外水侵入对受载煤体瓦斯渗流的影响规律研究

This project aims at investigating the influence of water intrusion on gas permeability in stressed coal, and will adopt a combined method including experimental study, theoretical analysis, numerical modeling and in situ test. Coal samples with different ranks and deformed degrees will be used in experimental study, the pore distribution and mechanical parameters of the coal samples will be tested. Through varying stress, gas pressure and water pressure, the increment of water content and the change of gas permeability in coal will be investigated during and after water intrusion respectively. Based on the experimental results, by using the theories of rock mechanics and fluid mechanics, a coupling model, which considers the pressure of incursive water and time effect, will be developed, it will link water content, stress, gas pressure and gas permeability in coal together; subsequently, the developed model will be verified by numerical modeling and in situ test. The expected results of this project can demonstrate the influence of water intrusion on gas permeability in stressed coal, thus it is beneficial for optimizing and evaluating the water-based enhanced gas drainage, and has significant theoretical and practical values for gas drainage and controlling work.

采用实验室实验、理论研究、数值模拟与现场测试相结合的方法，选取不同变质程度、不同破坏类型煤样，实验模拟不同瓦斯压力和受载状态下外界压力水侵入煤体过程，研究在不同的外水侵入条件下，煤体含水率增量和瓦斯渗透率的变化规律；进而研究外水侵入结束后，煤体含水率随瓦斯渗流涌出过程的变化规律，以及瓦斯渗透率随煤体含水率变化的耦合规律；在此基础上，运用岩石力学与渗流力学等相关理论，分析外水侵入对受载含瓦斯煤渗透率影响的机理，结合煤体力学与孔隙结构参数，建立考虑侵入水压和时间效应的煤体含水率-应力-瓦斯压力-渗透率动态耦合模型，最后通过数值模拟和实验结果进行验证和完善。预期研究成果可深入揭示外水侵入对煤层瓦斯渗流的影响规律，从而为采取合理的水力化强化瓦斯抽采与瓦斯治理技术及其工艺参数优化和效果评估提供理论依据，对于提高水力化措施强化瓦斯抽采率以及瓦斯治理效果具有重要的理论和实际意义。

本项目综合采用实验室实验、理论分析、数值模拟与现场试验考察验证相结合的方法，研究了外水侵入对受载煤体瓦斯渗流的影响规律。首先，测试分析了不同变质程度煤的微观孔隙结构特征、吸水能力以及水分对煤吸附瓦斯特性的影响规律；通过不同含水率原煤煤样和型煤煤样的单轴压缩力学实验，分析了水分对煤体力学性质的影响规律，在实验结果的基础上，建立了考虑含水率的分段式煤体损伤统计本构模型。开展了不同含水率、有效应力和瓦斯压力组合条件下的原煤煤样和型煤煤样瓦斯渗流实验，得到了煤体瓦斯渗透率随含水率的变化规律，推导了适用于任意边界条件的考虑瓦斯-水分耦合作用的煤体瓦斯渗透率模型；在此基础上，考虑煤中水分蒸发且随瓦斯运移损失过程，建立了受载煤体-瓦斯-水分耦合的瓦斯单相渗流模型。利用气水两相三轴压缩渗流实验系统，实验得到了不同应力条件下煤的相对渗透率、相同应力条件下不同变质程度煤的相对渗透率及其变化规律，推导了考虑瓦斯-水耦合作用的煤体相对渗透率模型，并在此基础上建立了受载煤体-瓦斯-水耦合的气液两相渗流模型。利用所建立的受载煤体-瓦斯-水耦合的气液两相渗流模型和受载煤体-瓦斯-水分耦合的瓦斯单相渗流模型，分别对高含水饱和度煤层、残余水状态煤层瓦斯抽采过程及含水煤层瓦斯抽采全过程进行了数值模拟分析，得到了含水煤层瓦斯抽采过程中水和瓦斯的流动规律、影响因素及抽采钻孔产水/产气规律。最后，结合红岭煤矿本煤层水力扩孔强化预抽瓦斯工程实践，进行了现场试验考察验证分析，提出了改善含水煤层渗透性、提高其瓦斯抽采效果的措施。本项目研究揭示了外水侵入对煤层瓦斯渗流的影响规律，可为采取合理的水力化强化抽采瓦斯技术及其工艺参数优化和效果评估提供理论依据，对于提高水力化措施强化抽采瓦斯效果具有重要的理论和实际意义。