含水頂板條件下下向穿層鉆孔抽采瓦斯運(yùn)移規(guī)律研究

發(fā)布時(shí)間：2020-11-18 21:37

　　針對(duì)無保護(hù)層開采條件的近距離突出煤層群區(qū)域防突問題,通常采用底板巖巷上向穿層鉆孔預(yù)抽最底層煤層瓦斯,并以該煤層作為下保護(hù)層,開采上部煤層。但是,突出煤層群的下部煤層瓦斯壓力更高,其突出危險(xiǎn)性往往高于上部煤層,鉆孔施工困難,成孔率較低,因此也可采用頂板巖巷下向穿層鉆孔預(yù)抽最上層煤層瓦斯,并將其作為上保護(hù)層,保護(hù)下部煤層開采。然而,由于我國礦井水文地質(zhì)條件復(fù)雜,多數(shù)煤層頂板存在含水層,下向穿層鉆孔抽采煤層瓦斯過程中,頂板水通過鉆孔侵入煤層孔隙,并在鉆孔周圍形成局部水飽和區(qū)域。與正常煤層中的滲流不同,在水侵煤層中,由于水飽和煤體區(qū)域及鉆孔積水的封堵作用,煤層中的瓦斯將在孔隙壓力的作用下會(huì)溶解到孔隙水中,進(jìn)而在濃度梯度影響下以擴(kuò)散方式在飽和水煤體區(qū)域及鉆孔水中運(yùn)移,最終,在抽采負(fù)壓下從鉆孔水中解析后進(jìn)入抽采系統(tǒng)。瓦斯在水飽和煤層區(qū)域中的運(yùn)移過程與一般的煤層瓦斯運(yùn)移存在明顯差異,研究該運(yùn)移過程及其影響因素對(duì)認(rèn)識(shí)水侵煤層瓦斯運(yùn)移特性、指導(dǎo)水侵煤層瓦斯抽采等具有重要意義。本文通過理論分析,實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值模擬的方法深入探討了瓦斯在水及飽和水煤體中的擴(kuò)散運(yùn)移特性,建立了水侵煤體瓦斯運(yùn)移數(shù)學(xué)模型。最終,以青東煤礦726工作面為現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)對(duì)象,驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性,研究成果可對(duì)水侵煤體瓦斯抽采提供一定的理論指導(dǎo)。具體內(nèi)容如下:首先,實(shí)驗(yàn)研究了瓦斯在水溶液中的溶解規(guī)律,分析了平衡壓力、溫度、鹽離子(Ca~(2+),Na~+)對(duì)瓦斯溶解度的影響。研究表明,在低溫條件下,溫度對(duì)瓦斯的溶解度影響效果較弱,實(shí)驗(yàn)溫度區(qū)間內(nèi)(25~40℃),瓦斯溶解度隨溫度的升高而小幅度降低。瓦斯在水中的溶解度受實(shí)驗(yàn)平衡壓力的影響較為顯著,隨著平衡壓力的升高而增大,在實(shí)驗(yàn)壓力范圍內(nèi)成線性關(guān)系,此規(guī)律在溫度較低時(shí)更加明顯。基于壓力衰減法開展了不同實(shí)驗(yàn)條件下瓦斯在水中的擴(kuò)散規(guī)律研究,分析了初始?jí)毫�、�?shí)驗(yàn)溫度對(duì)瓦斯擴(kuò)散系數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,瓦斯在水中的擴(kuò)散系數(shù)受初始?jí)毫Φ挠绊戄^大,隨初始?jí)毫Φ纳叨饾u增加,但增加的幅度逐漸變小,符合指數(shù)衰減關(guān)系。瓦斯在水中的擴(kuò)散系數(shù)與溫度有關(guān),隨著實(shí)驗(yàn)溫度的升高而逐漸增加,成線性關(guān)系。進(jìn)一步研究了瓦斯在水飽和煤樣中的擴(kuò)散規(guī)律,主要分析了煤樣迂曲度、實(shí)驗(yàn)溫度、壓力的影響。結(jié)果表明,相同實(shí)驗(yàn)條件下瓦斯在水飽和煤樣中的有效擴(kuò)散系數(shù)比其在水中擴(kuò)散系數(shù)要小許多。同時(shí),隨著水飽和煤樣的迂曲度的增大,瓦斯在孔隙水中的擴(kuò)散通道更曲折,其有效擴(kuò)散系數(shù)也逐漸減小。實(shí)驗(yàn)溫度及壓力對(duì)瓦斯在水飽和煤樣中的有效擴(kuò)散系數(shù)影響效果與前文基本一致。此外,通過擬合數(shù)據(jù)分析了實(shí)驗(yàn)溫度、初始?jí)毫?duì)瓦斯有效擴(kuò)散系數(shù)的影響權(quán)重,符合關(guān)系式:ln?=-109.490+15.547ln?+0.045ln?,說明兩者的影響權(quán)重存在差異明顯,溫度對(duì)瓦斯在水中的擴(kuò)散系數(shù)的影響力明顯大于壓力的影響力。構(gòu)建了瓦斯在水侵煤層中運(yùn)移模型,運(yùn)用COMSOL數(shù)值模擬軟件預(yù)測(cè)了瓦斯抽采量及瓦斯卸壓效果。通過對(duì)比青東礦瓦斯抽采數(shù)據(jù),驗(yàn)證了數(shù)值結(jié)果的合理性。研究了瓦斯擴(kuò)散系數(shù)、煤層滲透率和水飽和半徑對(duì)瓦斯抽采量及卸壓效果的影響,結(jié)果表明,殘余瓦斯壓力隨擴(kuò)散系數(shù)的增大而減小,隨水飽和區(qū)域半徑的增大而增大。煤層滲透率對(duì)瓦斯抽采效果的影響較為為復(fù)雜:高滲透率煤層整體抽采效果較好,而在低滲透率煤層中,僅鉆孔周圍煤體的抽采效果較好。
【學(xué)位單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TD712
【部分圖文】：

原理圖,恒壓法,擴(kuò)散系數(shù),原理圖

圖 1-3 恒壓法測(cè)擴(kuò)散系數(shù)原理圖 of constant pressure measuremen易操作、不需要直接觀察、不時(shí)所產(chǎn)生的壓力波動(dòng)會(huì)造成一方面是因?yàn)閴毫z測(cè)裝置系統(tǒng)壓力不能瞬間達(dá)到預(yù)定

實(shí)驗(yàn)方法