超临界CO2注入应力分区残留煤柱驱替CH4运移规律研究

In order to solve the problem of efficient CO2 injection displacement of CH4 and CO2 sequestration in the evolution process of coal pillar residual stress field subjected to supporting pressure and mining disturbances,Migration law of injecting supercritical CO2 into residual coal pillar stress partition to displace CH4 has been studied using experimental exploration and method of combining theoretical analysis and numerical simulation. Similar model experiment is adopted to reveal stress field evolution and distribution law of residual coal pillar broken, plastic and elastic. Taking stress field evolution and distributions in three areas of coal samples for stress condition, supercritical CO2 seepage, adsorption and CH4 displacement experiment of residual coal pillar has been conducted so as to reveal the influence rules of supercritical CO2 seepage, adsorption, CH4 output volume, CO2/CH4 replacement ratio, CH4 productivity and CO2 storage rate under considering stress, injection pressure and temperature. Then, one can establish the mechanical model of supercritical CO2 displacement of CH4 under th ermodynamic coupling condition. And the migration law of injecting supercritical CO2 into residual coal pillar stress partition to displace CH4 can be ultimately revealed by solving the model. Results can provide theoretical guidance and scientific basis for achieving CO2 permanent sequestration in residual coal pillar, CBM mining and gas induced engineering disaster reduction.

为解决支撑压力和开采扰动作用下残留煤柱应力场演化过程中注CO2高效驱替CH4和实现CO2地下封存这一问题，采用试验、理论分析和数值模拟相结合的研究方法，开展超临界CO2注入应力分区残留煤柱驱替CH4运移规律研究。利用相似模型实验，揭示残留煤柱破裂、塑性、弹性三区内的应力场演化和分布规律；以煤柱三区内应力场演化和分布规律为应力工况，开展残留煤柱中超临界CO2的渗流、吸附和驱替CH4试验研究，寻求超临界CO2渗流、吸附、CH4产出体积、CO2/CH4置换比、CH4产出率和CO2储存率随应力、注入压力和温度变化的影响规律；利用试验结果并结合相关理论，建立热力耦合条件下超临界CO2驱替CH4的力学模型；通过模型求解，最终揭示超临界CO2注入应力分区残留煤柱驱替CH4运移规律。研究成果将为实现残留煤柱中永久封存CO2、煤层气开采和降低瓦斯诱发工程灾害提供理论指导和科学依据。

以我国埋深浅于2000米的残留煤柱中的煤层气储量可达11万亿立方米，残留煤柱中的煤层气容易造成残煤自燃引发爆炸等工程灾害，如果作为资源回收具有改善残留煤柱复采生产条件和保证煤矿安全生产等重大工程意义。因此为解决支撑压力和开采扰动作用下残留煤柱应力场演化过程中注CO2高效驱替CH4和实现CO2地下封存这一问题，采用试验、理论分析和数值模拟相结合的研究方法，开展超临界CO2注入应力分区残留煤柱驱替CH4运移规律研究。利用相似模型实验，揭示了残留煤柱破裂、塑性、弹性三区内的应力场演化和分布规律，在整个采动过程中越靠近采空区一侧压力变化越大，煤层扰动应力值增长速率越快，而且变化梯度大，应力集中现象显著，且围岩应力的变化滞后于煤层采动。以煤柱三区内应力场演化和分布规律为应力工况，利用自主研制的真三轴条件下煤试件吸附解吸渗流系统，开展了残留煤柱中CO2/SC-CO2的渗流、吸附和驱替CH4试验研究，揭示了残留煤柱中CO2/SC-CO2随加载条件、注入压力和温度变化影响的的渗流规律和吸附规律，建立了CO2吸附量随温度和压力变化的Langmuir模型、SC-CO2吸附的修正D-R模型，得出相同体积应力和温度条件下，CO2的吸附量约为CH4的2-3倍；揭示了CH4的产出体积、CO2/CH4置换比、CH4产出率和CO2储存率随加载条件、超临界CO2的注入体积和温度的变化规律，建立了随体积应力、注入压力和温度变化的CO2/SC-CO2驱替CH4的力学模型。以阜新艾友矿残留煤柱为研究对象，利用建立的模型开展了数值模拟研究，超临界CO2可以有效驱替残留煤柱中的CH4，同时CH4驱替量与超临界CO2注入压力、煤柱赋存条件等因素有关，研究结果基本与试验研究得出的结论一致。因此，已开展的超临界CO2注入应力分区残留煤柱驱替CH4运移规律研究成果，可为实现残留煤柱中永久封存CO2、煤层气开采和降低瓦斯诱发工程灾害提供理论指导和科学依据。