深部低渗透率煤层瓦斯抽采气固耦合机理研究.pdf

第4 5 卷第8 期 2 0 1 7年8月 煤 炭 科 学 技 术 Co a l S c i e nc e a n d Te c h n o l o g y Vo 1 ． 4 5 No ． 8 Au g． 2 01 7 深部低渗透率煤层瓦斯抽采气 固耦合机理研究 匡 铁 军 大同煤矿集团有限责任公 司 塔I U 煤矿 ， 山西 大 同0 3 7 0 0 0 摘要 为揭示瓦斯在深部煤层抽采时的渗流机理 ， 基 于深部煤层低渗透率、 高地应力、 高瓦斯压力特 征 ， 结合 瓦斯运移的 K l i n k e n b e r g效应 ， 建立 了考虑煤体基质 、 裂隙双重孔隙介质的瓦斯抽采气固耦合 模型 ， 并针对具体地质情况进行 了耦合模型的数值模拟研究。结果表 明 煤层瓦斯压力随抽采时间增 长呈下降趋势 ， 钻孔周围出现 瓦斯压降漏斗现象， 距钻孔越近瓦斯压力下降越明显。深部低渗透煤层 瓦斯抽采过程 中， 煤层体积变形、 瓦斯解吸共同影响煤层渗透率变化 ， 瓦斯抽采使煤层 瓦斯压力逐渐 降低 ， 煤体发生收缩变形导致渗透率增大， 同时煤层有效应力增大， 煤层 中裂隙、 基质受压 变形， 叉会 导致渗透率逐渐减 小。 关键词 深部开采 ； 低渗透率煤层 ； 瓦斯抽采； 瓦斯解吸； 气固耦合 中图分类号 T D 7 1 2 文献标志码 A 文章编号 0 2 5 3 - 2 3 3 6 2 0 1 7 0 8 0 1 7 0 - 0 7 S t u d y o n g a s s o l i d c o u p l i n g me c h a n i s m o f g a s d r a i n a g e f r o m d e e p a n d l o w p e r me a b i l i t y s e a m K u a n g T i e j u n T a s h a n Mi n e ， D a t o n g C o a l Mi ne G r o u p C o r p o r a t i o n L i mi t e d ， Da t o n g 0 3 7 0 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o r e v e a l a g a s p e r c o l a t i o n me c h a n i s m i n t h e g a s d r a i n a g e f r o m a d e e p s e a n l ，b a s e d o n t h e l o w p e r me a b i l i t y ，h i g h g r o un d s t r es s a nd hi g h g a s p r e s s u r e f e a t u r e s o f t h e de e p s e a m ，i n c o mb i n a t i o n wi t h Kl i nk e n b e r g e f f e c t o f t h e g a s mi g r a t i o n，a g a s s o l i d c o u p l i n g mo d e l o f t h e s e a m g a s d r a i n a g e wa s e s t a b l i s h e d i n c o n s i d e r a t i o n o f t h e c o a l ma t r i x a n d c r a c k d o u b l e p o r o u s me d i u m． An d a c c o r d i n g t o t h e c e r t a i n g e o l o g i c a l c o n d i t i o n，a s t u d y wa s c o n d u c t e d o n t h e n u me r i c a l s i mu l a t i o n o f t h e c o u p l i n g mo d e 