摘要
随着我国煤矿开采深度的增加，深部煤层的瓦斯治理工作面临严峻的考验。煤层渗透率不仅决定了煤层瓦斯的渗流特性，还是影响瓦斯抽采难易程度和抽采效果的关键因素之一，且煤层渗透率不仅与煤体自身微观孔隙结构有关，还受到来自应力场、瓦斯渗流-扩散场的影响。本文以任楼煤矿72煤层为工程背景，从钻孔、巷道和采空区的角度，采用实验研究、理论分析和数值模拟的方法对多尺度空间条件下煤层瓦斯跨区渗流特性开展系统的研究，并获得了以下主要结论： （1）对采集的两组煤样进行实验室测定，基础物性参数测定结果表明72煤层属于中灰分、中高挥发分煤，属于中低煤化程度的烟煤；液氮吸附实验测得煤样的比表面积为3.671~4.12m2/g，CO2吸附实验测得煤样的比表面积为71.469~87.241m2/g，孔隙测定结果表明煤样内部的微孔最为发育，介孔次之，大孔发育程度最低，且两组煤样的孔径分布基本相同；另外，两组煤样的吸附解吸特性较为接近，吸附常数分别为13.8212m3/t、0.75207MPa-1和14.6635m3/t、0.70488MPa-1，且相同瓦斯压力下的解吸速率和最大解吸量也较为接近。 （2）分析了钻孔、巷道、采空区周边煤体的应力分布特征，并根据煤体全应力-应变曲线构建了考虑有效应力、吸附变形作用下含瓦斯煤在弹性阶段、塑性阶段和残余应力阶段的渗透率演化模型；基于煤体的双重孔隙结构，建立了煤层瓦斯赋存方程、煤体瓦斯扩散-渗流控制方程；最后结合含瓦斯煤的力学本构模型和匹配摩尔库伦准则的D-P破坏准则，构建了煤层瓦斯跨区渗流的气固耦合模型。 （3）利用COMSOL数值模拟软件研究分析了钻孔、巷道、采空区周围煤体应力重分布后煤层渗透率的变化规律以及对煤层瓦斯跨区渗流的影响；渗透率变化曲线总体上呈L形分布，即从煤壁到卸压区边界，渗透率迅速降低，在应力峰前渗透率继续缓慢降低，最后在应力峰后一段距离处达到最低值，随后在原岩应力区恢复至原始值，且随着尺度的增大，这种变化越来越明显。 （4）根据模拟结果得到了任楼煤矿72煤层瓦斯有效抽采半径随抽采时间的变化规律，并与现场测定结果基本吻合；抽采钻孔的孔径和煤层初始渗透率越大，煤层的钻孔有效抽采半径越大，而抽采负压对有效抽采半径的影响效果较小；根据任楼矿瓦斯抽采现状，分析了“叠加效应”对瓦斯抽采效果的影响，并根据现场抽采现状以180d作为预抽期，确定了72煤层瓦斯抽采的最佳布孔间距为5.3m~6.36m。 （5）根据模拟结果得到了煤巷和采空区周围煤体的瓦斯排放带宽度分别为22.3m、28.1m；通过现场测定其周围煤体的瓦斯含量、瓦斯压力和钻屑解析指标△h2得到Ⅱ2三车场集中巷和Ⅱ7224S采空区周围煤体的瓦斯排放带宽度与模拟结果相近。 （6）通过对比分析钻孔、巷道、采空区三个不同尺度下的煤层瓦斯渗流特性，将煤层瓦斯渗流分为完全渗流区、定向渗流区、渗流受阻区和原始渗流区四个区域。煤体渗透率在完全渗流区内受高度发育的裂隙系统主导，渗透率高于其他区域；在定向渗流区内受煤体支撑应力的影响，渗透率不断降低；在渗流受阻区内煤体裂隙被压缩，渗透率达到最低值；在原始渗流区内渗透率不受应力重分布的影响，煤层瓦斯处于动态平衡状态。
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