煤的吸附作用对瓦斯渗透特性的影响

论文摘要

瓦斯在煤体中的流动规律是煤矿瓦斯防治领域研究的基础问题,吸附作用是煤区别于其它渗透体的特殊特性,吸附作用对渗透规律的影响研究对于瓦斯涌出、瓦斯抽放、煤层气开发、煤与瓦斯突出防治等的基础理论研究具有重要意义。本文通过实验研究、理论分析、数值模拟和现场实测相结合的方法系统的研究了煤的吸附作用对瓦斯渗透特性的影响规律。创新性的研制了出口压力可调、温度可控的瓦斯渗透仪。在不同压差条件下,通过对不同吸附特性煤样、不同吸附性能气体以及吸附不同气体量情况下的渗透性实验,研究了吸附作用对煤体渗透率的影响规律。结果表明:以达西定律为基础测算出的煤层平均渗透率描述整个煤层瓦斯运移的动态过程误差较大。受应力、瓦斯压力、温度等因素的影响煤层的平均渗透率是不断变化的。把渗透率作为时间、空间及瓦斯压力的函数进行处理后,用达西定律描述煤层瓦斯流动过程更符合实际。吸附作用对煤体渗透率有着重要影响,吸附作用越强、吸附瓦斯量越多,煤的渗透率越小。在机理研究方面,从吸附特性对含瓦斯煤体能量、孔隙率、有效应力三个方面进行了分析,并建立了数学模型,在此基础上进行了数值模拟计算。模拟结果显示渗透模型与实验研究成果及现场实测结果吻合性较好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 渗透理论研究现状
• 1.2.2 渗透实验研究现状
• 1.2.3 存在的问题
• 1.3 研究内容及技术路线
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 研究方案
• 1.3.3 技术路线
• 2 煤的结构与吸附特性及渗透实验理论
• 2.1 煤的结构特性
• 2.1.1 煤层的孔隙性
• 2.1.2 煤的裂隙性
• 2.2 煤的吸附特性
• 2.2.1 煤吸附瓦斯的本质
• 2.2.2 吸附理论
• 2.2.4 吸附变形及膨胀应力
• 2.3 实验理论
• 2.3.1 达西定律来源与局限性
• 2.3.2 实验原理
• 2.3.3 煤渗透性的实验室测定方法
• 2.3.4 实验温度选择
• 2.3.5 实验数据处理方法
• 2.4 本章小结
• 3 吸附作用对瓦斯渗透特性影响的实验研究
• 3.1 实验系统
• 3.1.1 无围压实验系统
• 3.1.2 有围压实验系统
• 3.2 实验装置
• 3.2.1 渗透气体量测量装置
• 3.2.2 渗透气体压力测量装置
• 3.2.3 型煤制作装置
• 3.2.4 压力调节测试装置
• 3.3 实验方法
• 3.3.1 实验前的准备
• 3.3.2 渗透装置气密性检验
• 3.3.3 渗透实验步骤
• 3.4 实验结果
• 3.4.1 吸附平衡前后煤样渗透率测定结果
• 3.4.2 不同瓦斯含量下煤样渗透率测定结果
• 3.4.3 煤样对不同吸附性能气体的渗透率测定结果
• 3.4.4 不同压差时煤样的渗透率测定结果
• 3.4.5 不同二氧化碳含量下煤样渗透率测定结果
• 3.4.6 模拟地下瓦斯抽采渗透率变化结果
• 3.5 本章小结
• 4 吸附特性对瓦斯渗透规律影响的机理分析
• 4.1 能量“蚀损”
• 4.2 煤体有效应力与吸附作用的关系
• 4.3 孔隙率与吸附特性的关系
• 4.4 双重介质瓦斯流固耦合模型
• 4.5 本章小结
• 5 吸附作用对瓦斯渗透特性影响的数值分析
• 5.1 含瓦斯煤耦合流动二维数学模型
• 5.2 数学模型求解流程
• 5.3 瓦斯流动的物理模型
• 5.4 数值分析
• 5.4.1 吸附作用影响下的渗流场分析
• 5.4.2 不同吸附特性煤的渗透性模拟
• 5.5 本章小结
• 6 现场实测渗透率变化
• 6.1 不同矿区实测渗透率变化情况
• 6.2 现场渗透率变化规律
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