针对我国煤层气赋存煤层的“高吸附、低渗透”特点造成常规开采产气量小、产气速度慢的工程现象,太原理工大学提出一种全新的强化煤层气开采的方法——注热蒸汽强化开采煤层气方法,该方法通过向煤层中注入蒸汽来加热煤层,促进吸附甲烷气体的解吸和改变煤层渗透特性,从而增加产气速度和产气量。在该方法中,对于蒸汽的运移和温度场的变化情况的研究非常重要。煤层温度场的变化主要是由于热传导和对流换热造成的,但考虑两者的分析较为复杂,对于工程现场的人员更尤如此。为此,本文通过实验计算得到等效热传导系数的变化规律,并建立了等效热传导煤体模型,对煤层气的产气速度和产气量进行了分析,得到以下几点结论:(1)预制裂隙面上的测点位置处的温度上升过程具有明显的阶段性。按照温度值可分为室温-沸点的升温阶段(第一阶段)、沸点温度的相变阶段(第二阶段)以及高于沸点温度的升温阶段(第三阶段)。在第一阶段,蒸汽注入煤体后降温相变为液态水。在第二阶段,液态水在温度保持沸点的情况下吸热相变为蒸汽。第三阶段,预制裂隙面上温度均大于沸点,此时裂隙面中的蒸汽温度不断升高,最终接近于注入进口端蒸汽温度。(2)贫煤和无烟煤的非预制裂隙面上的测点位置处的温度上升规律不同。对于贫煤来说,预制裂缝面和非预制裂缝面处的测点温度虽同样具有明显的阶段性,且其阶段性与裂隙面上温度变化的阶段性相似,但由于贫煤煤体内部各点处的原始孔隙、裂隙分布和连通情况具有不均匀性,使得蒸汽进入两个测点所经历的时间和到达测点时的温度均不相同,导致贫煤测点在升温过程中热传导和对流换热的作用占比不同,这是贫煤同层测点温度在变化规律不具有相似性的原因。而无烟煤非预制裂隙面煤体的温度上升是主要靠热传导作用,故升温过程中不存在阶段性。(3)等效传热系数是描述热传导和对流换热综合作用的热物理参数,通过等效热传导来表示热传导和对流换热的综合作用结果。利用等效热传导系数描述蒸汽热量向煤体传导的强弱作用,在室温-190℃的温度范围内,无烟煤平行层理方向的等效热传导系数为(0.31-0.00012*T)W/(m*K),垂直层理方向的等效热传导系数为(0.27-0.00043*T)W/(m*K)。裂缝的发育情况也会影响等效热传导系数的大小,裂缝越发育,对流换热越强,等效热传导系数越大。(4)未注高温蒸汽之前的无烟煤平行于层理的方向的渗透率略大于垂直层理方向的渗透率,且注高温蒸汽后平行层理方向的渗透率增值大于垂直层理方向的渗透率增值。最终的温度越高,渗透率的增幅越大,且二者之间的拟合关系可以用指数函数来描述。(5)在稳态传热阶段无烟煤的渗透率依然会发生变化,且不同温度位置处以及距离预制裂缝面不同距离处的变化规律不同,温度越高处的煤体在非稳态传热阶段的渗透率变化占比很大,而温度越低的位置处煤体的渗透率在非稳态传热阶段的渗透率变化占比变小,甚至低于在稳态传热阶段的渗透率变化占比。(6)注热蒸汽开采煤层气较常规开采,年产气量大幅增加,同时间内注热蒸汽方法开采的煤层孔隙压力下降速度也大于常规开采的煤层孔隙压力。整个生产年限注热蒸汽方法开采的煤层气总产量提高了将近一倍,有显著的工程效果。由于水力压裂裂缝的存在,在裂缝处的等效热传导系数不同于无裂缝处的等效热传导系数,裂缝上下面的煤体温度率先升高,煤层的受热面积增大,煤层的整体升温较快。