1 ． T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e s e a m g a s p r e s s u r e wo u l d b e i n a d e c r e a s i n g t e n d e n c y w i t h t h e g a s d r a i n a g e t i me i n c r e a s e d，a h o p p e r p h e n o me n o n o f t h e g a s p r e s s u r e d r o p wa s o c c u rre d a r o u n d t h e b o r e h o l e a n d t h e g a s p r e s s u r e n l o r e c l o s e d t o t h e b o r e h o l e w o u l d b e d e c r e a s e d o b v i o u s l y ．Du r i n g t h e g a s d r a i n a g e p r o c e s s o f t h e d e e p a n d l o w p e r me a b i l i t y s e a m， t h e s e a m v o l u m e d e f o r m e d a n d t h e g a s d e s o r p t i o n w o u l d b e j o i n t l y a f f e c t e d t o t h e v a ri a t i o n o f t h e s e a m p e r me a b i l i t y a n d t h e g a s d r a i n a g e c o u l d ma k e t h e s e a m g a s p r e s s u r e s t e a d i l y r e d u c e d ． T h e s h ri n k a g e a n d d e f o rm a t i o n o c c ur r e d i n t h e s e am wo ul d c a us e t h e p e r me a bi l i t y i n c r e a s e d．Me a n wh i l e，t h e e f f e c t i v e s t r es s o f t h e s e a m i nc r e a s e d a n d t he pr e s s u r e d e f o r ma t i o n o f t h e c r a c k s a n d ma t rix i n t h e s e a m wo u l d c a u s e t h e p e r me a b i l i t y s t e a d i l y r e d u c e d ． Ke y wo r d s d e e p mi n i n g ；l o w p e r me a b i l i t y s e a m ；g a s d r a i n a g e ；g a s d e s o r p t i o n；g a s s o l i d c o u p l i n g 0 引 言 随着 国内地下煤矿开采逐渐进入深部状态 ， 井 工条件下煤炭开采地质条件 、 工作环境逐渐恶化 ， 伴 随有煤层内瓦斯压力、 含量不断增大， 煤与瓦斯突出 等地质灾害问题更加严重 。针对地下矿井深部 本煤层瓦斯抽采， 特别是首采工作面所处煤层 ， 渗透 率较浅部更低 、 瓦斯涌出量更大， 瓦斯治理面临更困 难的状况 。建立深部高地应力场 、 高瓦斯压力 、 极低渗透性煤层 瓦斯抽采气 固耦合模 型， 并在此基 础上分析吸附态瓦斯解吸、 渗流对 固体场作用影 响 更有理论与实际意义 。 收稿 日期 2 0 1 7 0 3 一 O 8 ； 责任编辑 王晓珍D OI 1 0 ． 1 3 1 9 9 ／ j ． c n k i ． c s t ． 