H-M耦合作用下低渗透煤层破断规律及瓦斯渗流机理研究

Based on the rich coalbed methane resources in coal mine in China, but low permeability of most coal mines and poor ventilation, it is very difficult to drill gas from ground or pre-extraction in underground. However, in the mining process, the influence region enlarge, gas pressure fully release, and mining fractures increases. These will help coalbed methane to desorb. Therefore, it is very important to carry out basic theoretical research on coal methane extraction in mining effects region.In the project, we will focus on low permeability coal-rock failure mechanism under HM coupled effects, output mechanism and migration law of pulverized coal under HM coupled effects, gas adsorption and desorption characteristics and seepage law under HM coupled effects. The seepage constitutive equation of low permeability coal and rock will be established. And a dynamically controlled fractured Gas Recovery system theory and technology will be proposed for low permeability coalbed methane wells. They are theoretical foundation and scientific guidance for mining both of coal and coal-bed methane. The research project has great significance for the full development and utilization of coal and coal-bed methane resources, and to reduce coal mine accidents and atmospheric pollution.

针对我国煤层具有丰富的煤层气资源，但大部分矿区煤层低渗透、透气性差，进行地面钻井直接抽采和预抽采煤层气效果不佳的实际，研究和利用煤炭开采过程中，采动影响范围大、压力释放充分、采动裂隙发育，有利于煤层气解吸等特点，因此进行采动影响区内煤层气开采的基础理论研究具有意义。本项目拟系统深入地研究H-M耦合作用低渗透含瓦斯煤岩体的破坏机理，研究H-M耦合作用低渗透煤层气井的粉煤产出机理及运移规律，以及H-M耦合作用低渗透煤岩体瓦斯吸附解吸特征及渗流规律，建立低渗透煤岩体的渗流本构方程；提出低渗透煤层气井动态裂隙控制型煤层气排采理论与技术体系，为实现我国煤与煤层气共采提供科学的理论基础与指导。本项目的研究对充分开发和利用煤与煤层气资源、减少煤矿安全事故与大气环境污染等都具有意义。

本项目针对我国大部分矿区煤层低渗透率、高地应力造成地面钻井直接抽采和预抽采煤层气效果不佳的实际问题，研究Hydro-Mechanical（H-M）耦合作用下低渗透煤层破断规律及瓦斯渗流机理。主要研究内容和重要结果包括：.(1)开展了低渗透含瓦斯煤岩体的破坏机理研究。进行了低渗透煤层的破坏力学试验研究和理论分析；完成了5组样品H-M耦合作用下低渗透煤层的宏细观破坏试验；借助工业CT开展单轴和三轴载荷条件下煤岩裂隙演化及破坏机理研究，并建立了应力-渗透率相关关系模型。.(2)开展了低渗透煤岩体瓦斯吸附解吸特征及渗流规律研究。研究了高应力大埋深低渗透煤层水平井增产机理，开展了煤储层渗透率-应力敏感性实验，揭示了应力-压力控制下煤层气井产气规律及其主控特征。.(3)开展了低渗透煤层气井的粉煤产出机理及运移规律研究。从煤岩自身性质与工程扰动耦合效应分析入手，揭示了压力控制下煤层气井煤粉产出的机理及其主控特征，为科学地预测煤粉产出规律提供依据，进而提出了煤层气水平井煤粉产出机理及煤粉管控措施；完善煤粉浓度传感器配套测试仪功能，开发小型化地面手持式煤粉浓度快速测试仪，为实时监测煤粉产出状况提供可靠的技术手段。.(4)研究了低渗透煤层气井动态裂隙控制型煤层气排采理论。开展了煤粉管控技术研究，以鄂尔多斯盆地东缘三交区块8 口煤层气井和典型井SJ23井的现场煤粉体积分数监测和排采数据为依据，分析了煤粉对煤层气井排采的影响，揭示了煤粉产出浓度及产出量的阶段变化特征，将产煤粉周期划分为四个阶段；基于山西里必区块、新疆阜康区块两个现场工程应用的60余口井，进行了水平井排采设备选型及排采效果分析，为实现煤层气高效开发提供了理论基础。.项目相关研究成果发表论文 13篇；申请专利3项。完成射流泵及煤粉浓度测试仪在山西里必区块、新疆阜康区块两个现场获得应用，并经山西日报等媒体报道；参加国际/国内学术会议6人次；培养研究生10名。出版专著1部“沁水盆地煤层气水平井增产机理及排采实践”。