4 简要结论和创新点
• 6.5 主要问题和建议
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介
• 攻读博士学位期间发表的论著及参与的科研活动
• 博士论文有关数据统计