2 0 1 7 ． 0 8 ． 0 2 9 基 金项 目 国家 自然科学基 金面上基金资助项 目 5 1 2 7 4 0 6 8 作者简介 匡铁军 1 9 7 8 一 ， 男， 四川合江人， 高级工程师， 现任大同煤矿集团有限责任公司塔山煤矿总工程师。E - m a il k u a n g t i e j u n 1 6 3 ． e o il l 引用格式 匡铁军． 深部低渗透率煤层瓦斯抽采气固耦合机理研究 [ J ] ．煤炭科学技术 ， 2 0 1 7 ， 4 5 8 1 7 0 1 7 6 ． K u a n g T i e j u n ． S t u d y o n g a s - s o l i d c o u p l i n g m e c h a n i s m o f g a s d r a i n a g e f r o m d e e p a n d l o w p e r m e a b i l i t y s e a m[ J ] ． C o a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， 2 0 1 7 ， 4 5 8 1 7 0 1 7 6 ． 1 7 0 匡铁军 深部低渗透率煤层瓦斯抽采气固耦合机理研究 2 0 1 7 年第 8 期 线性 D a r c y渗流理论是指导煤矿瓦斯抽采 的重 要理论支持 ， 周 世 宁等l_ 6 一 在煤 层 内瓦斯 赋存 状 态 、 流动状态等理论研究方面做 出开端性研究 。然 而随煤层瓦斯渗流规律研究不断深入 ， 对瓦斯 D a r c y 线性运移有了新的认识。对于千米井 深煤层 ， 多属 于致密型多孔介质 ， 瓦斯滑脱效应十分显著 。于丽 艳等[ 8 ] 为分析致密煤层中气体 K l i n k e n b e r g 效应 ， 在 采集吉林 、 阜新两地低 渗煤样基 础上 ， 分 析不 同围 压 、 孔隙压力作用下滑脱效应对瓦斯渗流的影响 ， 验 证了滑脱效应的普遍存在性。李俊乾等 借助 T A W1 0 0型深水孔隙压力伺服系统对沁水盆地高阶 含氮煤样进行了渗透率影响研究， 分别分析气体 K l i n k e n b e r g效应 、 有效应力变化与渗透率变化之 间 的关系， 试验结果说明， 受多孔介质物性影响， 气体 密度 、 压力越低 ， K l i n k e n b e r g效应也越 明显 ， 渗透率 与气体压力倒数呈线性关系 。 然而， 由于煤体具有多尺度结构特征， 单一状态 条件下的数学模型不能准确描述气体在煤基质和裂 隙中的解吸 、 渗流过程。笔者从煤的双重孔 隙介质 特性 出发 ， 以低渗透性煤层基本特征与瓦斯线性运 移规律着手， 建立更符合深部本煤层瓦斯抽采的双 重孔隙气固耦合模型， 借助该模型模拟深部煤层瓦 斯抽采过程中瓦斯压降、 K l i n k e n b e r g 效应对抽采效 果的影响， 研究抽采前后煤层内渗透率动态变化规 律 ， 为进一步深入研究高地应力 、 低渗透性煤层瓦斯 瓦斯抽采提供参考。 1 深部煤层瓦斯抽采气固耦合模型 1 ． 1 瓦斯解吸一 渗流物理模型 游离态 瓦斯在煤层 中运移状态与煤层孑 L 隙、 裂 隙结构密切相关_ 1 。随着对气体在多孔介质中渗 流研究的不断深人， 逐渐认识到吸附态瓦斯解吸一 扩散一 渗流是一个连续的串联、 并联过程。首先， 吸 附瓦斯 以线性 F i c k定律扩散 的形式进入 到煤基质 原生 次生 裂隙中。随后 ， 游离态瓦斯进入煤层割 理 中， 最后 以 D a r c y渗流 的形式进入采煤工作空 间 或抽采钻孔 内， 如图 1 所示。 结合对煤层孔隙、 裂隙结构研究， 可根据煤层内 瓦斯运移形式 、 渗透特性不同， 将实际煤层瓦斯渗流 过程划分为 “ 单孔一 单渗透” 模型、 “ 双孔一 单渗透” 模型和“ 双重孔隙” 模型。 笔者将煤层中瓦斯运移归类为 “ 双重孔隙介 质” 模型 ， 即分别考虑煤基质 、 裂隙 内渗透率与体积 应变 、 解吸吸附之间作用关系， 分析裂隙系统 内渗透 率变化对气体压降的影响， 分析含瓦斯煤层有效应 力变化对裂隙渗透率影响。 