【摘 要】
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我国低阶煤煤层气储量丰富,具有重要的开发价值。原位煤储层中水与瓦斯气体共存,水会影响煤体内部孔隙结构,并因与瓦斯气体的共同吸附作用导致煤岩基质变形,进而影响到煤岩体瓦斯气体渗流特性。特别是低阶煤往往具有较高的内在水含量,因此掌握水分影响下低阶煤的瓦斯渗流特征对于矿井瓦斯灾害防治及瓦斯抽采都具有重要意义。为此,采用理论分析、实验室试验、数值模拟与现场工程相结合的方法,开展了煤吸附水、水分影响下的煤体
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我国低阶煤煤层气储量丰富,具有重要的开发价值。原位煤储层中水与瓦斯气体共存,水会影响煤体内部孔隙结构,并因与瓦斯气体的共同吸附作用导致煤岩基质变形,进而影响到煤岩体瓦斯气体渗流特性。特别是低阶煤往往具有较高的内在水含量,因此掌握水分影响下低阶煤的瓦斯渗流特征对于矿井瓦斯灾害防治及瓦斯抽采都具有重要意义。为此,采用理论分析、实验室试验、数值模拟与现场工程相结合的方法,开展了煤吸附水、水分影响下的煤体吸附变形及渗透率演化研究,进而分析水分对煤体瓦斯运移规律的影响,主要得到以下结论:(1)试验煤样水蒸气吸附分析表明,水在煤基质的吸附是单层吸附、多层吸附到毛细凝聚的发展演化过程;水分能显著降低煤孔隙的比表面积和孔容,特别是煤中吸附水对微孔(<10nm)的影响最显著;当水分含量低于4.74%时,试验煤样的孔隙分形维数D1下降较为明显而D2趋于平稳;随着水分含量的增加D1下降趋近平缓而D2明显下降。(2)基于吸附热力学理论构建了煤体吸附气体变形模型。含水煤样氮气吸附试验结果表明水分会弱化煤岩吸附气体膨胀变形能力,主要原因在于水分的存在弱化煤岩对气体吸附作用,造成气体吸附量下降,并对微孔隙系统产生封堵效应,进而造成变形量的下降。(3)煤体瓦斯渗流试验结果表明,在相同有效应力变化情况下,含水煤样渗透率变化幅度更大;其次煤中水与瓦斯气体共同导致的基质吸附膨胀变形会造成裂隙渗流通道变窄;同时水分附着在孔裂隙表面造成渗流通道的闭合,导致含水煤样瓦斯气体渗流能力显著下降。(4)基于煤岩双孔结构特征,构建水分影响下煤岩双重渗透率模型及多物理场气体运移模型。COMSOL仿真结果表明,在初始瓦斯压力一定时,随着含水率的提高,基质吸湿膨胀变形量增大,渗流通道变窄,基质与裂隙间压力差以及煤体初始渗透率下降,显著影响煤体瓦斯气体流动运移能力;同时基质解吸收缩能力减弱,造成后期抽采点附近渗透率回升幅度降低,拐点延迟出现。在相同抽采时间下,随着水分含量的提高,瓦斯抽采流量及累计抽采量均呈现下降趋势。
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