基于“扩散-渗流”解耦的受载煤体瓦斯扩散动力学特性研究

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中文摘要：在瓦斯抽采工程中，占总量80%~90%的吸附态瓦斯转化为游离态，从煤基质扩散至裂隙是维持瓦斯持续抽采的重要环节。吸附时间是描述瓦斯从基质扩散进入裂隙快慢的关键参数，一般被定义为煤体瓦斯解吸量达到总瓦斯吸附量的63.2%所用的时间。吸附时间通常通过颗粒煤或块煤的瓦斯等温解吸实验测得，其结果受到颗粒煤的粒径效应或块煤内瓦斯渗流行为的影响；同时由于吸附解吸迟滞的存在，通过传统吸附时间测定方法测得的吸附时间测定值可能呈现为无穷大。为解决上述问题，本文创新地提出了一种通过改变煤样渗流通道进而解耦“扩散-渗流”行为获得吸附时间参数的新方法，利用Micro-CT分析了煤体预制孔洞改造渗流通道对孔裂隙结构的影响，开展了基于原始煤体与预制孔洞煤体等温瓦斯吸附/解吸实验，研究了不同载荷水平下吸附时间的演化规律，并通过数值模拟方法分析了吸附时间对煤体瓦斯运移特性及深部煤层瓦斯抽采的影响，主要获得如下结论：（1）采用Micro-CT扫描同一煤柱渗流通道改造前后三维孔裂隙的重构结果显示，预制3mm贯穿孔洞前后煤柱内部切片图像相似对比区分度平均值为2.25%，孔裂隙结构和矿物质组分空间分布与体积比例基本保持不变；原始煤柱与预制孔洞煤柱的总孔隙率差值为0.0452‰，两者三维孔隙体积渲染图整体相似度极高，在8个区间内的孔隙体积差异平均值为5.8672%。上述数据表明，3mm贯穿性孔洞仅作为渗流通道增加煤体渗流能力，几乎不改变孔洞四周的微观孔隙结构。（2）利用顺和矿与三河口矿样品进行了无围压与多级围压下不同渗流通道煤柱瓦斯等温吸附/解吸实验，分析了渗流通道改造对煤体吸附/解吸特性的影响。通过无围压下煤柱瓦斯等温吸附/解吸实验发现，原始样品与预制孔洞样品的吸附量曲线变化趋势一致，预制孔洞样品孔洞直径越大相同时间内煤体的解吸量越大，在相同解吸条件下顺和、三河口3上、三河口3下样品的极限解吸时间各不相同。通过不同围压下煤柱等温吸附解吸实验发现，在相同的初始瓦斯压力与相同围压条件下原始样品吸附平衡压力均小于预制孔洞样品；围压越大相同时间内煤体的解吸量越大，在相同时间内原始样品解吸量大于预制孔洞样品，随着围压的增大样品的极限解吸时间呈现先增大后减小的趋势。（3）通过对比氦气和甲烷的吸附平衡时间，充入氦气12min左右煤体压力达到恒定值，而充入甲烷需196-213h达到吸附平衡，说明非吸附性气体充满煤柱孔隙空间的时间很短，扩散过程是后期主导煤中瓦斯吸附平衡的控制因素。基于“解吸-扩散-渗流”耦合传质的影响分析，提出了以煤柱预制孔洞改变渗流通道解耦“扩散-渗流”行为的方法。通过对比渗流通道改造前后煤柱甲烷解吸速率发现，前期各样品差异较大，而之后解吸速率数据则“纠缠”在一起，推断前期的差异由渗流行为控制，而后期则是扩散主控了煤柱中的瓦斯运移，由不同渗流通道煤柱甲烷解吸速率差异的变化特征划分渗流和扩散主控阶段。（4）本文提出由扩散主控的甲烷释放量换算窜流量，并利用“拟稳态”窜流函数计算样品的吸附时间。无围压条件下顺和、三河口3上、三河口3下样品吸附时间计算结果分别为271.4min、523.6min、242.8min，不同地点煤样吸附时间相差2.15倍。三河口3下样品在5MPa、10MPa、15MPa、25MPa围压条件下吸附时间计算结果分别为255.3min、391.5min、268.6min、1107.4min；随着围压的增加，吸附时间计算结果呈指数型增大且吸附时间增大趋势越明显，其中围压25MPa时三河口3下样品的吸附时间是围压5MPa时的4.33倍。由于吸附解吸迟滞效应存在，各样品瓦斯残存量占比均在40%以上，均大于总吸附量36.8%，导致常规吸附时间测定方法计算失效，其结果为无穷大。（5）从实验室尺度和深部煤层瓦斯抽采角度模拟分析了不同吸附时间对煤体瓦斯流动的影响。煤柱瓦斯解吸模拟结果表明，随着吸附时间增加同时刻煤柱瓦斯解吸速率减小且解吸量达到某一相同值所需的时间增加，其中吸附时间从0.1d变为0.5d时煤柱瓦斯初始解吸速率减小了4.11倍，煤柱解吸量达到8.50mL/g所需的时间增加了3.08倍，吸附时间取值较小时解吸速率对吸附时间的变化更敏感。深部瓦斯抽采模拟结果表明，吸附时间依次增加10倍时距离钻孔2m范围预测消突所需的瓦斯抽采时间分别增加了1d、5d、86d，吸附时间数值越大预测消突所需抽采时间越久，相同抽采时间内钻孔瓦斯流速与累计瓦斯抽采量越大，吸附时间参数数值准确性对于深部煤层瓦斯抽采效果预测具有较大影响。

作者：

黄文怡

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关键词：

矿井瓦斯动力学吸附时间双重介质渗流通道改造

授予学位：

硕士

学科专业：

安全科学与工程

导师：

刘清泉

学位年度：

2023

学位授予单位：

中国矿业大学(江苏)

语种：

中文

中图分类号：