外加氮氣在低滲煤層中流動的溫度效應(yīng)及瓦斯增產(chǎn)機理.pdf

1、瓦斯抽采是防治煤礦瓦斯災害的主要技術(shù)措施。然而，中國超過70％煤層滲透率小于1mD，隨著開采深度的逐漸增加，煤體滲透率將更低，故瓦斯抽采效果并不理想。基于此，本文以提高低滲煤層瓦斯抽采率為切入點，對外加氮氣在煤體中流動溫度效應(yīng)及瓦斯增產(chǎn)機理進行研究。主要成果如下：
　　試驗研究了不同煤階煤體破壞過程中能量演化機制：（1）循環(huán)應(yīng)力加載作用下，焦煤和無煙煤的最大偏應(yīng)力分別為41.3MPa和120.8MPa，其對應(yīng)的應(yīng)變分別為14.4×

2、10-3和10.8×10-3；（2）無煙煤的儲能極限是焦煤的2.69倍，無煙煤最大耗散能密度是焦煤的3.19倍；（3）無煙煤初次能量釋放為92.8%，而焦煤為39.5%；基于此，確定了焦煤和無煙煤的注氣試驗方案。
　　采用三軸伺服滲流裝置研究了外加氮氣在低滲焦煤中的流動特性：（1）煤體的三軸抗壓強度、殘余強度和彈性模量隨氮氣溫度和壓力升高而下降，但變化趨勢不同；（2）外加氮氣注入煤體過程中，滲透率隨時間先出現(xiàn)一定幅度減小，然后突然

3、增加到特大值后維持基本穩(wěn)定；氮氣溫度越高、氮氣壓力越大，煤體的最大滲透率比越大；（3）多循環(huán)氮氣注入有利于煤體的裂紋再次擴展，其增加滲透率效果強于單次氮氣注入。
　　采用單軸氣動致裂裝置研究了外加氮氣在低滲無煙煤中的流動特性：（1）連續(xù)常溫外加氮氣作用下，軸壓越大，煤體起裂壓力越大，起裂時間越短；（2）外加氮氣分級注入條件下，電阻率隨時間出現(xiàn)先減小再增大最后跳躍和先緩慢增大最后跳躍的兩種情況；煤體的起裂壓力隨氮氣溫度的升高呈近線性

4、減小；（3）煤體吸附氮氣能降低電阻率，煤體的電阻率隨溫度的升高呈下降趨勢，裂隙擴展能有效地切斷煤體的導電通道，提高煤體的電阻率；（4）外加氮氣在煤體流動過程中，電阻率先下降是由于煤體對氮氣的吸附作用和煤體升溫作用綜合引起電阻率降低的效果大于氮氣對煤體裂隙擴展引起電阻率升高的效果，煤體電阻率緩慢上升則恰恰相反；電阻率的跳躍，是煤體破裂阻礙導電通道的結(jié)果。
　　建立了外加氮氣在煤體流動過程中的熱-流-固耦合數(shù)學模型，以平頂山礦區(qū)井下穿

5、層鉆孔為例，研究了外加氮氣注入各因素對滲流溫度效應(yīng)的影響：氮氣溫度、注氣時間和鉆孔直徑對氮氣滲流的溫度效應(yīng)影響顯著，而氮氣壓力和煤體初始滲透率對氮氣滲流的溫度效應(yīng)影響甚微。
　　對標準煤樣（φ50mm×100mm）進行了外加氮氣驅(qū)替瓦斯效果的模擬計算：（1）氮氣溫度越高，甲烷的回收率增加越快，回收率越大，氮氣的溫度效應(yīng)顯著；（2）氮氣壓力越大，甲烷產(chǎn)氣量極值越大，回收率增加速度越快；（3）從煤體回采的安全性和瓦斯利用的經(jīng)濟性出發(fā)，