煤层中瓦斯渗流规律的技术研究

针对目前煤炭开采逐步转化为深部开采,瓦斯问题也日趋严重的现状,以预制裂隙煤体为研究对象,进行了三轴加载压缩试验和三轴渗流试验,研究了不同裂隙面积煤体在应力作用下的力学特性与渗流规律。试验结果表明：不同裂隙面积煤体在应力加载下的应力变化曲线基本趋于一致,试样在加载压缩阶段、压密阶段与弹性阶段几乎密不可分,在围压加载阶段已经完成试样的压密;根据测得的压力梯度与流速拟合结果发现,裂隙渗流有明显的非线性特征;随着有效围压的增大,渗透率K逐渐减小,非达西渗流因子β增大;随着裂隙面积的增加,渗透率K逐渐减小,非达西渗流因子β也逐渐减小。     

低渗透煤层瓦斯解吸渗流规律的试验研究

如何提高煤层气采收率是目前煤层气开发的重点课题。通过实验揭示了温度是影响煤层气渗透率及解吸渗流量的关键因素之一,得到了非等温条件下煤层气解吸-渗流规律。实验通过自制的温控三轴煤层气解吸渗透仪进行规律探究。经数据拟合,分析得出:不同温度条件下,渗透率随孔隙压力的增加以指数形式递增;在相同围压、轴压和孔隙压力条件下,等温解吸时,煤样瓦斯渗流量随温度的增加而呈现指数递减规律;升温解吸时,解吸量比低温下的渗流量增加,孔隙压力越大,渗流量增加越明显。根据试验结果,认为在注热开采煤层气时,通过间歇式注热(蒸汽吞吐)使煤层温度梯度不断变化,煤层发生升温解吸,有利于煤层气的产出。对低渗透煤层瓦斯开采提出新的思路。     

煤层中CO气固耦合渗流规律研究

基于气固耦合理论,从煤的微观结构和宏观影响因素两个方面对煤层中CO的渗流规律的综合耦合影响进行了研究,研究发现:CO浓度超标的煤层变质程度较低,侧链和含氧官能团丰富,含有大量封闭孔和半封闭的气孔,同时煤层中CO渗透率远远小于瓦斯渗透率,为CO在煤层中积聚创造了条件;CO渗透率与气体压力之间呈指数形式逐渐减小,与煤层中瓦斯渗流规律大体一致;温度对煤层中CO渗流影响较大,随着温度的升高而降低,但有明显的积聚现象,这与瓦斯的渗流规律大相径庭,对煤层中CO超限现象的研究提供一定的理论依据。     

煤层注水渗流规律数值模拟

为了研究压力和水溶液黏性对煤层渗流特性的影响,采用数值模拟方法,研究了不同注水压力下,煤层内孔隙水压的分布规律;并进一步研究了添加助渗溶剂后,对水渗流效果的影响。结果表明:8 MPa中压注水工艺更符合常规生产需要;煤层内压力对水的渗流驱动作用明显,可忽略重力影响;而添加助渗液,煤层的有效润湿范围显著增加,溶液黏度系数为纯水的50%时,煤层有效润湿半径相比纯水提高了49.76%,有效减少了钻孔作业的任务量。     

基于双重孔隙介质理论的煤层注水研究

利用双重孔隙介质理论,在多孔介质弹性理论的基础上,建立了有关煤层注水的双重孔隙介质模型。对模型中的渗流场、渗透率与压力的关系进行了分析,结合双重孔隙介质理论对煤层注水的机理进行了论述。     

煤岩双重介质注水驱气渗流的理论研究

采用更接近于煤层实际为孔隙、裂隙结构的双重介质模型对煤层注水过程中的水、气两相驱替问题进行了研究,建立了极坐标下的双重介质煤层注水驱气的数学模型,采用特征线法求解了煤层中水饱和度随时间、空间位置分布变化的规律,并求出了两种特殊情形下平面径向流气为零饱和度的特征面方程的解析解.     

