顺层钻孔瓦斯抽采影响因素的物理模拟试验研究

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瓦斯抽采不仅可以降低煤层瓦斯压力、煤层瓦斯含量、矿井瓦斯涌出量,进而防止瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出灾害,而且抽出的瓦斯(煤层气)可作为洁净能源加以利用。然而,在瓦斯抽采过程中,瓦斯运移规律极为复杂,气体流动、固体变形和温度变化相互耦合。本文利用重庆大学自主研发的多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统,分别进行了不同吸附性气体条件、不同气体压力条件和不同地应力条件下煤层多钻孔瓦斯抽采试验,分析了抽采过程中瓦斯压力、煤层温度、煤层变形和抽采流量的演化规律,探讨了各因素对瓦斯抽采效果的影响机制,取得的主要研究成果如下:1)在抽采过程中,瓦斯压力、煤体温度及变形在抽采初期均下降迅速,后期下降缓慢,且离钻孔越近的区域,瓦斯压力和温度下降越快;通过断面的流场图分析发现,气压的等压线形成以钻孔为中心的不规则圆形,在层面的流场图中四个钻孔的等压线则密集程度不同,且在抽采初期两个钻孔中间形成高压带,这是由于煤体的不均质性,导致不同区域的气压值不同。2)随着气体吸附性的增强,煤层达到同一气压的吸附量增加。在抽采过程中,同一气压测点气体压力下降速率随气体吸附性增强而降低,同一温度测点温度下降量则增加;煤体变形量与气体的吸附性和应力方向有关,对于煤层同一应力方向的变形量,抽采CO2气体的变形量最大,抽采N2气体的变形量最小,同一种吸附性气体在应力σ1方向的应变量最大;在抽采过程中,四个钻孔累积流量随着气体吸附性的增加而增大,同一吸附性气体的抽采流量Ⅰ号和Ⅳ号钻孔的累积流量大于Ⅱ号和Ⅲ号钻孔的累积流量。3)在不同初始气体压力条件下的抽采过程中,同一测点气压下降速率及温度变化量随着初始气体压力的增大而增大,且同一钻孔的瞬时流量的最大值和最终的累积流量也随之增大。4)在原始应力条件下的抽采过程中,随着地应力的增大,气压下降速率减缓,气体解吸能力下降,温度下降量减小,煤体变形量也随之减小,抽采时的瞬时流量最大值和累积流量也减小。在采动应力条件下,随着应力集中系数的增加,同一测点气压下降速率、温度变化量及同一区域煤层变形量均减小,抽采效率呈现先升高后下降的规律。
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