（采矿工程专业论文）低渗透煤层瓦斯抽放理论与应用研究.pdf

太原理工大学博士研究生学位论文 低渗透煤层瓦斯抽放理论与应用研究 摘要 在煤矿开采中，瓦斯灾害一直是威胁煤矿安全生产的主要灾害之一。 虽然国内外学者在瓦斯治理方面进行了大量艰苦的工作，但收效甚微。 目前，本煤层瓦斯预抽放措施仍然被认为是预防瓦斯灾害最有效的方法 之。但是，随着煤层开采深度的增加，煤层透气性随之减小，从而严 重影响了煤层瓦斯的抽放率和瓦斯抽放效果。因此，解决低渗透煤层的 瓦斯抽放已成为确保煤矿安全生产，提高煤矿生产效率的关键环节。随 着社会经济的发展和人类对能源需求的增大，煤层气资源的开发与利用 也日益倍受关注。我国的绝大多数煤田均为低渗透煤层，因此开展低渗 透煤层的瓦斯抽放研究具有重要的社会价值和经济效益。 本文首先较详细地分析了我国的煤层气的形成条件，基本特征，资 源状况和煤层气的开发利用现状，回顾了瓦斯抽放的现状和存在的问题， 总结了目前广泛使用的多种瓦斯抽放方法的特点及其适用条件，阐释了 瓦斯流动理论以及各种煤层气储层数学模型的研究现状，提出了本煤层 水力割缝改造低渗透煤层的基本研究思想和理论，并进行了以下主要的 研究工作： l 、以孔隙介质逾渗理论、概率论为基础，提出了孔隙裂隙双重介质 的逾渗研究方法。采用数值模拟的方法研究了孔隙裂隙双重介质的逾渗 现象及逾渗阂值分布规律，揭示了孔隙裂隙双重介质逾渗的基本特性。 太原理工大学博士研究生学位论文 研究表明，孔隙裂隙双重介质的逾渗阈值不是一个定值，而是孔隙率( 肝) 、 裂隙分形维数( _ d ) 、裂隙数量分布初值( n o ) 三个变量的函数，其数学 表达式为： f ( n ，n d ，d ) = n ；7 一 一n o e x p ( 一9 8 6 8 7 ) e x p ( 4 7 9 1 7 d ) ， 其中，”? 孔隙介质逾渗阈值，”一孔隙裂隙介质的孔隙率，一孔隙裂 隙介质的裂隙数量分布初值，口孔隙裂隙介质的裂隙分形维数。当 f ( n ，n o ，d ) 0 时，孔隙裂隙双重介质内部出现逾渗团，介质可渗透，反之 介质内部没有逾渗团、不可渗透。 2 、通过对我国十多个煤矿的煤层进行逾渗模拟计算，得到了煤体的 逾渗概率( p ) 与渗透系数( 丘) 之间的关系为： k = o 1 4 6 8 e x p ( 2 8 1 9 7 p ) 以煤体逾渗概率为依据，提出了煤体渗透性的逾渗分类方法，为煤体渗 透性分类提供了新的方法。 3 、通过对潞安矿业集团3 # 煤层煤样进行钻孔及水力割缝抽放的大 型三维固流耦合实验研究，揭示了水力割缝提高低渗透煤层瓦斯抽放率 的机理和割缝的瓦斯排放规律。实验结果表明，煤体割缝后，瓦斯的初 期排放速度和排放量显著增加，对4 0 0 米埋深的煤层，割缝可使初期排放 速度提高3 倍，排放量提高4 倍；对8 0 0 米埋深的煤层，割缝可使初期排放 速度提高1 6 倍，排放量提高9 倍，并大幅度提高了瓦斯抽放速度。 通过室内实验研究，揭示了瓦斯排放过程中煤体有效应力的变化规 律，即随着排放时间延长，瓦斯压力( p ) 随时间变化遵循指数衰减规律： p = a e x p ( 一b ，f ) ；煤体有效应力( g i ) 随时间变化遵循对数增加规律： 。：a i n ( t ) + b ；有效应力系数( a ) 随时间变化遵循对数减小规律： 2 太原理工大学博士研究生学位论文 口：口一b l n ( o ；在瓦斯排放过程中有效应力系数与煤体有效体积应力( 曰) 及瓦斯压力( p ) 遵循双线性关系：口= 一q o 一a 2 p + a 3 0 p 。 通过室内实验研究，发现煤体割缝过程中发生煤与瓦斯喷出的现象。 喷出强度与煤层埋深有关，埋深越大，强度越大。在8 0 0 米深度地压作 用下，割缝排出的煤体量约为试件体积的1 0 ，煤体卸压彻底，抽放效果 明显；在4 0 0 米深度地压作用下，割缝排出的煤体量仅为试件体积的2 。 采用数值实验方法研究了煤体的非均质参数与煤体突出指标e a 值的关 系，结果表明；黝值与非均质参数m 之间呈指数关系： ( e a ) = 3 0 1 3 1 ( m 一1 ) “6 。 4 、煤体是孔隙裂隙双重介质，由于孔隙、裂隙的存在，使得煤体的 强度与渗透系数的均匀性极差，它的表征单元体积( r e v ) 线性尺度不易 确定，不能较准确的描述煤体的物理特性。通过引入非均质参数，描述 煤体的强度与渗透系数，并将它们用到以连续介质为基础而建立的煤体 变形与瓦斯渗流的固气耦合数学模型中，实现了用连续、拟连续介质的 固气耦合模型解决孔隙一裂隙双重介质模型、块裂介质模型的固气耦合 模型的问题，不仅简化了理论，而且大大地简化了数值计算模型的建立。 论文详细论述了非均质固体变形与气体渗流的耦合数学模型的建立及其 解法，以及非均质模型的构建方法、非均质材料的变形与破坏模拟方法。 在此基础上，编制和开发了主要用于研究非均质岩体的“岩石试验及工 程分析r t e a 2 嘶软件( r o c kt e s t i n ga n de n g i n e e r i n ga n a l y s i s ) 。 