松散煤体中空气渗流规律的试验研究

为了分析空气在松散煤体中渗流对煤体自热和自燃的影响,根据多孔介质中气体的渗流理论,建立了测试松散煤体渗透系数的试验装置,分别从宏观上探讨了不同空隙分布和粒度分布下松散煤体的渗流规律。研究表明,同一空隙率在不同空隙分布下的渗透系数服从正态分布;粒度分布对空气在煤体中渗流的影响比空隙率大。在试验测定范围内,粒度在1.25 mm以下的粉煤是影响整个粒度分布下的煤体渗流的关键。结合实际防治地面煤堆自燃的方法,给出了不同厚度比的粉煤(0~3 mm)覆盖较大粒度(3~6 mm)煤体时,渗透系数与厚度比的定量关系式。     

煤层注水渗流规律的数值模拟

煤层注水作为煤矿粉尘防治的重要技术手段,得到了广泛的应用。为了研究煤层内溶液渗流特性受压力和水溶液粘性的影响,采用数值模拟方法,研究了不同注水压力下煤层内孔隙水压的分布规律,并进一步研究了添加助渗溶剂对水渗流效果的影响。结果表明:在一定条件下,8 MPa中压注水工艺更符合一般生产需要;煤层内,压力对水的渗流驱动作用明显,重力作用可以忽略;助渗液的添加,可以显著提高煤层的有效润湿范围,减少钻孔作业的任务量。研究结果对改善中压注水煤岩渗透性能、提高煤层注水防灾效果具有一定的指导意义。     

水力压裂周围煤层应力变化试验研究

为得到压裂阶段煤层应力与注水压力的变化规律,通过相似材料模拟试验,在试验室现场还原水力压裂的发生过程,确定压裂时裂隙的发育情况、注水压力与煤层应力的变化规律。试验结果表明:地应力越高,注水压力的升高和煤体破裂的速度越缓慢;距注水孔75 mm范围是水力压裂的卸压区域,注入高压水后,煤体应力转移到深部区域;裂隙以水力压裂孔为中心开始延伸,卸压范围的裂隙发育分为3个等级,40 mm以内裂隙最大,40～6 mm次之,65～80 mm裂隙最小;调整注水孔的压裂方案后,瓦斯浓度同比常规压裂提高20%;钻孔抽采流量同比常规压裂提高40%。     

覆岩关键层结构对本煤层超前卸压瓦斯渗流的影响规律研究

井田不同位置的覆岩结构差异很大,覆岩结构对本煤层超前支承压力的影响范围、峰值大小产生影响,进而影响到工作面超前卸压瓦斯的渗流规律。根据开元煤矿9404工作面现场实际,结合不同阶段煤样渗透率与垂直应力的拟合函数建立了数值计算模型,就工作面关键层高度、关键层厚度和关键层层数对超前卸压区瓦斯渗流规律的影响进行了数值模拟研究。     

碎软煤层穿层压裂的层段优选方法研究

为解决现有层段优选方法在碎软煤层穿层压裂领域的适应性问题,提出了基于指标优先级评价的层段优选原则,据此原则建立了基于指标优先级评价的层段优选方法。该方法的基本步骤是,先使各影响因素分属于几类具有优先级评价关系的指标,再利用模糊综合评判方法对各类指标按优先级次序进行评价,最后确定出符合评价标准的综合甜点层段。与碎软煤层穿层压裂数值模拟结果的对比表明,该方法选出的层段较其他层段更容易产生预期的造缝效果,因此可用于指导碎软煤层穿层压裂的工程实践。     

高突低渗煤层立体网状穿层压裂防突技术试验研究

为了解决单一低渗高突煤层瓦斯治理难题,运用弹性力学和断裂力学的理论,提出立体网状穿层压裂增透消突技术,建立计算目标煤层起裂压力的模型。集成配套了井下压裂成套设备,首次利用SF6 气体示踪剂确定立体网状穿层压裂范围。结果表明：技术实施后,缝隙网络发育、瓦斯抽采效果提高了1.69~1.83倍,煤层膨胀率达到0.581%,电磁辐射预测突出指标降低了35%~45%,增透消突效果显著。大范围、区域化实施立体网状穿层压裂技术,能够实现技术优越性。     

