随着能源结构转型与煤矿安全生产需求的提升,煤层气作为清洁高效能源的开发利用备受关注。本文针对复合煤层瓦斯抽采难题,通过理论分析、数值模拟与实验验证相结合的方法,系统研究了构造煤多尺度传质特征及其对瓦斯抽采的影响机制。构建了考虑有效应力、多层吸附及表面扩散的构造煤纳米孔隙渗透率模型,并通过实验验证了模型的可靠性;建立了含粗糙度、吸附层及孔隙截面形状影响的原生煤无机纳米孔气体输运模型,揭示了不同因素对渗透率的影响规律;构建了双孔单渗与多尺度传质的多物理场耦合模型,分析了原生煤与构造煤在不同应力条件下的传质特性;通过COMSOL模拟研究了复合煤层瓦斯压力分布、抽采含量及主控因素转换机制,提出了优化抽采工艺的技术方案。研究结果表明,构造煤多尺度传质模型能精准刻画瓦斯运移过程,复合煤层中构造煤的高渗流与原生煤的高吸附协同作用显著提升抽采效率,敏感性分析为参数优化提供了理论依据。本文主要获得以下结论: (1)本研究构建了适用于构造煤的多尺度传质渗透率模型,创新性地整合了有效应力、多层吸附效应、表面扩散及动态孔径变化等关键因素。模型通过克努森数划分瓦斯流动状态,结合滑移修正函数,实现了从纳米级微孔到毫米级裂隙的跨尺度瓦斯运移描述。实验验证表明,该模型在等有效应力、等瓦斯压力及等外力边界条件下均与实测数据高度吻合,较传统双孔模型预测精度得到提升。敏感性分析揭示,克努森数与渗透率呈负相关,有效应力的增加伴随着渗透率下降,吸附层厚度的增加导致渗透率的降低。该模型为精准预测构造煤瓦斯运移规律提供了理论支撑,为抽采参数优化奠定了基础。 (2)针对原生煤纳米孔气体输运问题,建立了考虑粗糙度、孔隙截面形状及吸附层影响的多物理场耦合模型。研究发现,粗糙度增加到的可使渗透率降低,矩形截面纳米孔渗透率与圆形比相对较低。基于此,提出“水力压裂+二氧化碳驱替”联合增透技术,通过水力压裂形成宏观裂隙网络,二氧化碳注入降低孔隙表面粗糙度并置换吸附态瓦斯。模拟结果表明,该技术可使原生煤渗透率提升数倍,瓦斯抽采率得到极大提高。研究成果为深部低渗煤层瓦斯高效抽采提供了新方法,突破了传统增透技术的局限性。 (3)构建了双孔单渗与多尺度传质的气固耦合模型,明确了不同地质条件下煤体模型选择准则:原生煤在地质稳定区采用双孔单渗模型,构造煤在弱应力区优化双孔模型参数,强应力区采用多尺度传质模型。数值模拟显示,多尺度模型较双孔模型更能反映构造煤多级孔隙间的动态连通性,其预测的瓦斯压力分布与实测数据误差极小。研究揭示,构造煤基质收缩应变导致孔隙度显著增加,同时显著提升瓦斯解吸扩散效率。该模型为复杂煤层瓦斯运移模拟提供了普适性工具,为瓦斯灾害防治提供了理论依据。 (4)通过COMSOL模拟揭示了复合煤层中构造煤与原生煤的协同抽采机制:原生煤高渗流区形成的压力梯度驱动构造煤基质瓦斯解吸,其抽采量占比随时间得到显著提升。研究发现,复合煤层抽采中出现构造煤抽采困难,合理采取措施提高构造煤抽采效率,基于敏感性分析,提出优化方案:构造煤区采用大间距钻孔与低负压抽采,原生煤区辅以水力压裂,可使整体抽采效率提升。该成果为复合煤层瓦斯抽采工程提供了系统性解决方案,显著提升了资源利用率与安全生产水平。