1 一面割理 ； 2 一基质裂隙 ； 3 m 煤基质 4 一裂隙渗流 ； 5 一端 割理 图1 煤层内瓦斯运移过程 F i g ． 1 Ga s mi g r a t i o n i n c o a l e a n l 1 ． 2 瓦斯解 吸一 渗流数学模型 1 含吸附态瓦斯煤层变形方程。煤体变形主 要指的是其骨架的变形， 作用在煤体骨架上的力为 有效应力， 即有效应力控制着煤体的变形。文献 [ 1 1 一 l 2 ] 在双重孔隙介质模型基础上， 推导了有效 应力变化条件下， 双重孔隙介质内孔隙率、 渗透率动 态变化模型。在考虑煤层双重孔 隙介质模型中， 单 一 状态条件下 T e r z a g h i 有效应力公式便不再适用 ， 需分别考虑裂隙、 煤基质有效应力系数， 因此引入双 重孔隙介质条件下有效应力公式 一 f 1 式中 。为有效应 力 ， MP a ； i 为单元 体 总应力 ， MP a ； p f 为裂 隙游离态瓦斯压力 ， MP a ； p 为基质 内 吸附态瓦斯压力 ， MP a ； ￡ 为 K r o n e c k e r d e l t a 张量 ； o r 、 JB 分别对应裂隙、 基质有效应力系数； 下标 √为计 算模型空间坐标方向。 含瓦斯运移、 扩散的煤层变形场由静力平衡方 程 、 几何方程与本构方程组成。根据深部煤层所处 地质环境， 将煤层变形方程写为位移主导的 N a i v e r 形式煤层变形方程。 G a p 一 一 P K s L _ p F i 0 2 p 十 rL J 式 中 G为煤体剪切模量 ， M P a ； ／,I 为泊松 比； 为单 元体位移， m； P IJ为 L a n g m u ir 压力常数， M P a ～ ； p 为 煤基质内瓦斯压力， M P a ； K为煤体体积模量， M P a ； 为 L a n g mu i r 吸附压力应变常数 ； F i 为模 型地 应 力 ， M P a 。 2 双重介质煤层渗透率模型。对于深部本煤 层瓦斯抽采 ， 待采煤层未受大范 围采动影响 ， 煤层上 1 71 2 0 1 7 年第8 期 煤 炭 科 学 技 术 覆应力与所覆岩重基本一致。同时煤厚远小于煤层 走向 、 倾 In长度 ， 因此忽略煤层水平方 向侧阳心变 ， 即认为煤层处于单轴平 面应变状态 ， 其裂隙 系统渗 透率公式为 c {卜 3 3Kf[ P P P 1 1 J } 3 式中 为裂隙渗透率 ， 1 0 一 m ； 为初始裂隙渗 透率 ， 1 0 m ； 为裂 隙孔 隙度 ； 。为 裂隙孔隙 度 ； K 为裂隙体积模量 ， MP a ； 为体积应变。 3 低渗透率煤层 中 K l i n k e n b e r g效应 对于深 部待抽采煤层 ， 煤层内瓦斯高赋存压力 、 低渗透率同 时存在， 瓦斯在煤层内流动具有明显的 K li n k e n b e r g 效应。同时瓦斯具有压缩性 ， 使得瓦斯 的渗流过程 受裂隙 、 基质变形作用 ； 其次 ， 瓦斯分子远小于裂隙 宽度 ， 当煤层有效 应力逐 渐增大 ， 裂隙通道逐渐 闭 合 ， 分子间扩散阻力 明显增大， 使得裂隙煤壁_ 卜 - 气体 速率不为零 。因此 ， 煤层有效渗透率受孔隙 内瓦斯 压力的影响 ， 两者具有如下关系式 ． 1 4 ， ’ r 式 中 k 为煤层有效渗透率 ， 1 0 ～ m ； P 为裂隙内 瓦斯 压力 ， P a ； 6为 K l i n k e n b e r g系数 。该 系数 与煤 层内的孔 隙结构 、 气体分子平均 自由行程有关 ， 可 『 f I 公式计算 b ／ k 七 0 ． 3 6 5 式中 。 为拟 合 系数 ， 经 由百 组 渗透 率 为 0 ． 1 ～ 1 0 0 0 1 0 ～ m。的试样测定获得 ， 一般取值 0 ． 2 5 1 。 4 交叉耦合控制方程。由双重 介质渗透率方 程可 以看出 ， 渗 透率 、 孔 隙率的动态 变化受基质变 形 、 游离态瓦斯运移影响。