煤体双重孔隙特征及钻孔瓦斯流动规律研究

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1、ChinaUniversityofMining&Technology,Beijing博士学位论文煤体双重孔隙特征及钻孔瓦斯流动规律研究学院：资源与安全工程学院学号：TBP120102051作者：郝永江学科专业：安全科学与工程导师：秦跃平教授2015年6月中图分类号：TD712.5密级：单位代码：11413博士学位论文中文题目：煤体双重孔隙特征及钻孔瓦斯流动规律研究英文题目：StudyonDualPorosityCharacteristicsofCoalandFlowingLawofGasinDrilling作者：郝永江学号：TBP120102051学科专业：安全科学与工程研究方向：矿山安全工程

2、导师：秦跃平职称：教授论文提交日期：2015年4月14日论文答辩日期：2015年6月6日学位授予日期：2015年6月24日中国矿业大学（北京）摘要煤炭在我国一次能源结构中占据着主要的地位，在煤炭开采当中，瓦斯既是一种引起灾变的因素，又是一种高效清洁的能源，因此，煤矿要施行“煤与瓦斯共采”。但是，目前我国对于这项技术还没有系统科学的理论依据，大部分还是以经验为主。针对以上情况，本文以钻孔中的瓦斯流动为研究对象，采用理论分析、实验研究、数值模拟、现场试验验证相结合的方法，系统研究破碎煤岩体中瓦斯的解吸特性及流动规律、钻孔周围煤体的结构特性以及钻孔内部的瓦斯运移规律等，希望该研究成果能为瓦斯抽采提供

3、一定的理论依据，并能对工程实践有一定的指导作用。煤的瓦斯吸附解吸实验可以为瓦斯抽采和瓦斯突出的预测提供关键技术参数，也可以为研究煤中瓦斯的吸附和放散机理提供依据。因此，本文设计了三组煤的瓦斯吸附解吸实验，分别为煤粒处于一个大气压下解吸的动态瓦斯吸附解吸实验、煤粒处于封闭空间内的变压解吸实验和煤样在不同受载情况下的解吸实验，得出了煤粒处于一个大气压下和封闭空间内放散时，瓦斯累积解吸量随时间的变化关系，而且同一粒径的煤样，瓦斯解吸量随着解吸时初始压力的增大而增加；通过分析，还得到了煤中瓦斯的解吸模型，模型中的一个参数为瓦斯的最大解吸量，研究表明其大小与初始压力有关而与粒度没有明显的变化关系，另一个

4、参数则是反映解吸速率的物理量，其值与初始压力和粒径有关；同时得出煤中瓦斯在不同受载条件下解吸时的瓦斯解吸模型与煤粒在一个大气压下解吸的模型相同，表明该模型可以应用于煤在大气压下的解吸，与煤的破碎程度和受载条件无关。煤粒瓦斯流动的基本规律一直是广大学者研究的重要问题，是建立双重孔隙结构钻孔瓦斯流动模型的关键基础。根据所做的实验，本文进行了四种条件下的数值模拟研究，分别以菲克定律和达西定律为基础，建立了球形煤粒在定压条件下的瓦斯放散模型，采用有限差分法进行离散，并运用VB编程解算，然后将两种模拟结果和实验结果进行对比，发现达西模拟结果与实验结果的拟合程度要远高于菲克定律，证明在煤粒的微小孔隙系统中

5、，瓦斯流动更符合达西渗流定律；利用同样的数值模拟方法，分别对球形煤粒的吸附及圆柱形煤粒的瓦斯放散过程进行模拟，得出煤粒中的瓦斯流动服从达西定律，与瓦斯流动形式和煤粒的形状无关；根据菲克和达西定律，分别建立了球形煤粒在封闭空间内的瓦斯放散模型，通过模拟得出，在ln[1-(Q2]~t图中，菲克模拟结果均为直线，而达西模拟和t/Q∞)实验结果均为曲线且较吻合，充分说明了瓦斯在煤粒中的流动符合达西定律而不是菲克定律。煤体是由包含孔隙的煤粒和裂隙组成的双重结构体，钻孔内的瓦斯流动过程I可以看作是瓦斯先从煤的孔隙表面解吸出来，然后经煤基质扩散渗流，最后再从裂隙中渗流流入钻孔内的一个连续过程。根据煤体这种双

6、重孔隙的结构特点，利用质量守恒定律等可以建立煤基质中的瓦斯流动方程和钻孔周围煤体裂隙中的瓦斯流动方程，两者联立可得到双重孔隙结构钻孔瓦斯流动数学模型。采用六点有限差分的方法对模型进行离散求解，并推导出函数一阶和二阶导数的六点差分表示形式。依次对煤基质瓦斯流动方程和钻孔裂隙瓦斯流动方程进行离散化，为了便于求解，将两个差分方程组分别用矩阵的形式表示出来，运用VB语言编程进行解算。在设计程序时，求解裂隙瓦斯流动方程需先求解煤基质瓦斯流动方程，得到其瓦斯源项，而求解煤基质瓦斯流动方程时又需先求解裂隙瓦斯流动方程得到其边界条件。为解决这一矛盾关系，可先给裂隙瓦斯流动方程设定一个瓦斯源值，根据求解步骤先求

7、解裂隙瓦斯流动方程，将求得的裂隙瓦斯压力值赋值给煤基质瓦斯流动方程作为压力边界，解算煤基质瓦斯流动方程，根据煤基质瓦斯流动方程解算结果求得新的瓦斯源项值，将此值与设定的瓦斯源项值进行比较，若两者之间的误差小于一个极小值，则认为这一时刻煤体瓦斯流动方程解算成功，对程序进行处理，最终得到了钻孔瓦斯流动分析软件。根据自行编制的钻孔瓦斯流动分析软件进行数值模拟实验，首先对钻孔模型进行了简化，并进行了参数设