煤层瓦斯压力及压力梯度影响因素的分析

由于煤层瓦斯压力的影响因素多且复杂,通过建立理论模型,得出了煤层瓦斯压力与煤层埋深、煤岩弹性模量、泊松比、温度梯度和地应力梯度等影响因素的关系式,并结合数值分析,对煤层瓦斯压力与其相关影响因素的关系进行了分析。通过分析得出,煤层瓦斯压力随着煤层埋深的增加而变大,在同一煤层埋藏深度,煤层瓦斯压力随弹性模量、泊松比、温度梯度的增加而降低,随地应力梯度的增加而增大。同时,煤层瓦斯压力梯度随煤岩弹性模量和泊松比的增大而增大,当煤岩弹性模量和泊松比较小时,煤层瓦斯压力梯度的变化率较小,当煤岩弹性模量和泊松比较大时,煤层瓦斯压力梯度的变化速率迅速增加。煤层瓦斯压力梯度随温度梯度和地应力梯度的增大而增大,基本呈线性变化。     

临涣矿煤层瓦斯压力预测方法的研究

为了掌握煤与瓦斯突出危险性预测过程中瓦斯压力分布规律,研究煤层瓦斯压力预测方法,为矿井瓦斯治理提供有效依据。通过分析临涣煤矿近距离突出煤层群中7#煤、9#煤的瓦斯压力分布,对不同区段瓦斯压力进行分段预测。结果表明,风化带区域与其以深区域各有不同的压力分布规律,综合考虑地温及地应力的变化对影响瓦斯压力大小的计算式,可使瓦斯压力的预测更为准确。     

煤厚变化对煤与瓦斯突出危险性的影响

研究了白坪井田构造煤厚度与煤与瓦斯突出的关系,发现了煤厚及其变化是控制煤与瓦斯突出危险性的主要因素,其关系如下:煤厚大,煤层瓦斯含量大,则煤层稳定性差;煤厚变化大,煤层瓦斯含量梯度和水平地应力梯度也大,煤厚及其变化可以控制瓦斯含量、地应力和煤层稳定性,进而起到控制煤与瓦斯突出的作用.     

煤矿深部开采瓦斯压力计算的解析算法

在考虑地应力和地温影响的基础上,提出了煤层瓦斯渗透率ｋ（,θ）与平均应力和地温的关系及一维稳定流动的瓦斯渗流方程,并根据煤层在地表有无露头和通道的情况,导出了煤层瓦斯压力计算分析的解析式．现场实测和理论计算的比较分析表明,该算法能较准确反映实测结果,并从理论上进一步完善了煤层瓦斯压力的计算方法,对煤矿深部开采煤层瓦斯压力和含量的预测以及渗流场的分析具有重要意义．     

基于热力学理论煤层瓦斯压力计算方法研究

煤层原始瓦斯压力的准确测定一直是现场瓦斯防治工作的技术难题,而传统的各种测定方法均存在一定的局限性。从热力学的角度分析了煤层中微元体的各种状态参数及其变化过程,在此基础上应用力学的相关理论,构建了煤层原始瓦斯压力的数学模型并求出其解析式。现场实测和理论计算的比较分析表明,该计算方法能较准确地反映实测结果。研究结果不仅从理论上进一步完善了煤层瓦斯压力的计算方法,而且对准确确定深部开采煤层和高温矿井的瓦斯压力具有重要意义。     

地面井预抽瓦斯应力-渗流耦合数值模拟研究

基于弹性力学、渗流力学等理论,建立了地面井预抽瓦斯应力-渗流耦合模型,在此基础上结合工程实例,分析了地应力对瓦斯抽采效果的影响。计算结果表明:在地面井抽采作用下,煤层瓦斯压力不断减小,且地应力越大,瓦斯压力下降速度越慢;随着抽采的持续进行,造成煤体的有效应力增加和渗透率降低,同时由于瓦斯解吸,煤层孔裂隙重新变大和渗透率增加,2种效应共同作用下煤层渗透率总体呈现非线性增加趋势;地应力对地面井抽采效率影响显著,两者呈现负相关关系,即随着地应力的增加,煤层中的基质孔隙率下降和裂隙趋于闭合,造成煤层渗透性下降,最终导致了瓦斯抽采量的下降。     

煤层瓦斯压力分布规律及预测方法

煤层瓦斯压力是评价煤层突出危险性与决定煤层瓦斯含量的一个重要指标,与瓦斯突出关系紧密.为了掌握煤层瓦斯压力分布规律及普遍适用的预测方法,本文通过分析煤层瓦斯压力分布规律及其影响因素,提出了煤层瓦斯压力计算的理论公式及采用安全线预测煤层瓦斯压力的新方法.通过对比分析表明,采用安全线图解法预测煤层瓦斯压力,能较准确反映实测结果,在现场实践运用中合理、可靠,能够为矿井深部瓦斯治理提供安全可靠的依据,保证矿井安全生产.     