5 、以潞安3 # 煤层为背景，利用r t e a 2 d 软件进行了煤层割缝抽放瓦 斯的数值实验研究。计算结果表明：煤体割缝后，在割缝上下两侧出现 尺度不等的拉伸裂隙，在割缝的两端出现上下垂直的剪切裂隙，裂隙群 太原理工大学博士研究生学位论文 的大小和埋深、割缝的水平宽度有关。对于潞安3 # 煤层，厚度6 米，埋 深4 0 0 米，割缝宽度4 - - 5 米时，裂隙群可以连通6 米厚的煤层，使煤层内 出现逾渗团，抽放率大幅度提高。4 0 0 米埋深的煤层，实施宽度为5 米的 水力割缝后，抽放一个月，百米钻孔的抽放率可达n 3 8 5 ，累计抽放量 为2 2 0 2 6 立方米；抽放两个月后，百米钻孔的抽放率可达至1 j 6 2 2 ，累计 抽放量为3 5 6 1 3 8 立方米。 利用r t e a 2 d 软件研究了煤体割缝后埋深对煤层瓦斯排放速度的影 响。数值计算结果表明，采用钻孔抽放瓦斯，抽放速度随煤层埋深的增 加而减小；而采用割缝强化抽放瓦斯，抽放速度随煤层埋深的增加而增 大，2 0 0 米埋深的初期最大抽放速度是1 0 0 米埋深的1 7 倍，4 0 0 米埋深的初 期最大抽放速度是2 0 0 米埋深的2 2 倍，数值试验结果与室内瓦斯抽放试验 结果相吻合。 6 、通过在潞安煤业集团五阳煤矿7 6 0 1 ：z 作面的工业性试验，完成了 水力割缝强化瓦斯抽放的一整套技术工艺。现场试验表明，使用7 0 m p a 的 水射流进行水力割缝时，割缝的长度可以达到2 米左右，纵向高度可以达 到3 0 5 0 毫米。试验中发现，在本煤层实施割缝时会发生间歇性的、程 度不同的煤与瓦斯喷出现象。实施割缝后一个月的瓦斯抽放率可以达到 3 0 芹右。 关键词：低渗透煤层，水力割缝，瓦斯抽放，非均质，固气耦合， 数值模拟，逾渗规律，孔隙裂隙 4 奎堕堡三查堂堡主堕塞竺堂笪笙苎 t h et h e o r ya n di t sa p p l i c a t i o n o ng a sd r a i n a g ei nl o w p e r m e a b i l i t y c o a ls e a m s a b s t r a c t g a sd i s a s t e ri sa l w a y so n eo ft h em a i nd i s a s t e r st ot h r e a t e nt h es e c u r i t y o fc o a lm i n ei nt h ec o a le x p l o i t a t i o n a l t h o u g ht h es c h o l a ri nh o m ea n d a b r o a dd oal o to ft r i a lw o r ki ng a sd r a i n a g e ，i ta f f e c tal i t t l ea tp r e s e n t ，ni s c o n s i d e r e dt h a tt h eg a sp r e d r a i n a g em e a s u r ei nc o a ls e a mi so n eo ft h em o s t e f f e c t i v em e t h o dt op r e v e n tt h eg a sd i s a s t e r w i t ht h e d e p t ho fc o a ls e a m i n c r e a s e ，t h ep e r m e a b i l i t yd e c r e a s e c o n s e q u e n t l yi ta f f e c tt h ed r a i n a g er a t e a n de f f i c i e n c y s oi tb e c o m et h ek e yl i n ks o l v i n gt h eg a sd r a i n a g ei n l o w - p e r m e a b i l i t yc o a ls e a m st o i n s u r ei nc o a lm i n es e c u r i t ya n de n h a n c e p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t ye c o n o m ya n dt h e r e q u i r e m e n ta g g r a n d i z e m e n tf o re n e r g ys o u r c e s ，t h eg a ss o u r c ee x p l o i t a t i o n a n di t su s i n gb e c o m em o r ea n dm o r ea t t e n t i o n t h em o s tc o a lf i e l do