论文部分内容阅读
瓦斯抽采是防治矿井瓦斯灾害的主要措施,煤层渗透率的高低直接决定瓦斯抽采效果优劣。由于我国煤层透气性普遍较差,同时随着煤矿开采深度的逐步加大,开采条件更加复杂,煤储层具有高地应力、高瓦斯、高非均质性、低透气性等特征,且一些储层的孔隙裂隙中被大量的矿物质所堵塞,导致单个瓦斯抽采钻孔的抽采范围小,预抽钻孔工程量大,抽采效率低,常规的瓦斯抽采方法难以发挥作用,增加煤层渗透率已经成为提高煤层瓦斯抽采效率的关键。论文提出了煤层酸化压裂的物-化复合增透新方法,综合运用理论分析、实验测试、数值模拟、工业性试验等方法对煤层酸化压裂增透的机理和增透效果进行了研究。通过扫描电镜测试、压汞测试、XRD、μCT扫描等实验对煤体孔隙结构特征、矿物质成分与含量、矿物质分布特征等进行了测试;煤的孔径和孔体积呈区域性分布,煤的微小孔最发育;方解石、白云石等次生矿物质主要填充在煤体裂隙和较大孔隙内。应用弹性力学、损伤力学、化学动力学等理论揭示了煤层酸化压裂复合增透机理;压裂作用主要使煤层产生裂缝,酸化作用主要对煤层中的矿物质及堵塞物进行溶解、溶蚀,二者相互促进,煤体孔隙裂隙网络连通程度得到进一步提高。基于核磁共振实验,阐明了酸化过程产生的CO2对煤层中CH4的驱替效应。结合煤层酸化压裂的适用条件和酸液体系的要求,研制了CAFAS酸液体系;对比测试了煤样酸化前后的表面特征、煤体结构、矿物成分、渗透率等变化规律;利用自行研制的煤岩压裂-渗流实验系统模拟了水力压裂过程,测定了煤样水力压裂前后、酸化压裂前后的渗透率,酸化压裂后的煤样增透效果最优,渗透率最大增大28.275倍。在明确煤层酸化压裂复合增透机理的基础上,根据质量守恒和能量守恒定律构建了酸化压裂过程的THMC耦合模型,并利用COMSOL Mutiphysics的固体力学模块和PDE模块联合进行了数值模拟,分析了不同增透方案的增透过程和增透效果,酸化压裂增透效果明显优于水力压裂和酸化增透方案。煤层酸化压裂增透技术在晋煤集团寺河矿进行了现场试验,验证了该技术的适用性和可行性。论文建立了一套煤层酸化压裂增透的理论体系,验证了煤层酸化压裂增透效果,研究成果为增加煤层渗透率、提高瓦斯抽采率、保障煤矿安全开采提供了重要的科学依据。