煤层气注热开采的热-流-固耦合作用分析

如何提高煤层气产量是目前煤层气开采研究中的重要课题。煤层气在煤层孔隙中主要以吸附状态存在,提高煤层温度可以促使气体由吸附态转变为游离态,增加其渗流扩散能力。根据热弹性力学、非线性达西渗流理论和多孔介质热力学原理,对在煤层中注热提高煤层气产量的机理进行了系统研究,建立了包含煤的变形方程、气体渗流方程、热传导方程的热流固多物理场耦合数学模型。在此基础上利用COMSOL Multiphysics数值软件,对耦合模型进行了数值求解,结果表明:注热后煤层温度升高可以促进煤层气解吸、提高煤层渗透率,增加煤层气产量。研究成果可为煤层中注热开采煤层气的工程实践提供相应的理论基础。     

松散体内气体渗流规律在煤巷周边瓦斯分布研究中的应用

通过现有巷道围岩支承压力分布规律,结合松散破碎介质中的气体渗流规律及达西定律为基础的渗流规律,构建了煤壁瓦斯渗流的物理、数学模型。推导出煤巷瓦斯渗流控制方程式,通过Matlab软件提供的数值方法编程解算方程,得到不同排放时间煤巷瓦斯赋存规律变化曲线,为现场工作面瓦斯地质图的绘制提供了必要的铺垫。     

阿刀亥煤矿CU2煤层瓦斯赋存规律的研究

依据地质构造控制理论分析了阿刀亥煤矿的瓦斯赋存特征,初步总结了CU2煤层的瓦斯地质规律。从瓦斯地质学的角度指出地质构造、煤层埋藏深度、围岩条件和煤层倾角是影响该矿CU2煤层瓦斯赋存规律的主要因素。     

高煤阶煤层气扩散-渗流机理及初期排采强度数值模拟

为了分析排采控制对气井产能的影响,以沁水盆地南部煤层气藏为例,应用分子动力学、岩石力学理论,分析了高阶煤层气扩散、渗流机理;应用Simed软件,分别采用不变渗透率、应力敏感以及考虑割理压缩率变化的S-D渗透率模型,进行了不同煤体结构高阶煤层气井初期排水强度数值研究。研究表明:解吸、扩散、天然裂缝渗流以及压裂裂缝导流等环节需协调作用,才有利于产气;随着排采的进行,扩散系数会逐渐增大,而压裂裂缝导流系数会因有效应力作用、煤粉堵塞等因素而降低;渗透率是影响研究区气井产能的关键因素,渗透率高的产气效果好;构造煤对于初期降液速率较敏感,对较高的导流系数不敏感;原生、碎裂煤对初期降液速率不敏感,但对导流系数较敏感;低渗煤层气井宜采用较低的初期降液速率;高渗煤层气井可以采用较高的初期排采强度持续排出水和煤粉。     

吸附作用对原煤渗透特性的影响

为了解吸附作用对原煤渗透特性的影响,利用自制的煤岩三轴渗透仪,在不同轴压和围压组合条件下,对以打通一矿低渗透突出煤层的原煤试样,采用稳态渗流法进行CO2和N2渗流试验。从渗流力学的观点,分析不同吸附性气体对原煤渗透率的影响。试验结果表明:气体吸附作用越强,气体吸附量越多,则煤样渗透率越低;气体吸附性越强,煤样受围压影响越小,煤样对气体吸附量增加幅度越大;气体压力与原煤渗透率呈乘幂函数关系。同时,给出了吸附膨胀应力与渗透率的关系表达式。研究结果对探索煤层真实的瓦斯运移规律具有一定的参考价值。     

块裂介质岩体变形与气体渗流的耦合数学模型及其应用

在详细论述岩体基质岩块与裂缝变形,气体渗流及相互作用物理机制的基础上,提出了块裂介质岩体变形与气体渗流的耦合数学模型及其数值解法,这是岩体介质固气耦合数学模型的重要发展,以含裂缝煤层瓦斯抽放为例,通过数值分析,揭示了含裂缝煤层瓦斯在基质岩块和裂缝中运移,传递和交换,伴随的岩体裂缝和基质岩块变形和应力分布,及其对瓦斯气体运移的相互作用影响规律。     

低渗透煤层气注热开采热-流-固耦合 数学模型及数值模拟

为得到低渗透煤层气藏注热开采过程中煤层气渗流运移规律,探索原地煤层在注入蒸汽加热后对煤层气产量的影响,基于煤体渗透率、孔隙度随温度、应力,气体导热系数、杨氏模量、泊松比随温度变化的关系,综合运用渗流力学、岩石力学、传热学等相关理论,建立了低渗透煤层气注热开采过程煤层气渗流热-流-固多物理场耦合数学模型,采用多井开采方式进行了注热开采过程煤层气渗流规律的数值模拟。数值模拟结果表明：煤层注热10 d抽采100 d后,由于煤层的导热并伴有煤层气的对流传热,煤层平均传热速度为66.25 mm/h,注热开采造成储层压力降是无注热抽采压力降的2.45倍,在温度应力耦合作用下,煤层气注热抽采量是未注热抽采量的2.2倍,注热开采是低渗透煤层气增产的有效途径。     

