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煤层气与煤层耦合运动理论及其应用的研究

吴世跃  
【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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