煤层注空气过程中的压力场效应及其置换甲烷消突机理

项目着眼于煤层注空气置换甲烷消突这一新开发的瓦斯治理技术，定位于应用基础理论的研究，从更具安全生产指导意义的高度出发，围绕煤层注气置换甲烷促排、消突机理及残存压力场效应等1-2个关键关键技术问题，采用实验室物理相似模拟、理论分析、现场试验验证等相结合的方法，深入研究煤层注气过程中置换和驱替作用的定量贡献及主导因素，剖析煤层注气条件下的置换、驱替的作用机制和相互关系，揭示煤层注气过程中及泄压后的压力场分布，阐明煤层注气的动力学特征及应用条件，揭示以空气替代CO2、N2的注气机理，为低透气煤层强化预抽防突提供科学依据，为提出可规模化推广应用的煤层注空气置换甲烷消突新技术奠定理论基础。

井下煤层注气置换甲烷技术是在地面向煤层注CO2提高煤层气采收率(CO2-ECBM)的实验基础上发展起来的新技术，是通过煤层注气达到强化抽采的目的，以缩短瓦斯抽采达标的期限。目前国内外针对煤层注气开展了大量的实验室研究，同时也在煤矿井下开展了较小规模的工业性试验研究，取得了大量的研究成果。但是有关煤层注气置换甲烷机理、注气过程中的置换效率、压力场效应及高压残存等关键科学问题尚未解决，本项目正是在这一背景下获得资助并展开研究的。. 本项目主要进行了以下内容的研究：1）煤对N2 混合气体（Air）吸附特性，2）N2-O2混合气体（Air）置换煤中CH4的吸附解吸特性，3）强吸附性气体CO2、弱吸附性气体N2和非吸附性气体He在煤层注气过程中的置换效应的差异性，4）煤层注气过程中压力场分布及其泄压后残存压力恢复规律研究等。. 本项目取得了以下主要成果：1）提出了煤层注气置换甲烷的促抽、消突综合作用机理；2）确定了注气置换煤层瓦斯的合理气源；3）揭示了置换解吸和竞争吸附之间的差异性，提出定容注气实验中置换解吸和竞争吸附是等效的，与气体注入煤体的先后顺序无关，仅与两种气体始末两个状态有关；4）揭示弱吸附性气体置换煤中甲烷的作用机制；5）实验确定了采用He、N2和CO2不同气源进行煤层注气过程中置换和驱替的时效差异性；6）得出了试验条件下煤层注气和卸压过程中压力场效应。7）现场考察了煤层注气影响半径及注气置换效果沿孔长的变化规律；8）基于防治煤与瓦斯突出技术，提出了煤层高压注气和低压注气的概念。. 本项目的研究，为煤层注气工程应用时的合理气源、注气压力、注气时间及注气工艺等提供了科学依据。