煤的等效基质尺度对瓦斯渗流特性影响作用机制及应用研究

Degassing coal seams is an important method to reduce the gas content, to mitigate the gas explosion and the coal and gas outburst dangers and to reduce greenhouse gas emissions. The accurate measurement and calculation of the coal permeability are the key factors influence the gas extraction effect. Theoretical study and field practice have proved that the coal structure, in-situ stress and gas pressure are the main control factors of the coal permeability. Based on the theoretical analysis, laboratory tests and field tests, the equivalent matrix scale and dual-porosity characteristics will be researched and the quantitative description method of the equivalent matrix scale will be built; Then, the influence of the equivalent matrix scale on coal permeability will be studied to build a novel permeability model which will take the equivalent matrix scale into account; Finally, the gas flow model based on the new permeability model will be built and applied to the calculation of gas flow field for establishing a new method for field test of coal seam permeability. The research results can be used to guide the engineering design and optimize the technology parameters of the gas extraction.

瓦斯抽采是降低煤层瓦斯含量、消除瓦斯爆炸与突出灾害、减少温室气体排放的最主要技术手段；而控制瓦斯抽采效果的关键因素是对煤层渗透率分布特征的准确测定和计算。理论研究和现场实践证明，煤体的结构特性、地应力和瓦斯压力是控制其渗透率的主要因素。本项目采用理论分析、实验室试验和现场验证相结合的研究方法，研究煤的基质尺度特征及双孔特性，获得煤的等效基质尺度特征定量描述方法；研究煤的等效基质尺度特征对瓦斯渗透率的影响，构建基于煤的等效基质尺度特征的渗透率演化模型，获得基于该渗透率模型的煤层瓦斯流动方程，并将其应用于煤层瓦斯流场的解算，初步建立用于现场测试煤层渗透率的新方法。上述研究成果可用于指导瓦斯抽采工程设计，优化瓦斯抽采技术参数。

瓦斯抽采是降低煤层瓦斯含量、消除突出灾害、减少温室气体排放的最主要技术手段；而控制瓦斯抽采效果的关键因素是对煤层渗透率分布特征的准确测定和计算。如何认识煤吸附瓦斯的气固耦合作用，定量描述煤基质变形导致的煤总体积与裂隙体积的响应机制，直接影响含瓦斯煤的本构关系和渗透率演化机制，进而影响煤层瓦斯抽采与防治工作的开展。本项目以吸附科学、热力学、岩石力学和渗流力学等理论为指导，采用理论分析、实验室试验、数值模拟相结合的手段，通过对煤样的基础物性参数、孔隙结构的分析构建了定量化表征煤的等效基质尺度和等效裂隙开度的数学模型，并运用分形维数理论分析了煤体中孔裂隙的分界点。分别利用煤岩体力学-吸附变形-渗透试验系统和等温吸附系统研究了有效应力与吸附膨胀变形对于煤体结构的影响作用，获取了不同吸附特性气体、不同应力条件以及不同力学路径情况下煤体结构的演化规律。最后，构建了基于煤的等效基质尺度的双重孔隙煤体渗透率模型，且进一步提出了新的物理结构模型用以分析渗透率演化模型，运用COMSOL数值分析软件解算了不同地质条件、不同工程背景的矿井甲烷抽采情况，主要结论如下：. 1) 通过对试验煤样的孔隙结构特性分析并结合其几何特征，认为孔裂隙结构的分界点为100nm，并构建了煤的等效基质尺度和等效裂隙开度的数学模型，得出原煤样等效基质尺度要远大于构造煤样和型煤样。2）基于煤的双重孔隙结构等效特征及瓦斯在煤基质中运移特性的实验研究表明粒径越小，瓦斯初始解吸速度及极限瓦斯解吸量越大。3）煤的体积应变受到煤的双重孔隙结构等效特征的影响作用比较明显，瓦斯对煤的强度具有明显的削弱作用，且其削弱的程度受到煤的吸附瓦斯压力和煤的双重孔隙结构等效特征的双重影响。4）通过ECDP模型预测数据与现场实测煤的透气性系数转化而来的渗透率演化情况进行对比发现，二者具有相同的数量级且有很高的吻合度，说明本项目构建的渗透率模型在指导现场工程实践方面是合理的。