采空区瓦斯渗流规律的CFD模拟

对瓦斯在煤层中流动、在邻近煤层和围岩中流动规律进行分析;总结出采空区瓦斯分布规律。引入地质变化连续函数,更加准确地建立了采空区瓦斯渗流模型,利用CFD软件进行模拟解算,研究了采空区瓦斯渗流场变化规律,并通过对比确定了一种计算模型。研究表明：采用CFD模型研究采空区瓦斯渗流规律是可行的方法之一。     

含瓦斯煤渗透率各向异性研究

为研究含瓦斯煤各向异性渗流特征,以原煤煤样为研究对象,以含瓦斯煤三轴渗流实验系统为实验平台,开展了含瓦斯煤的各向异性渗流规律的研究,确定了含瓦斯煤各向异性渗透率主值及其方位的计算方法,定义了含瓦斯煤渗透率各向异性率,重点分析了含瓦斯煤渗透率各向异性动态变化规律和瓦斯优势流动方向的转变现象。研究结果表明:煤体瓦斯流动具有非常明显的各向异性特征,本文所提出的含瓦斯煤各向异性渗透率计算方法简单有效;含瓦斯煤具有较强的应力敏感性,其渗透率与有效应力之间符合负指数函数变化规律;含瓦斯煤渗透率的各向异性随有效应力的变化表现出了明显的动态变化发展规律,优势流动方向存在转变现象。     

石门揭煤防突抽放瓦斯钻孔合理布置参数的研究

在建立石门揭煤抽放瓦斯钻孔周围煤体瓦斯渗流方程的基础上，利用数值计算方法模拟分析了煤层钻孔周围瓦斯渗流规律以及影响石门揭煤外孔瓦斯抽放率的影响因素，提出了在一定煤层透气性条件下原始煤层钻孔抽放瓦斯的极限抽放时间、极限抽放量和最大的安全抽放钻孔间距，并将数值计算结果应用于指导现场 施工，取得了较满意的结果。     

煤与甲烷气体相互作用机理的研究

甲烷气体 (瓦斯 )主要以游离和吸附态赋存于煤中已形成共识。但是关于煤层内真实甲烷气体状态方程与理想气体状态方程的偏差认识尚有不清 ,对煤表面吸附甲烷气体的相互作用机理的认识尚有差距 ,应用统计热力学与量子化学的理论 ,结合实验量化计算结果 ,对上述诸问题进行了分析和探讨。研究结果表明 :提出的真实甲烷气体状态的经验方程能更客观地反映煤层内游离甲烷气体的真实状态 ,用Morse势能经验函数能较客观地描述煤的芳香核表面吸附甲烷分子的相互作用过程 ,煤核表面吸附甲烷分子以正三角锥重叠式排列为最稳定的结构模型 ,而且以单层为主的物理吸附为特征。     

Study on the mechanism of interaction for coal and methane gas

Although two moulds for methane gas in coal with the free state and adsorption state have been popularly considered, the derivation between the real methane gas state equation in coal and the perfect gas state equation has been fuzzily considered and the mechanism of interaction for coal aromatics arid methane gas molecules has not been understood. Then these problems have been discussed in this paper applied the principle of statistical thermo-mechanics and quantum chemistry as well as based on the numerical calculating of experiential data in quantum chemistry. Therefore, it is revealed by research results that the experience state equation for real methane gas in coal, which is put forward in this paper, is closer to actual situation and the interaction process for methane gas adsorption on the surface of coal aromatics can be formulated by Morse potential function. Furthermore it is most stable through this research that the structural mould for methane gas molecule adsorption On the surface of coal nuclear with one gas molecule on top of another aromatics in regular triangle cone has been understood, and it is a physical adserption for methane gas adsorption with single layer molecule on the surface of coal nuclear.     

煤层气渗流方程数值分析

建立了煤层气扩散渗流的微分方程，对煤层气渗流偏微分方程，采用差分法建立差分方程，进行了数值分析。所建立的煤层气扩散渗模型较准确的反映了煤层中煤层气流动规律，对我国大面积低透气笥无烟煤煤层气的开发具有一定的指导意义。     

钻进过程中孔壁瓦斯涌出规律研究

出于预测煤巷煤与瓦斯突出危险性的连续流量法研究的需要,以Darcy渗透定律为基础,分析了钻进过程中孔壁瓦斯动态涌出的特点,并在一定的简化和假设条件下,以FLAC3D为工具,建立了孔壁瓦斯动态涌出的Mohr-Coulomb圆柱体渗流模型。研究结果表明:孔壁瓦斯涌出速度随钻进深度的增加而增大,停钻瞬间达到最大;孔壁累计瓦斯涌出量也随钻进深度的增加持续增大。     

