基于水分影响的加-卸载围压条件下含瓦斯煤渗流特性研究

利用自行研制的"受载含瓦斯煤温控三轴加载渗流实验装置",以河南方山煤矿煤样为研究对象,进行了不同含水率条件下2次加-卸载围压的三轴渗流实验,系统研究了水分和加-卸载围压对含瓦斯煤渗透特性的影响规律。研究结果表明:1)围压及煤样的含水率对型煤煤样渗透率控制性较强,型煤渗透率与水分及围压大小都呈负相关关系;2)2次加载过程相比,第2次加载过程中渗透率变化明显较第1次平缓,且两者渗透率与围压的关系曲线路径不同;3)2次卸载过程中,渗透率都有一定程度升高,但均恢复不到初始值,且随着煤样含水率越高其恢复程度越小;4)同一次加载或卸载过程中,含水率越高的煤样渗透率变化曲线越平缓。第1次加载后,进行第1次卸载及2次加卸载过程中,水分对煤体渗透率的控制性要显著高于围压对其控制性。实验结论对处于反复加-卸载情况下,煤层瓦斯渗透率主要控制因素选择有一定意义。     

瓦斯抽采半径确定的数值模拟研究

为了研究钻孔抽采过程中煤层瓦斯的运移规律以及确定合理的抽采半径,基于煤体孔隙-裂隙双重介质的结构模型,建立了考虑吸附解吸的受载含瓦斯煤体瓦斯流动耦合方程。并实测鹤壁三矿二1煤层数值计算所需相关参数,采用COMSOL-Multiphysics数值模拟软件对钻孔周围的煤层瓦斯流动进行数值计算模拟,得到不同抽采时间内的有效半径,并根据模拟结果探讨了抽采负压对抽采效果的影响。最后通过模拟流量数据与现场实测流量数据的比较,两者结果基本一致,从而验证了数值模拟结果的正确性。     

含瓦斯煤渗透率动态演化模型

瓦斯排采过程中煤层渗透率会随着瓦斯压力的变化而动态变化,渗透率的动态演化主要是由有效应力改变及煤体基质收缩两种因素共同作用的结果。基于裂隙平板模型,理论推导了瓦斯解吸、扩散及渗流过程中煤体渗透率的变化关系。利用表面化学与有效应力理论,构建了该过程中基质收缩和有效应力增大等因素影响下的渗透率动态演化模型。根据矿井煤层实测参数,对模型进行了求解。计算结果显示:渗透率与瓦斯压力的关系呈现一种非对称"U"字型变化规律。最后通过渗透率计算结果与实验室实测结果的对比分析,两者吻合度较高,进而验证了理论模型的正确性。     

煤样渗透率围压敏感性试验研究

根据采掘工作面前方煤体的复杂受载状态,利用自主研发的受载煤岩瓦斯渗流试验系统,研究了不同含水率煤样在2次加、卸载围压过程中的渗透率变化特性。研究结果表明:随着围压的增加,煤样的无因次渗透率及渗透率损害系数减小,且减小幅度逐渐趋于平缓;第1次加载过程的应力敏感性要大于第2次加载过程,应力敏感系数随着煤样含水率的增加而增加;围压升降过程中煤样渗透率的变化是不完全可逆过程;第1次围压加、卸载过程中,渗透率损害很大,且随着含水率的增加而增大,第2次加、卸载过程中渗透率损害率较小。研究结果可为深入认识煤层瓦斯运移规律提供试验基础,也可为煤层瓦斯抽采和煤矿瓦斯灾害防治提供理论支撑。     

瓦斯抽采过程中的煤层透气性动态演化规律与数值模拟

 为了研究煤层瓦斯抽采过程中的煤体渗透性变化规律,基于Kozeny-Carman方程,利用表面物理化学与含瓦斯煤的有效应力理论,建立考虑有效应力变化、瓦斯解吸和煤基质收缩效应的煤层渗透率动态变化模型,并结合数值模拟分析煤层瓦斯抽采过程中煤体透气性动态演化规律。研究结果表明：(1) 所建立的煤层渗透率动态演化模型能较好地描述煤层瓦斯抽采过程中的煤体透气性动态演化规律。(2) 煤体渗透率与煤体孔隙压力之间呈现出“V”字型变化趋势,低瓦斯压力阶段煤基质收缩效应占主导地位,煤层渗透率随瓦斯压力降低而增大;高瓦斯压力阶段有效应力作用占主导地位,煤层渗透率随瓦斯压力降低而减小。(3) 从煤层内部逐渐接近抽采钻孔过程中,煤层瓦斯压力较高时,煤体渗透率先减小后增加;煤层瓦斯压力较低时,煤体渗透率不断增大。研究结果可以为我国煤矿瓦斯治理和煤层瓦斯抽采提供理论支撑,具有指导性意义。