吸附瓦斯煤岩受力变形过程渗透率演化规律研究

摘要

中国是煤炭资源的生产和消费大国，煤炭作为重要的基础能源在国民经济中占有重要的战略地位。近期的国家能源战略中，虽然对煤矿施行关闭和去产能的政策，但在相当长时期内，煤炭还将是中国的主导能源。在煤矿的开采中，煤与瓦斯突出事故是最严重、最危险的灾害之一，严重威胁着中国煤炭安全生产，然而煤矿事故中的“有害”气体-瓦斯气体又可作为一种可利用的清洁能源。20世纪80年代，美国成功开采煤层气后人们才将瓦斯从“有害”气体视作一种清洁资源，瓦斯将成为21世纪主要的能源之一，瓦斯抽采也将缓解中国新兴能源的紧缺问题。中国煤层气资源虽然丰富，但是抽采煤层气是一项重大的技术难题，因此从资源开采和灾害防治等方面综合考虑，研究气体在煤中的流动规律不仅有助于预防瓦斯事故的发生，对煤层气开采也具有积极的指导意义。
　　本文以型煤代替原煤，利用自主研发的含瓦斯煤岩三轴力学渗透特性测试仪，采用正交试验法进行渗透特性测试，对比分析了不同应力条件下型煤试件的渗流特性。主要实验结论如下:
　　(1)自主研发的含瓦斯煤岩三轴力学渗透特性测试仪包括四大系统，气体充填与采集系统、煤岩三轴力学渗透测试系统、液压加载系统、气体流量采集系统，四个系统相互合作共同完成含瓦斯煤岩渗透特性的测试。该仪器采用液压加载，液压加载具有操作简单、测试精准的优点;系统内部有环向位移测试装置，解决了现有环向位移测试装置的环向应变采集困难、采集数据不精确的问题，可以测试型煤压缩过程中的环向应变。
　　(2)煤层非均质性极强，单个原煤试样不具代表性，而原煤的性质又互不相同，研发了原煤相似材料代替原煤进行试验。相似材料的研发试验研究了颗粒级配和胶结剂浓度对型煤各物理力学性质的影响规律。试验结果表明:随着胶结剂浓度的增加型煤的单轴抗压强度、弹性模量、粘聚力等均增大且抗压强度可在0.5MPa-2MPa范围内调节;型煤具有和原煤相似的吸附性质;型煤的内摩擦角主要受颗粒级配的影响;相似材料的重复利用试验证明该相似材料可以重复利用，避免资源浪费。
　　(3)对不同强度、不同瓦斯压力和不同围压条件下的型煤进行了渗透特性的测定。测试结果发现:自主研发的相似材料和含瓦斯煤岩三轴力学渗透测试仪可以成功应用在煤岩渗透率研究领域;型煤初始渗透率在78.6mD-182.8mD之间;相同条件下，型煤试件的初始渗透率随着试件强度的增大而减小，随着围压的增大而减小;在一定压力范围内，由于Klinkenberg效应的作用，含瓦斯煤的渗透率随着瓦斯压力的增大而减小;试件在不同的三轴应力状态下的含瓦斯煤岩渗透率与应变的关系都呈经典的“V”字型趋势，且最终渗透率低于初始渗透率。

目录

声明

摘要

1．1 研究内容概述

1．2 含瓦斯煤岩渗透特性研究现状

1．3 渗透率测试仪器的研究现状

1．4 研究内容及技术路线

1．4．1 研究内容

1．4．2 技术路线

1．5 关键创新

第二章 含瓦斯煤岩三轴力学渗透测试仪的研发

2．1 含瓦斯煤岩气体渗透率测定方法

2．1．1 瞬态测定法

2．1．2 稳态测定法

2．2 研发思路与仪器原理

2．2．1 仪器研发思路

2．2．2 仪器研发原理

2．3 仪器构成与功能指标

2．3．1 装置整体构成

2．3．2 各系统组成及功能

2．4 仪器的主要技术指标

2．5 仪器的使用方法与步骤

2．6 小结

第三章 含瓦斯煤相似材料研发及不同强度型煤试件配制

3．1 含瓦斯煤相似材料研发

3．1．1 含瓦斯煤相似材料研发的必要性

3．1．2 含瓦斯煤相似材料原材的选择

3．1．3 含瓦斯煤相似材料型煤制作

3．2 型煤参数特性分析

3．2．1 吸附性分析

3．2．2 型煤弹性参数分析

3．2．3 型煤抗剪强度分析

3．2．4 容重和孔隙率分析

3．2．5 重复利用特性分析

3．3 不同强度型煤试件配制

3．4 小结

第四章 吸附瓦斯煤岩受力变形过程渗透率演化规律研究

4．1 概述与试验方案

4．1．1 概述

4．1．2 试验方案

4．2 试验结果与分析

4．2．1 试件强度对含瓦斯煤岩初始渗透率的影响

4．2．2 围压对含瓦斯煤岩初始渗透率的影响

4．2．3 瓦斯压力对含瓦斯煤岩初始渗透率的影响

4．3 吸附瓦斯煤岩受力变形过程的渗透率研究

4．4 小结

第五章 结论与展望

5．1 主要结论

5．2 展望与不足

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文、申请专利与参与的科研项目