煤作为典型 的双霞孔 隙 介质 ， 裂隙与基质内渗透率变化是不同的， 分别写出 固体 变 形 作 用 下 瓦 斯 渗 流 一扩 散 耦 合 控 制 方 程 ” P P I I／ , P I d一 lI I 丽 _ Il 去 _ 1 ] 詈一 V ～ V ⋯D 一 p K 去 ／t 6 ～ 6 __ 0 pf V 1 一v ， ． V I--1 V ／ f 一 “ 一V D 8 l l 一 c - - 【 “ f [ O t - 4- J ㈩ ， 1 a ， 式 『 I J P为煤密度， k g ／ m ； 为标准大气压力； t 为时 问， S ； 为气体动力黏度 ， P a s ； D 为分子扩散系 数 ； V I j 为吸附体积常数， n ／ t ； 为基质孔隙度； n ， 为煤基质宽度 ； b o 为煤裂隙宽度 基质 内吸附态 瓦斯 解吸效 应 、 裂 隙压缩 效应 j K l i n k e n b e r g效 应 的多 场耦 合 渗 流过 程 如 图 2 所 永 、 图 2 多物理 场问耦合作用关系 Fi g． 2 Co u p l i n g r el a l i o n b e t we t l 】mu l t i ph y s i c a l f iel d s 2 深部本煤 层 负压 瓦斯抽 采 的数值 模 型及 结果讨论 2 ． 1 数 值模 型 介绍 深部本煤层瓦斯负压抽采几何模型来 自T程实 践 的合理简化 ， 所汁算几何模型为单一水平煤层 ， 忽 略煤层倾 向方 向角度变化 ， 简化 为平 面应变模型。 由煤层实际赋存形态 ， 建立长 高 1 0 n 5 m煤层 物理模型 ， 预设 1 个瓦斯抽采钻孔位于煤层 中心 ， 抽 采钻孑 L 直径为 1 0 F i l l 。计算模 型 、 边界条件如 图 3 所 示 。 l 毅 压力 图3 计 算模 型、 边 界条件示意 Fi g ． 3 S c h e ma t i c di a g r a m o f c a l c u l a t i o n mo de l a nd l l o u n da ly C O l l di t i o n s P m p 一 ‰ 8 2 7 匡铁军 深部低渗透率煤层瓦斯抽采气固耦合机理研究 2 0 1 7年第 8期 模型物性参数如下 煤弹性模量／ MP a 煤基质弹性模量／ MP a 泊松比 煤密度／ k g- m 标准气体密度／ k g m 裂隙刚度／ MP a 气 体动力黏度／ P a S 吸附压力常数／ MP a 吸附体积 常数／ m t 吸附压力应变 初 始基质孔隙度 初始基质 渗透率／ m 滑脱效应 常数／ P a 2 ． 2 数值模 拟结果分析 数值模拟选用 C O MS O L Mu h i p h y s i c s 软件 ， 该软 件在多物理场模拟直接耦合仿真应用广泛 ， 在试验 中选用软件 内“ 固体力学” 模块与“ 对流一 扩散方程” 模块 。 图4为不 同抽采时刻钻孔周围瓦斯压力分布云 图 ， 在图中颜色越深表 明煤层 内瓦斯受钻孔抽采影 响越大 ， 瓦斯压力越低。抽采 1 0 0天后钻孔周 围区 域煤层瓦斯压力较抽采初期显著降低。 悄 2 ． 5 副 1 ． 5 0 ． 5 一 0 ． 5 - 1 ． 5 2 ． 5 1 ．5 0 ． 5 琳 一 0 ． 5 一 1 ． 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 O 计算模型倾斜长度， m a 未抽采 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 l O 计算模型倾斜长度， m b 瓦斯抽采第1 0 0 天 压 J ／ MP a 图4不 同抽采 时刻钻孔周 围瓦斯压 力分布 F i g ． 4 Di s t r i bu t i o n o f g a s pr e s s ur e a r o u nd bo r e h o l e a t d i f f e r e n t e x t r a c t i o n t i me 模型中心线处瓦斯压力分布如图 5所示。在图 5 a中可 以看 出， 钻孔周 围 出现 明显 的瓦斯压 降漏 斗 ， 裂隙、 基质内瓦斯压力逐渐下降至抽采负压。根 据所给不同抽采 时刻瓦斯压力抽采线图 ， 煤层瓦斯 压力从 2 MP a初始压力逐渐下 降至 0 ． 