地面井预抽瓦斯运移规律数值模拟研究

基于气固耦合理论,建立了地面井预抽瓦斯的气固耦合力学模型和数值计算模型,并分析了地应力、储层压力等因素对地面井预抽瓦斯效果的影响。计算结果表明:地应力与煤层产气率之间呈现非线性负相关关系。抽采前期瓦斯的产出速率随地应力的增大而显著变小,随着抽采的进行,地应力对产出速率控制性逐渐减弱;储层压力与瓦斯产气率呈正相关关系。煤层瓦斯压力越大,初始瓦斯抽采效率越高,抽采产量越大,随着抽采时间的增加,煤层瓦斯压力下降,瓦斯抽采效率迅速降低;瓦斯产出速率由煤体渗透率和储层瓦斯压力梯度两者共同决定,抽采初期前者对瓦斯产出速率的控制性占主导地位,随着抽采的进行前者对其控制性要逐渐小于后者。     

新景矿煤与瓦斯突出危险性预测研究

阳泉矿区为高瓦斯矿区,瓦斯地质灾害成为威胁矿区当前安全高效生产的主要因素。采区主要表现为较高的瓦斯含量和瓦斯压力,瓦斯喷出和瓦斯突出等现象较为严重。文章在前期矿区地应力测量的基础上,通过地应力的分析、计算和数值模拟,揭示研究区主采煤层的地应力场空间分布状况,并结合研究区构造条件、煤层埋深、围岩封闭性和构造煤发育情况,最终对矿井煤与瓦斯突出危险性进行了预测预报,对指导矿井安全生产具有重要意义。     

钻孔抽放瓦斯渗流特性的气固耦合模型

随着矿井开采深度的增加,地应力、瓦斯压力、煤体特性等因素的变化对瓦斯渗流的影响越来越明显。根据钻孔抽放瓦斯的渗流特性与固体变形的基本理论,引入了固体力学和多孔介质流耦合的控制方程,同时考虑了分子滑脱效应对渗流的影响。建立了考虑抽放钻孔在不同的地应力、不同初始渗透率和不同抽放负压条件下,瓦斯运移与煤体变形相耦合作用的数学模型。通过研究钻孔抽放瓦斯过程中,在不同地应力和瓦斯压力的影响下,得出煤层渗透率和瓦斯运移的变化规律。     

临兴深部煤层气含气性及开发地质模式分析

鄂尔多斯盆地东缘晋西挠褶带临兴中部地区煤层埋深大于1 000 m,达到了深部煤层气的研究范畴。基于实际生产资料,探讨区内深部煤层含气性,提炼了深煤层开发地质模式。研究认为:以含气量转折为深煤层临界深度的划分依据,则工区内深部煤层的临界深度在2 000 m左右;且深部中煤阶储层的吸附性对温度的敏感性要小于压力,中煤阶煤层的临界深度相对深于高煤阶;深部煤层气仍以吸附气为主,现有的等温吸附测试方法易造成深部煤层气含游离气比例换算较大的误区;深部煤层受温度影响,煤层临储比较高,受应力影响,储层物性较差,气井总体具有"见气快、排水降压难、产气量上升缓慢"的特点;研究区深部煤层气潜力巨大,现有气井经验显示,合理优化开发单元为深煤层单井突破的关键,A型"源-储"相通的富集开发地质模式是深煤层突破重点考虑的开发模式。     

排采降压诱发煤层剪切破坏机理与防控对策

煤层压力衰减会导致煤岩体剪切破坏,诱发井壁失稳、套管损坏和出煤粉等井下复杂事故。为预防煤层破坏,以沁水盆地南部二叠系山西组3号煤层为研究对象,基于单轴应变模型分析了排采降压过程中的煤层应力路径及其破坏行为,明确了煤层破坏影响因素,并提出了控制井底流压和CO_2-ECBM相结合的防控技术对策。结果表明:煤层水平有效应力在排水阶段随孔隙压力的降低而线性增大,但在解吸阶段却随孔隙压力的降低而非线性减小,气体解吸能够加速煤层剪切破坏;煤层初始水平应力越小,垂向应力、初始孔隙压力、临界解吸压力越大,气体吸附效应越强,煤岩体弹性模量、泊松比越大,单轴抗压强度越低,则煤层临界破坏孔隙压力就越大;煤层破坏前转注CO_2既能有效避免煤层破坏,也可提高煤层气采收率,不失为CO_2-ECBM的良好作业时机。     

