不同温度、蠕变条件下的含瓦斯煤渗流规律研究

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作者王司建
来源河南理工大学
出版年2016
摘要
注热开采煤层气(瓦斯)是被行业内看好的一项增产煤层气(瓦斯)的技术。注热过程中,煤体长期受热将必然产生热蠕变效应,而这种热蠕变效应又必然对含瓦斯煤体的渗透性产生重要影响,为探明蠕变条件下温度对含瓦斯煤渗流的影响规律,本文进行了一系列的研究。通过采用三轴煤岩流变试验系统,开展了不同温度下的含瓦斯煤全应力-应变加载实验,并全程测定了煤体的渗透率,实验表明:应力增大的过程中,前期应变以轴向应变为主导,煤体逐渐被压缩,渗透率减小,后期以径向应变为主导,煤体向径向不断膨胀,体积逐渐增大,渗透率增大。同时,全应力-应变实验确定了蠕变-渗流实验的蠕变载荷。开展了不同温度、不同瓦斯压力下的含瓦斯煤蠕变-渗流实验以及氦气的对比实验,实验结果表明:恒定温度下,瓦斯压力越大,含瓦斯煤蠕变的形变量越大。瓦斯压力是煤体强度降低的主要原因,瓦斯吸附性会有影响但不是主导因素。恒定瓦斯压力下,不同温度的含瓦斯煤蠕变曲线之间,轴向应变差值不大,甚至出现交叉现象,而径向应变区别比较明显,呈现随温度升高,径向应变越大的趋势。温度对瓦斯吸附性的影响为:高瓦斯压力时,温度影响较弱,此时瓦斯压力对吸附作用占主导地位;低瓦斯压力时,温度影响显著,此时温度对吸附作用的影响占主导地位,温度越高影响越显著。相比较而言,瓦斯在低气压时,高温对轴向应变区分明显,而氦气则在高气压时,高温对轴向应变区分明显。蠕变后含瓦斯煤的渗透率减小,温度越高,蠕变后的渗透率越小,瓦斯压力越大,蠕变后的渗透率也越小。氦气的对比实验同样得出此结论,说明瓦斯的吸附作用不起主导作用,不改变渗透率的发展趋势。借鉴前人研究成果,建立了反映体应变的含瓦斯煤蠕变方程,可以用来描述含瓦斯煤的蠕变规律。根据Kozeny-Carman方程以及蠕变方程导出了蠕变条件下的渗透率计算模型,模型拟合效果较好,可以预测蠕变过程中渗透率的发展规律。从不同温度下的渗透率与体应变的关系得出,各个气体压力和温度下的煤体渗透率随体应变的增大而减小,同时,恒定气体压力下,温度越高,煤体的渗透率越小。

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