煤矿区煤层气三区联动立体抽采理论与模式

为了实现煤矿区煤炭与煤层气2种资源的安全高效协调开发,基于煤炭开发时空接替规律,将煤矿区划分为规划区、准备区、生产区3个区间,分别采用地面钻井排采、地面与井下联合抽采以及本煤层钻孔抽采等不同的瓦斯抽采技术以保证煤炭安全高效生产。根据煤矿安全生产容许最高瓦斯含量数学模型、煤层瓦斯压力数值模拟模型和煤层气立体抽采优化专家系统,创立了三区联动的区域递进式立体抽采模式（晋城模式）,提高了煤炭资源采出率,实现了煤矿瓦斯井下抽采和地面原位抽采2个独立产业模式的有效衔接,解决了煤层气开发与煤炭开采的时空矛盾。     

基于煤体瓦斯含量对测定煤层瓦斯压力准确性分析

基于煤体的瓦斯含量,分析了测压室长度与封孔过程中瓦斯的释放量对测压准确性的影响,并依据理想气体状态方程与煤层瓦斯含量的朗格缪尔方程,推导出原始的煤层瓦斯压力与实际测出的煤层瓦斯压力、测压室长度以及封孔过程中瓦斯释放量的表达式,对实际测得的瓦斯压力进行了修正。经计算发现,测压室长度越长,封孔过程中瓦斯释放量越多,最终测定的瓦斯压力与煤层原始瓦斯压力偏差越大,在封孔过程中应尽量减小测压室的长度,加快封孔的速度。     

地应力、地温场中煤层气相对高渗区定量预测方法

为定量化预测煤层气高渗区,以应力、温度影响下的煤层气压力、孔隙率和渗透率的预测方程为基础,提出了地应力场、地温场中煤层气渗透率预测的定量化方法,建立了考虑煤体内部裂隙结构和应力、温度影响的渗透率计算方法,给出了实验室渗透率与现场实测渗透率的校正方法.通过Kaiser声发射原岩应力测试实验、不同温度不同围压条件下煤体甲烷渗流实验、孔隙率测定实验、比表面积测定实验、煤体压缩及热膨胀实验,研究了应力、温度影响下的煤体甲烷渗透规律.研究发现,煤体甲烷渗透率随温度变化并非单调递增或单调递减,渗透率与温度的关系,取决于外围有效应力条件或围压条件,即高有效应力时,煤体具内膨胀效应,渗透率随温度升高而降低;低有效应力时,煤体外膨胀,渗透率随温度升高而升高.依据理论方程和实验,以等值线形式定量预测了重庆沥鼻峡矿区煤层渗透率分布,并划定了相对高渗透区,解决了当前煤层气高渗透区预测难以定量化的问题,并提高了预测精度.     

我国煤矿瓦斯治理的技术对策

简要分析了我国煤田地质特点以及煤层气资源分布特征，总结了瓦斯抽放及煤层气开发技术及其适应性，剖析了煤矿瓦斯治理及煤层气开发的技术难题，提出了促进和加强我国煤矿瓦斯治理的强化瓦斯抽放，坚持先抽后采，因地制宜选择瓦斯抽放方法等技术对策.     

负压对瓦斯抽采的作用机制及在瓦斯资源化利用中的应用

由于对负压在瓦斯抽采过程中作用机制认识不清,煤矿往往采用恒定的抽采负压,导致抽采的瓦斯浓度低、利用难度大,不利于瓦斯的资源化抽采与利用。建立了考虑基质瓦斯拟稳态扩散、裂隙瓦斯渗流、渗透率演化及煤体变形的瓦斯运移气固耦合模型,并采用Comsol Multiphysics对模型进行数值解算。分析了扩散及渗流过程对瓦斯运移的影响,研究了负压在瓦斯抽采过程中的作用机制。考虑抽采负压作用的变化,结合抽采瓦斯及漏风并联关系,获得了不同抽采负压下瓦斯浓度变化。结果表明随抽采时间增加,负压的作用逐渐减弱,降低抽采负压能够有效提高抽采瓦斯浓度。针对当前煤矿抽采瓦斯浓度低的现状,提出了抽采钻孔"分组并联"降低抽采负压、提高瓦斯资源化利用的技术措施。     

尾巷超大直径管路横接采空区密闭抽采技术

针对高瓦斯低透近距离煤层群开采条件下“U+L”型通风系统上隅角和尾巷瓦斯浓度严重超限的治理难题,基于试验区综采工作面瓦斯涌出特征和“U+L”型通风系统瓦斯尾巷的优点及其局限性,提出尾巷超大直径管路(1 200 mm)横接采空区密闭抽采技术,并阐述了其控制采空区瓦斯渗流场的抽采原理。依据采空区瓦斯大气混合气体渗流的控制方程,建立了采空区三维渗流的CFD模型,分析得出上隅角瓦斯浓度、采空区渗流场与抽采位置距工作面距离的关系,确定了密闭抽采技术的关键参数。现场实践表明,尾巷超大直径管路横接采空区密闭抽采技术治理瓦斯效果显著,上隅角瓦斯浓度稳定在0.9%以下,尾巷瓦斯浓度从6.0%降低到1.7%以下,实现了复杂瓦斯地质条件下的安全高效开采。