3 M P a左右 ， 达到抽采 目的。 一 星 _ R 模型水平方 向距离／ m a 瓦斯压力分布 瓦斯抽采时 I司， d f b 观测点瓦斯压力随时间变化 曲线 图5 模型水平中心线处瓦斯压力分布 F i g ． 5 Di s t r i b u t i o n o f g a s p r e s s u r e a t h o r i z o n t a l c e n t e r l i n e o f mo d e l K l i n k e n b e r g 效应对渗透率 的影响如 图 6所示。 从图 6中可以看 出， 当考虑 K l i n k e n b e r g效应时 ， 煤 层内抽采钻孔周围渗透率变化明显大于未考虑其影 响时的结果。随着抽采进行 ， 煤裂隙内瓦斯压力不 断降低， 但 K li n k e n b e r g因子 b 保持不变， 会使得煤 层有效渗透率逐渐增大 ， 因此 K l i n k e n b e r g 效应对低 渗透煤层瓦斯抽采有明显促进作用。 瓦斯抽采时问／ d a 考虑Kl in k e n b e r g 效应 影响 瓦斯抽采 时间／ d b 未考虑Kl in k e n b e r g 效应影响 图 6 K l i n k e n b e r g效应对渗透率影响 F i g ． 6 I n f l u e n c e o f Kl i n k e n b e r g e f f e c t o n p e r me a b i l i t y 煤层体 积变形对渗透率的影 响如 图 7所示 ， 在 瓦斯抽采期间， 煤层内基质、 裂隙渗透率是一个逐渐 1 73 3 9 9 O 7 O 5 9 O 6 4 7 5 m 瑚 m 渤 ㈨ 一 M 加 删 m __ 二 二 2 0 1 7 年第8 期 煤 炭 科 学 技 术 第4 5 卷 升高的过程。瓦斯抽采会使煤 层瓦斯压力 逐渐降 低 ， 使得煤层内渗透率不断增大。同时， 煤层有效应 力增大， 煤层中裂隙、 基质受压变形， 又会使渗透率 逐渐减小。煤层内渗透率变化是两者相互作用的过 程 ， 选取相同数据来源 ， 分析瓦斯解吸作用下对煤层 渗透率的影响过程。 一 全耦合 条件 一仅考 虑体积变形 0．95 0．9 0 O． 8 5 0． 8 0 ≥0 ． 7 5 O．7 0 0．65 0． 6 0 瓦斯抽采时间／ d a 裂隙渗透率 比值变化 曲线 瓦斯 抽 采 时 间 ， d b 基质 渗透率 比值 变化 曲线 图7 煤层体积变形对渗透率影响 F i g ． 7 I n fl u e n c e o f c o a l s e a m v o l u m e d e f o r ma t i o n o n p e r me a b i l i t y 煤层基质 、 裂隙受解 吸效应作用下 的渗透率变 化过程如图 8所示 ， 煤层 内瓦斯解吸效应会使煤层 内渗透率不断增大， 其作用效果与煤层受压体积变 形相 反 。 1 7 4 瓦斯抽采时间， d a 裂隙渗透率 比值变化 曲线 瓦斯抽采 时间／ d b 基质渗透率 比值变化 曲线 图8 瓦斯解吸变形对渗透率影响 F i g ． 8 I n fl u e n c e o f g a s d e f o r ma t i o n o n p e r me a b i l i t y 为进一步说明煤层渗透率变化与固体场之间的 作用关系， 整个抽采周期内煤层基质 、 裂隙渗透率随 有效应力变化的规律 在 C O MS O L M u h i p h y s i c s 软件 中压力取负值 如图 9所示 。瓦斯抽采过程 中伴随 气体压力不断降低， 煤层内有效应力呈现不断增大 趋势 ， 使得煤层 内裂 隙逐渐 闭合 ， 裂 隙开度 逐渐减 小 ， 最终使得煤层渗透率降低。 为分析煤层模型渗透率变化情况 ， 提取贯穿模 型水平 中心线 Y 2 ． 5 m上的渗透率数据 ， 分析煤层 基质内体积变形对渗透率的影 响， 如 图 1 0所示 ， 到 抽采后期 1 5 0 d 时 ， 钻孔周围渗透率 比值较抽采前 期 1 d 明显升高 。