煤层分段水力压裂渗流诱导应力场的数值模拟

水力压裂是煤层增透和煤层气增产的关键技术。压裂过程中的渗流诱导应力对煤层分段压裂效果具有重要影响。建立分段压裂渗流诱导应力的理论模型,采用有限差分法进行煤层分段水力压裂数值模拟,探究压裂过程中应力场演化规律及渗流诱导应力的作用机制。设计正交试验,以水平主应力差作为指标进行方差分析,探究初始水平主应力差、泵注排量、分段间距对渗流诱导应力的影响程度和作用机制,并提出压裂优化方案。研究结果表明：注水初期会产生较大的渗流诱导应力,导致有效应力峰值下降,使后续起裂位置起裂压力增大,增加起裂难度;压裂过程中与压裂后的渗流诱导应力影响机制不同,压裂过程中泵注流量的影响滞后于分段间距滞后于原始水平主应力差,压裂后3个因素影响程度排序为：分段间距>泵注流量>原始水平主应力差。根据原始地应力差异,提出压裂优化措施：当原始主应力差较大时,可以适当降低分段间距,并增大泵注流量;当原始主应力差较小时,可以适当增大分段间距,并减小泵注流量,据此在保证无卸压盲区的同时可以达到较大的压裂范围。以上分析可以为压裂施工参数优化设计提供参考。     

煤层注水驱替瓦斯前缘的渗流规律研究

煤层注水驱替瓦斯前缘在数学上是一个气水交接的间断界面,渗流过程比较复杂。为了研究间断界面上水驱气前缘水相饱和度的变化规律,采用Comsol Multiphysics有限元多物理场耦合模拟软件对煤层注水驱替瓦斯渗流过程进行了数值模拟。根据模拟得出的气水两相相对渗透率的变化情况,引入一维块网格系统的三阶TVD格式和四阶TVD格式进行驱替前缘的计算。从而得出注水前沿的水相饱和度分布规律:两相驱替前缘水相饱和度在0.2~0.7之间下降很快,呈先下降,后保持平稳值的趋势。该方法具有很好的间断捕捉能力,对于间断的可压缩流体运动有较高的分辨率又不产生虚假数值震荡,为进一步研究分析注水提高煤层瓦斯运移的机理提供基础。     

煤层注浆压裂裂隙形成规律数值模拟

为了更深入了解矿井煤层在不同围压下注浆压裂的裂隙产生规律,通过RFPA-flow软件建立二维应力应变模型,模拟了煤层在不同的围压下注浆过程中裂隙萌生、扩展直至模型失稳的全过程。结果表明:煤层在注浆压裂过程中,围压的改变直接影响到煤体的初始破裂压力和失稳压力,且他们之间呈正相关关系;随着围压的增加,注浆孔周围的应力集中,裂隙产生变得更加困难,浆液的流动也随之变得困难,注浆效果不明显。     

基于水力压裂技术的煤层应力试验研究

为得到压裂阶段煤层应力与注水压力的规律,通过相似材料模拟试验,在试验室现场还原压裂过程,得到压裂过程中注水压力、煤层应力及煤层裂隙扩展的变化规律。试验结果表明:注水压力的增长和煤体破裂的速度均受地应力影响,地应力越大,注水压力的增长和煤体破裂的速度越慢;距注水孔75 mm为钻孔水力压裂试验的卸压范围,注水后,煤体应力往深部方向转移;裂隙以水力压裂孔为中心开始延伸,卸压范围的裂隙发育分为3个等级,40 mm以内裂隙最大,40～60 mm次之,65～80 mm裂隙最小;调整注水孔的压裂方案后,瓦斯浓度比常规压裂提高20%;钻孔抽采流量比常规压裂提高了40%。     

井下水力压裂处理煤层瓦斯试验

阳泉矿务局一矿北头咀井开采七尺煤层,是个超级瓦斯矿井,具有煤与瓦斯突出危险。多年来,在毛主席革命路线指引下,一矿广大工人、干部和技术人员,认真贯彻执行党的安全生产方针,在同矿井瓦斯作斗争方面取得了较大进展。邻近层的瓦     

煤层压裂裂缝监测技术的现场试验

本文介绍了在某地区8口井24个煤层压裂施工过程中,应用大地电位、微地震、测井温等三种方法,对煤层压裂裂缝进行监测的技术及监测结果,初步获取了煤层压裂裂缝的形态参数,对煤层气工程及研究工作者预测分析产气效果提供了重要依据。