多煤层系统的煤层气运移模型研究

扩散和渗流是煤层气在煤层中流动的基本形态。在多煤层系统煤层孔隙压力梯度的驱动下,临近层煤层气会越过弱透气夹层向开采煤层的采场、采空区或采气钻孔迁移并涌出,这就形成了多煤层系统的煤层气越流。通过对三者的综合认识,建立了多煤层系统的煤层气整体运移模型,为解决煤矿的实际工程问题提供了更符合实际的理论。     

煤层气资源可动用性定性/半定量评价方法研究

煤层气资源可动用性是指由煤层水文地质条件和煤层压裂改造条件共同决定的煤层气资源开发动用的难易程度,煤层气资源可动用性评价与煤层气储集条件评价构成煤层气资源可采性评价的两个重要方面。通过沁水盆地柿庄区块和寿阳区块排采效果差异的分析对比,从煤系地层含水性、断裂构造、地应力状态和煤层与围岩的岩性组合4个方面深入讨论煤层气资源可动用性的评价问题,进而提出煤层气资源可动用性定性/半定量评价方法。研究表明:煤系地层的含水性对区块整体的煤层气资源可动用性影响很大;断裂的天然水力连通作用降低了井筒-压裂煤层系统的封闭性,导致断裂附近的煤层气资源可动用性弱,且煤系地层含水性越强,断裂附近煤层气井高产水的风险就越大,煤层气资源的可动用性就越弱;煤层所处的地应力状态和围岩的岩性组合共同构成井层煤层气资源可动用性的客观条件,地应力状态影响人工压裂缝的方位,对可动用性产生重要影响,而煤层与围岩的岩性组合客观上决定煤层气的可动用性,但结合应力状态、水平应力强度和压裂规模的综合分析,才能做出更科学的判断。煤层气资源的可动用性评价方法基于层次分析的思想,综合考虑了煤系地层含水性、断裂、地应力状态和煤层与围岩岩性组合4个方面,可应用于煤层气选区评价和井层优选。     

深部煤层气异常地质特征及开发技术探讨

针对沁水盆地深部煤层气地质与储层认识不足、开发措施还在探索阶段等现状，以寿阳区块15煤为研究对象，探讨了深部煤层气地质特殊性及开发对策。研究区15煤层发育稳定，煤层厚度基本在3m左右|煤层含气量大部分在10～12m3/t，纵向上受煤层埋深和变质程度的双重影响，含气量在埋深大约1200～1500m出现临界点后随深度增加逐渐降低。与其他深部地区“三高”特征不同，15煤深部储层表现为低压、高应力、中等地温的特征，属比较严重的低压力梯度和低地温梯度范畴。煤储层渗透性为高孔低渗分类，渗透率一般0.01～0.1mD，渗透性主要受煤层埋深、地应力、煤体结构和孔隙特征影响。根据15煤低水分含量、高孔隙度以及生产井产气特征，认为游离气含量可能具有较大的占比。最后提出，单独开发15煤层时可采用顶板岩层水平井分段压裂方式或围岩多分支水平井方式，该技术已在盆地南部15煤取得了产气突破|15煤层及9、3煤层多煤层开发时可采用围岩与煤层合压的垂直井方式，并对开发工程中的增产和排采工艺提出了相应的建议。     

煤层地质异常区域掘进防突技术

针对瓦斯地质异常区域煤层特点,分析了异常区域执行防突措施存在的问题;研究了地质构造异常区域防治煤与瓦斯突出的技术原理、方法;确定了预测突出危险性指标;应用地质前探、超前排放、浅孔抽放瓦斯和卸压综合防突方法,现场实践表明,在突出危险性较大的煤层地质异常区域进行卸压、排放瓦斯,使原始高地应力场发生改变,并使高地应力场沿巷道掘进方向向前方煤体和巷道两帮深部转移,提高了煤层透气性,减少了突出势能,能够有效防治煤与瓦斯突出。     