对 比仅考虑体积变形的渗透率 变化曲线 ， 在整个抽采过程 中， 随着瓦斯压力不断降 低 ， 紧邻钻孔区域渗透率明显低于其他区域， 由此可 以看出 ， 瓦斯抽采过程 中煤层渗透率变化对体积变 形十分敏感 煤层有 效应 力／ MP a 煤层有效应力／ MP a b 基质渗透率 比值变化 曲线 图 9 煤层渗透率 随有效应力变化规律 F i g ． 9 Va r i a t i o n o f c o a l s e a m pe r me a bi l i t y wi t h e f f e c t i ve s t r e s s 对 比解吸变形 曲线如图 1 1 所示 ， 在瓦斯抽采初 期 1 d ， 基质 内吸附态瓦斯压力迅速降低 ， 会使 紧 邻抽采钻孔煤层渗透率迅速升高。当瓦斯抽采进入 后期 1 5 0 d ， 伴 随煤层基质内瓦斯压力降低 ， 紧邻 抽采钻孔 区域渗透率 略高 于一 定距离外 的煤层 渗 透率 。 由图 1 0 、 图 1 1 可以看出 ， 当煤层 内瓦斯压力降 低时， 煤层内渗透率是体积变形与吸附变形两者问 相互耦合 的结果。煤层体积变形首先作用于渗透率 变化 ， 此时裂隙、 基 质 内渗透率都会小 于初始渗透 率 ， 随后伴随基质 内瓦斯解吸 ， 吸附变形作用逐渐大 匡铁军 深部低渗透率煤层瓦斯抽采气固耦合机理研究 2 0 1 7年第 8 期 一 全耦合条件 1 d 一 全耦合条件 1 5 0 d 一 仅考虑体积变形 1 d 一 仅考虑体积变 形 1 5 0 d 0． 9 0 0． 8 0 0． 7 0 越O ．6 0 O ． 5 0 模型水平方 向距离／ m a 裂 隙渗透 率比值 变化 曲线 一 一 模型水平方 向距离， m b 基质渗透率 比值变化 曲线 图 1 O 体积变形对渗透率影响曲线 F i g ． 1 0 Ef f e c t o f v o l u me d e f o r ma t i o n o n p e r me a b i l i t y 一 仪考虑吸附变形 1 d 一仅考虑吸附变形 1 5 o d 一 全耦合条件 1 d 一 仝耦合条件 1 5 o d 2 3 4 5 6 7 8 模型水平方 向距 离／ m a 裂 隙渗透 率 比值 变化 曲线 模型水平方 向距离／ m b 基质渗透率 比值变化 曲线 图 1 1 解吸变形对渗透率影 响 F i g ． 1 1 I n fl u e n c e o f a d s o r p t i o n d e f o rm a t i o n o n p e r me a b i l i t y 于骨架压缩作用 ， 最终成为渗透率变化 的主导因素。 对于钻孔 附近煤层 ， 其瓦斯压力降低为钻孔抽采压 力 ， 则此时煤层固体变形 占据主导作用 ， 紧邻钻孑 L 区 域煤层 的渗透 率 会 明显 低 于 煤层 其 余 部 分 的渗 透率。 瓦斯抽 采 过程 中瓦 斯压 力 与 煤 层 渗 透率 关 系 、 抽采 周 期 内瓦斯 运 移 速 率 情 况 ， 如 图 1 2、 图 1 3 所示 ， 煤层内瓦斯压力降低均会使煤层渗透率 增大 。煤层基质 内瓦斯 以吸 附形 态赋存 ， 瓦斯抽 采钻孔打破 了煤层 内部压 力平衡 ， 随着 瓦斯 不断 向钻孔方 向运移 ， 煤层 基质 收缩作 用会使基 质渗 透率不断增大 。 矗 2 ． 塞 ． 墨 ． 量o ． 室 蜓 醐 I k f o a 裂 隙瓦斯压力 与渗透率 比值关系 曲线 ．O0 ．75 ．5 0 ．25 ．OO ．7 5 ．5 O ．25 0 k f I k f o f b 基质瓦斯压力与渗透率 比值关系 曲线 图 1 2 瓦斯压力与煤层渗透率之间关系 F i g ． 1 2 R e l a t i o n s h i p b e t w e e n g a s p r e s s u r e a n d p e r me a b i l i t y o f c o a l s e a m 料 图 1 3 抽采周期内煤层瓦斯运移速率变化 Fi g．