受载煤体—瓦斯—水耦合渗流特性研究

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1、摘要摘要瓦斯的抽采与利用对于预防矿井瓦斯灾害，实现清洁能源的有效利用及环境保护具有十分重要的意义，煤层瓦斯渗流特性则是决定瓦斯抽采效果的关键因素。天然煤层一般是含水的，此外，煤矿井下采取水力化措施进行增透消突过程也会将外界水引入煤层。水对煤层瓦斯渗流特性影响较为显著，煤体、瓦斯和水之间存在着耦合作用关系，因此，研究受载煤体-瓦斯-水耦合渗流特性，不仅有助于认识水对煤层瓦斯流动的影响规律，对含水煤层瓦斯抽采也具有重要的指导意义。本文通过开展一系列实验较为系统地分析了水对煤体的力学性质、瓦斯吸附以及

2、渗流过程的影响，建立了考虑瓦斯-水耦合作用的煤体相对渗透率模型和考虑瓦斯-水分耦合作用的煤体渗透率模型，并将两类渗透率模型分别应用到瓦斯-水两相渗流和瓦斯单相渗流耦合模型中，构建了受载煤体-瓦斯-水耦合气液两相渗流模型和瓦斯单相渗流模型。在此基础上，根据工作面实际情况，运用两类耦合模型模拟了高含水饱和度煤层和残余水状态煤层的瓦斯抽采过程以及含水煤层瓦斯抽采的全过程，分析了煤层瓦斯和水的流动规律以及影响因素，根据模拟结果对含水煤层瓦斯抽采提出了改进措施。最后，采用水力化措施煤层瓦斯抽采测定数据对所

3、提出的改进措施进行了现场验证。本文根据挥发分的高低将实验所取的四种煤样分为低阶烟煤、中阶烟煤、高阶烟煤和无烟煤。首先，对四种不同变质程度的煤样进行了微观结构特征分析。通过液氮吸附实验、压汞实验和傅里叶红外光谱实验分析得到了煤体微观孔隙结构和含氧官能团随着煤的变质作用的演化规律，为后续相关实验分析奠定基础。然后，从水分对瓦斯、煤体特性影响作用的角度，开展了水分对煤体吸附瓦斯特性影响和水分对煤体力学性质影响两方面的研究。在水分对煤体吸附瓦斯特性影响方面，首先测定了四种不同变质程度的煤样在相同温度、不

4、同湿度条件的吸附水量，分析了煤体吸水能力与煤阶关系。接着，测定了四种煤体在不同含水率的条件下的等温吸附线，分析了煤体瓦斯吸附特征随含水率的变化规律，水分对煤体瓦斯吸附的影响机理，对比了三种考虑水分影响的瓦斯吸附量修正方程对实验数据的拟合情况。最后，分析了微观孔隙结构和含氧官能团参数对煤体吸附水、瓦斯的影响，探讨了水分对不同变质程度煤体瓦斯吸附影响差异的原因。在水分对煤体力学性质影响方面，本文开展了不同含水率的原煤煤样和型煤煤样的单轴压缩力学实验，研究发现，随着含水率增大，原煤煤样和型煤煤样的应力

5、-应变曲线均表现压密阶段区间增大，弹性阶段区间缩小，屈服阶段更加明显的规律。含水率的增加导致煤体的峰后应力-应变曲线跌落速度变缓，出现多级跌I中国矿业大学（北京）博士学位论文落平台。两种煤样的抗压强度与含水率均满足负线性函数，峰值应变与含水率均满足正线性函数，弹性模量和含水率均满足负指数函数，泊松比与含水率均满足正线性函数。随着含水率的增大，加载破坏后，原煤煤样破坏形式依次为：剪切破坏、拉伸－剪切组合破坏；型煤煤样破坏形式依次为：剪切破坏、拉伸破坏、拉伸-剪切组合破坏。水分对煤体产生的损伤作用有

6、两部分：结合水导致的初始损伤作用和自由水引起的加载叠加损伤作用，两种损伤的共同作用加剧了受载煤体的破坏。在实验的基础上，本文推导了不同含水率的分段形式的煤体损伤统计本构模型，模型克服了应力-应变拟合曲线与试验曲线在峰前部分偏离较大的问题，相比前人的模型更适用于分析不同含水率条件下煤体单轴压缩力学问题。接着，本文根据含水煤层抽采过程瓦斯和水流动特点，将煤体瓦斯渗流分为两个阶段，受吸附水影响瓦斯单相渗流阶段和受自由水影响的瓦斯-水两相渗流阶段，并分别开展了试验和理论方面的研究。为了研究煤体吸附水含量

7、（含水率）与瓦斯渗透率之间的关系，本文进行了不同含水率、有效应力和瓦斯压力组合条件下的原煤煤样和型煤煤样瓦斯渗流实验。研究显示，不同含水率的原煤煤样和型煤煤样的渗透率均随着有效应力的增大而减小，呈负指数关系。在低有效应力区间，渗透率随有效应力增大快速下降，在高有效应力区间，渗透率随有效应力的增大缓慢下降。恒定轴压和围压条件下，不同含水率的原煤煤样和型煤煤样的渗透率随着瓦斯压力的增大呈现先减小后增大的规律，渗透率与瓦斯压力之间符合二次多项式关系。不同含水率的原煤煤样和型煤煤样均出现明显的Klink

8、enberg效应。在相同有效应力和瓦斯压力条件下，原煤煤样和型煤煤样的渗透率均随含水率的增大而减小，原煤煤样的渗透率与含水率呈现指数关系，型煤煤样的渗透率与含水率呈现线性函数关系。笔者在改进的火柴棍模型的基础上，考虑水分占据裂隙体积、水分对煤体吸附瓦斯的影响、水分对煤体力学性质的影响以及煤体吸水膨胀的影响，推导了适用于任意边界的考虑瓦斯-水分耦合作用的渗透率模型，并针对不同边界条件对模型进行了简化。采用简化后的模型对不同含水率的红岭原煤煤样和型煤煤样的渗流实验数据进行了验证，结果显示理论计算值与