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高应力煤体物理结构演化特性对瓦斯运移影响机制研究

刘正东  
【摘要】:煤层瓦斯是一种重要的清洁能源,而影响其运移规律的主要参数为扩散和渗流。当开采进入深部高应力区域,煤层瓦斯抽采相对困难,利用以经典双重孔隙裂隙煤体结构为基础的气体运移模型预测瓦斯产量效果较差。这主要是由于高应力条件下煤体物理结构变化,从而影响了瓦斯气体的扩散和渗流运移规律。本文主要采用岩石力学、流体力学、渗流力学、吸附科学、分形几何学、扩散动力学等理论知识,利用流体侵入法、扫描电镜法、CT处理法、自主研制的高应力煤体扩散特性测试装置等不同实验手段,分析了煤体孔隙扩散和裂隙渗流系统;并结合以基质微元体概念为基础的高应力煤体扩散模型,获取了不同应力条件下有效体扩散系数和体扩散系数的演化规律;利用裂隙结构中的岩桥物质对应力的工程和自然应变响应规律,建立相应的渗透率演化模型;最终,构建了适用于深部高应力煤层瓦斯运移的气固耦合模型,得到的主要结论如下:1)采用多种测试手段从不同角度表征了煤的孔裂隙系统。基于分形维数理论和压汞法确定了孔隙扩散和裂隙渗流系统的分界孔径,对于比表面积分形和孔容分形,可知研究样品中1-3 mm颗粒煤和块状煤的分界孔径基本均处于30-40nm之间,两种分形方法获取的分界孔径较为接近。煤体孔隙率在高应力状态下对应力变化的敏感度较低,反应了裂隙渗透率变化幅度较小,说明了裂隙在高应力状态基本处于“闭合”形态。结合孔裂隙系统中气体的运移规律,建立了不同运移行为对瓦斯产量主控作用转换模型。2)煤的形态差异造成扩散特性不同。基于全过程解吸量与时间关系,建立了考虑吸附态瓦斯损失量的煤粒扩散模型,结果表明粒径为0.2-0.25 mm和1-3mm样品的扩散系数大约在1×10~(-11) m~2/s-2×10~(-11) m~2/s和1.1×10~(-9) m~2/s-1.7×10~(-9)m~2/s之间,说明粒径越大扩散系数越大。此外,以圆柱体形状为基质单元,建立了无应力状态下圆柱体和立方体形状煤体扩散模型,在不同吸附平衡压力条件下,两者的扩散系数分别大约在0.8×10~-1010 m~2/s-3.3×10~-1010 m~2/s和0.76×10~-1010 m~2/s-1.95×10~-1010 m~2/s之间,同处相同量级。0.2-0.25 mm颗粒煤与圆柱形态煤体扩散系数量级相同,但相同时间单位质量煤解吸量却相差2-2.5倍左右,这主要是由于两种形态煤的基质形状因子存在差异,而形状因子同样是影响解吸扩散量的重要因素,经计算0.2-0.25 mm颗粒煤的形状因子大约是圆柱形态煤的26.5倍。3)探讨了高应力对煤体物理结构的改造作用。分别从CT和渗透率实验来研究煤体裂隙空间随应力变化的演化特性,获取高应力状态下煤体结构特征,并基于此将煤体看作由无数连通的孔隙外加煤实体组成的一个拓扑形态网络,网络中存在无数个相似的局部孔隙系统,而局部孔隙系统是以气体分子扩散长度为量纲截取基质微元体,从而提出了高应力状态下煤体的孔隙网络拓扑微元体结构模型。同时,在一定的合理假设条件下,提出了扩散长度与应力之间满足Langmuir形式的理论关系,建立了考虑应力因素的高应力煤体扩散模型。4)获得高应力煤体自然放散条件下扩散系数规律。应力为20 MPa、30 MPa和40 MPa的不同吸附平衡压力下,体扩散系数和有效体扩散系数分别处于1.83×10~(-19) m~2/s-7.02×10~(-19) m~2/s和5.6×10~(-6) 1/s-25.41×10~(-6) 1/s之间。并且高应力煤体的体扩散系数和有效体扩散系数均是随着吸附平衡压力增加而增加的;但在相同吸附平衡压力前提下,煤体应力越大,体扩散系数越大,而有效体扩散系数越小。相比无应力煤体,高应力煤体因应力因素造成物理结构发生改造,引起扩散形式转变为低扩散能力的表面扩散为主,这也是造成高应力煤层瓦斯难抽采的重要因素之一。5)获取高应力煤体逐级放散条件下扩散系数规律。不同放散压力梯度对瓦斯扩散性能同样影响较大,以40 MPa应力及5 MPa瓦斯平衡压力为实验基础,获得当压力梯度均为1 MPa时,体扩散系数最大为1-0.1 MPa对应的9.96×10~(-19)m~2/s,最小值为5-4 MPa对应的3.21×10~(-19) m~2/s,说明体扩散系数在边界条件压力递减过程中是逐步增加的;而对于不同放散压力梯度5-4 MPa、5-2 MPa和5-0.1 MPa实验,体扩散系数分别为3.21×10~(-19) m~2/s、6.37×10~(-19) m~2/s和7.02×10~(-19)m~2/s,体现了压力梯度越大,体扩散系数越大。6)构建基于不同裂隙应变响应模式的渗透率演化模型。根据渗透率受控于有效应力变形和吸附膨胀变形共同影响,获得了渗透率演化中回弹和恢复机制;研究固定参数条件下,储层初始压力和裂隙压缩系数对渗透率回弹和恢复影响,获取瓦斯压力达到阈值后,渗透率均会出现回弹和恢复现象;而对于内部膨胀系数而言,则相反,煤体渗透率始终不会出现回弹和恢复现象。7)运用多场气固耦合模型分析煤层瓦斯运移规律。分别采用适用于深部高应力和浅部低应力煤体的多场气-固耦合模型,获取两种应力区域下煤体瓦斯的运移特性,对比分析获取了深部高应力煤体瓦斯难以抽采的本质原因为煤体物理结构模型改造。此外,针对于深部煤层瓦斯抽采量主控因素转换关系展开数值研究,可知渗流起到主控作用相比于扩散作用的时间较短,深部煤层瓦斯的流动基本受控于扩散机制。最终,利用压降系数探讨了抽采钻孔互扰情况,获取了梯形布孔模式效果是优于矩形模式、菱形模式的。该论文有图95幅,表32个,参考文献213篇。


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