1 3 Va ria t i o n o f g a s mi g r a t i o n r a t e i n c o a l s e a m d u rin g e x t r a c t i o n p e r i o d 3结 论 1 根据深部煤层低渗透率 、 高地应力 、 高瓦斯 压力特征 ， 结合瓦斯运移 的 K l i n k e n b e r g效应 ， 建立 了考虑煤体基质 、 裂 隙双重孔隙介质 的瓦斯抽采气 固耦合模型。 2 煤层瓦斯压力随抽采时间增长呈下降趋势， 钻孔周 围出现瓦斯压降漏斗现象 ， 距钻孔越近瓦斯 压力下降越明显 。 3 深部低渗透煤层 瓦斯抽采过程 中， 煤层体积 变形 、 瓦斯解吸共 同影响煤层渗透率变化。瓦斯抽 采会使煤层瓦斯压力逐渐降低 ， 煤体发 生收缩变形 导致渗透率增大； 同时 ， 煤层有效应力增大 ， 煤层 中 1 75 5 2 8 4 O 8 2 8 9 9 8 8 8 7 7 6 9 9 9 9 9 9 9 9 0 0 O O O O O O 0 I 芝 O 5 O 5 O 5 O 5 O 2l O O 9 9 8 8 O 0 O O O 9 9 9 9 llll1 O O O O 岛兰 2 0 1 7 年 第8 期 煤 炭 科 学 技 术 第4 5 卷 裂隙 、 基质受压变形 ， 又会导致渗透率逐渐减小。 参考文献 Re f e r e n c e s [ 1 ] 孟贤正 ， 王中华， 陈国红， 等． 深部单一严重突出煤层煤巷掘进 卸压 防突技术 [ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 1 6 ， 4 4 1 2 7 5 8 0 ． Me n g Xi a n z h e n g ， W a n g Zh o n g h u a， C h e n Gu o h o n g ， e t a 1 ． Pr e s s u r e r e l e a s e d a n d o u t b u r s t p r e v e n t i o n t e c h n o l o g y o f s e a m g a t e wa y d r i v i n g i n d e e p s i n g l e s e r i o u s o u t b u r s t s e a m[ J ] ． C o a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o gy， 2 0 1 6， 44 1 2 7 5 8 0 ． [ 2 ] 彭海雁． 影响煤与瓦斯突出的主控因素研究[ D ] ． 沈阳 东北大 学 ， 2 0 1 3 ． [ 3 ] 刘小磊， 吴财芳， 秦勇， 等． 我国煤层气开发技术适应性及趋 势分析[ J ] ． 煤炭科学技术， 2 0 1 6 ， 4 4 1 0 5 8 6 4 ． L i u Xia o l e i ， wu C a i f a n g ， Q i n Y o n g ， e t a 1 ． A n a l y s i s o n s u i t a b i l i t y a n d t e n d e n c y o f C h i n a c o a l b e d me t h a n e d e v e l o p me n t t e c h n o l o gy [ J ] ． C o a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， 2 0 1 6 ， 44 1 0 5 8 6 4 ． [ 4 ] 刘纪坤 ， 王翠霞 ， 崔永 国， 等． 高低负压 结合 的西 冯街煤矿 瓦斯 抽采系统设计 [ J ] ． 煤矿安全 ， 2 0 1 1 ， 4 2 3 5 5 5 8 ． L i u J i k u n， Wa n g C uix i a， Cu i Yo n g g u o， e t a 1 ． T h e d e s i g n o f g a s d r a i n a g e s y s t e m i n t h e X i j i e c o a l mi n e o f h i g h a n