贵州某矿煤层瓦斯压力与钻孔初始瓦斯涌出特性研究

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贵州省煤层地质条件较复杂,煤矿瓦斯事故时有发生。煤层瓦斯压力的测定是判定煤层突出危险性的重要一环,然而在钻孔布置条件、封孔质量以及现场地质条件等因素限制下,煤层瓦斯压力难以测出或测得瓦斯压力与实际值相差较大,进而导致在煤矿瓦斯防治工作中容易形成误判。为此,本文以煤层瓦斯压力为切入点,以贵州某矿为研究对象,采用理论分析、数值模拟及试验研究等方法对煤层瓦斯压力与钻孔初始瓦斯涌出特性进行研究,探讨了通过钻孔初始瓦斯流量反算煤层瓦斯压力的可行性。本文的主要内容如下:(1)考虑钻孔深度前提下,对钻孔不同位置的受力情况进行分析,确定了钻孔周围塑性区范围大小。采用数值模拟方法,探讨了不同应力加载条件下钻孔周围损伤区范围以及渗透率变化情况。(2)对钻孔内瓦斯涌出来源进行分析,构建了钻孔孔壁和孔内煤屑瓦斯的渗流微分方程。基于Darcy定律,利用煤层瓦斯流动理论和煤屑瓦斯扩散规律对微分方程进行计算,推导出钻孔初始瓦斯涌出的流量方程。(3)采用COMSOL软件模拟不同瓦斯压力、埋深、含水率、渗透率下钻孔瓦斯涌出特征。结果表明瓦斯压力与钻孔初始瓦斯涌出特性密切相关。钻孔初始瓦斯涌出量随瓦斯压力增大显著增大,但增大的趋势逐渐变缓,这一现象与煤层瓦斯压力的衰减密切相关。(4)利用钻孔瓦斯涌出试验平台开展了不同吸附气体、不同瓦斯压力的煤层钻孔初始瓦斯流量试验。分析8次试验结果得出,不同压力梯度下钻孔初始瓦斯流量随瓦斯压力增大而增大,但流量增大幅度呈现逐步衰减的趋势,此过程与煤体吸附特性,以及煤体存在极限解吸的特性相一致;对比分析不同吸附气体(CO2或N2)下的钻孔初始瓦斯流量发现,随着钻进深度的增加,煤层瓦斯不断被释放的情况下,由于CO2较N2与煤体的吸附性更强,180s时间段后期钻孔瓦斯流量产生一定程度衰减的但仍然保持一定程度的瓦斯流量,相反N2条件下的初始流量在后期出现明显下降,这一过程与N2的吸附能力更弱,在煤层中的吸附量低相关。(5)研究结果表明钻孔瓦斯初始流量与前方煤体瓦斯压力呈正相关关系,钻孔初始瓦斯流量是可以作为有效判定煤层瓦斯压力大小及赋存条件重要指标之一。论文共有图33幅,表3个,参考文献94篇。
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