低阶煤层瓦斯解吸渗流及其对瓦斯抽采的控制机制

摘要

煤炭是我国的主要能源，在一次能源生产和消费结构中的比重分别占76%和64%，《国家能源发展战略2030～2050》报告指出，2050年我国煤炭消费将依然在25~30亿吨。然而在我国煤炭资源中，低变质程度（低阶）煤占比约46%。因此，低阶煤的开发对于我国的能源供应具有重要意义。 瓦斯是煤的伴生物，是成煤过程中形成并赋存于煤储层的气体。我国煤层瓦斯资源丰富，低阶煤瓦斯资源量占瓦斯资源总量的43%，且主要分布于我国西部地区的早侏罗纪含煤盆地。瓦斯是煤矿安全的主要灾害源和强温室气体，更是一种清洁能源。然而我国低阶煤层瓦斯资源的开发尚处于初步阶段，相关的科学问题亟待深入研究。 本文以我国西部彬长矿区侏罗纪低阶煤层的结构特征与瓦斯赋存特性为基础，针对低阶煤层瓦斯抽采的难题，采用试验研究、理论分析、数值计算与工程实践相结合的方式，研究阐明了侏罗纪低阶煤的微观结构特征及其对储层瓦斯解吸渗流与抽采的控制机制，提出了基于低阶煤瓦斯解吸规律的“井上下立体耦合式”的瓦斯抽采新模式。其主要成果如下： 首先，采用氮吸附、核磁共振及红外光谱分析方法，获得了侏罗纪低阶煤的微观结构及其孔隙连通性特征。低阶煤的大孔与微裂隙的连通性较好，有利于瓦的运移，但是受“半封闭孔”的孔径效应限制，低阶煤对瓦斯的解吸表现为“阶段性”的控制机制，即开式狭缝孔中的中高压瓦斯释放迅速，但半封闭墨水瓶孔内低压瓦斯的解吸流动困难。同时，由于低阶煤表面的化学官能团以羟基和羧基为主，使得低阶煤表现出对瓦斯相对较弱的亲合力。 其次，受低阶煤层理结构的影响，侏罗纪低阶煤的力学性质和瓦斯渗流表现出明显的各向异性特征，研究发现层理结构是导致煤体内部抗压、抗拉强度大于其层间作用强度的关键，同时煤体内水分的存在是导致煤体抗压抗拉强度弱化乃至诱发破坏的诱因，且微孔水分的存在显著制约了煤样微孔瓦斯的解吸与渗流。 第三，以低阶煤的孔隙结构特征及其对瓦斯解吸扩散的动力学特性为基础，结合煤体的力学特征，构建了低阶煤岩体变形、瓦斯扩散与渗流相耦合的多物理场理论模型，获得了低阶煤储层瓦斯预抽钻孔的有效控制范围及其随抽采时间、钻孔空间位置及采动影响的动态演化规律。 最后，基于彬长低阶煤的结构特征及其与瓦斯的相间耦合作用机理，提出了“井上下立体耦合式”的瓦斯抽采新模式，通过多井型地面井抽采与井下网络化钻孔相耦合，在空间上体现为井上下联合，在时间上体现为分布式递进，在井下预抽钻孔布置上实现了其与地面井裂隙带的有效贯通及立体网络化瓦斯渗流优势通道的构建，提出了适用于彬长矿区的地面井瓦斯产能预测理论模型，获得了地面井瓦斯抽采与井下瓦斯预抽的优化控制方法。 该研究成果有助于深入掌握彬长矿区低阶煤储层瓦斯解吸渗流的变化规律及其对瓦斯抽采的控制机制，为低阶煤储层瓦斯高效抽采方法的构建与工程应用提供了理论支撑和科学指导。

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