鄂尔多斯盆地东南缘地应力、储层压力及其耦合关系

采用水压致裂测量地应力方法,获得了鄂尔多斯盆地东南缘26口煤层气井地应力分布,通过统计分析,建立了二叠系山西组2煤储层地应力与煤层埋藏深度之间的相关关系和模型,揭示了现今地应力分布规律及受控机制。研究结果表明,本区二叠系山西组2煤层破裂压力梯度、闭合压力梯度和煤储层压力梯度的平均值分别为 1.96,1.69,0.71 MPa/100 m。煤储层最大水平主应力、最小水平主应力和垂直主应力以及储层压力均随着煤层埋藏深度增大呈线性规律增高。在 1 000 m 以浅煤储层地应力状态主要表现为σv＞σhmax ＞σhmin ,最小水平主应力小于16 MPa,现今地应力处于拉伸应力状态,煤储层有效应力系数K0 为0.48,且低于油气盆地页岩层中的有效应力系数值(K0 =0.80);在1 000 m以深煤储层地应力状态转化为σhmax ≥σv≥σhmin ,最小水平主应力大于16 MPa,现今地应力转化为挤压应力状态。本区现今地应力受华北区域构造应力场控制,最大水平主应力方向主要以NEE-SWW方向为特征。本区煤储层压力偏低,相同深度条件下鄂尔多斯盆地东南缘煤储层压力要比沁水盆地南部偏低0.73~0.93 MPa,且煤储层压力与地应力呈正相关关系,随着地应力的增加,煤储层压力增大。     

近距离煤层群煤与瓦斯高效共采技术体系研究 ——以山西吕梁沙曲矿区为例

为掌握近距离煤层群叠加开采的应力-裂隙-瓦斯渗流规律,构建近距离煤层群煤与瓦斯高效共采技术体系及动态评价模型,以山西吕梁沙曲矿区为研究对象,采用物理相似模拟、超声波试验及SF6示踪气体现场监测相结合的研究方法,分析了沙曲矿区近距离煤层群煤层气资源的赋存特点,探究了沙曲矿区近距离煤层群多次扰动下煤岩损伤变量随应力的变化规律,建立了Boltzmann煤岩损伤方程,得出了沙曲矿区近距离煤层群叠加开采条件下采动应力演化-裂隙发育-瓦斯运移规律。研究结果表明:沙曲矿区煤层的孔裂隙结构特征不利于瓦斯运移,在近距离煤层群叠加开采条件下二次采动对于覆岩应力场和裂隙场的影响并非简单的效果叠加,而是“1+1>2”的影响效果,下伏煤层在叠加开采下产生了贯穿型裂隙,并在其周围衍生了大量的次生裂隙,为煤层瓦斯运移提供了优势通道;根据沙曲矿区煤-气共采不同阶段的时空条件和消突要求,分区分级优选并集成了近距离煤层群煤与瓦斯共采技术体系,即在规划区采用多种地面井规模化多煤层长时间预抽煤层气,在准备区采用多分支水平井井孔定向对接共采和保护层开采+底抽巷定向钻孔群抽采,在生产区采用大采高沿空留巷共采及大直径定向钻孔群共采技术;通过分析煤与瓦斯共采的影响因素,提出了近距离煤层群煤与瓦斯共采动态评价指标体系,建立了贝叶斯煤与瓦斯共采评价模型,实现了对沙曲矿区煤与瓦斯共采效果及矿井部署合理性的评价,得出沙曲一矿煤与瓦斯共采动态合理性概率为0.65、共采合理性等级为“较为合理”;最后阐述了近距离煤层群煤与瓦斯共采技术存在的关键问题,展望了近距离煤层群煤与瓦斯共采技术未来发展方向。     

地应力地温场中煤层气富集区高精度定量预测的力学方法

针对当前我国煤层气富集区预测中预测位置不准、难以定量化描述、精度不高等不足，提出了地应力地温场中煤层气富集区定量预测的力学方法。建立了应力、温度影响下的煤层气压力预测方程、含气量预测方程，预测方程体现了地应力和地温对煤层气压力、含气量、孔隙率的影响，其中，应力和温度通过影响煤层气压力进而影响吸附量，通过影响煤层气压力和孔隙率进而影响游离量，温度还通过影响吸附常数b影响吸附量。以重庆沥鼻峡盐井矿区为研究区，进行了Kaiser声发射原岩应力测试实验、不同温度下的煤体甲烷等温吸附实验和不同埋深的孔隙率测定实验。实验表明，吸附常数a随温度变化不明显，b随温度升高线性减小。以实验为基础，结合现场实测数据和实际地质资料，定量化预测了矿区煤层气含气量分布。以煤层气含量为判别指标，按照富集程度不同，将研究区划分为两级富集区。预测方法克服了以往煤层气富集区预测定性描述、预测不准和精度不高的不足。