fc h i n ai s a l l l o w p e r m e a b i l i t yc o a ls e a m s ，s oi th a si m p o r t a n ts o c i e t yv a l u ea n d e c o n o m ye f f i c i e n c yt oh a v et h er e s e a r c ho fg a sd r a i n a g ei nl o w - p e r m e a b i l i t y c o a ls e a m s a tf i r s t ，t h et h e s i sa n a l y z et h ef o r mc o n d i t i o n ，b a s i cc h a r a c t e r , s o u r c e s t a t u sa n dt h ef o r e g r o u n do fg a si no u rc o u n t r y ；r e v i e wt h eg a sd r a i n a g es t a t u s a n dt h em a t t e r ；s u m m a r i z et h es p e c i a l 够a n da p p l yc o n d i t i o no fm a n yg a s d r a i n a g em e t h o d ；e x p l a i nt h eg a sf l o w i n gt h e o r ya n dt h er e s e a r c hs t a t u so f e v e r yg a ss t o r a g em a t h e m a t i cm o d e l ；p u tf o r w a r dt h eb a s i cr e s e a r c hi d e aa n d t h e o r yt or e c o n s t r u c tl o w - p e r m e a b i l i t yc o a ls e a m sb yh y d r a u l i c c u t t i n g t h em a i nr e s e a r c hw o r ki sd e v e l o p e d ，t h a ti s ： 1 b a s e do np o r em e d i u ma n dp r o b a b i l i t yt h e o r y , i tp u tf o r w a r dt h e p e r c o l a t i o nm e t h o do fp o r ea n df r a c t u r ed o u b l e - m e d i u m i ta d o p tn u m e r i c a l 5 奎星里王查堂堕主婴塞竺堂壁笙苎 一 s i m u l a t i o nt or e s e a r c ht h ep e r c o l a t i o np h e n o m e n ao fd o u b l e - p o r o s i t ym e d i u m a n dt h e d i s t r i b u t i o n1 0 wo fp e r c o l a t i o nt h r e s h o l dt o a n n o u n c ei t sb a s i c c h a r a c t e r i ti n d i c a t et h a tt h ep e r c o l a t i o nt h r e s h o l do fd o u b l e p o r o s i t ym e d i u m i sn o tac e r t a i nv a l u e ，i ti st h r e ev a r i a b l ef u n c t i o no fp o r o s i t yr a t e ( n ) ，f r a c t u r e f i - a c t a ld i m e n s i o n ( d ) ，i n i t i a lv a l u eo ff r a c t u r eq u a n t i t yd i s t r i b u t i o n ( n 0 ) i t s m a t h e m a t i cf o r m u l ai s ： f ( n ，o ，d ) = ，1 7 一”一n o e x p ( 一9 8 6 8 7 ) e x p ( 4 7 9 17 d ) h e r e ：行? i st h ep e r c o l a t i o nt h r e s h o l do fp o r o u sm e d i u m ；f 一 p o r o s i t yr a t e ，j 0 一i n i t i a lv a l u eo f f r a c t u r eq u a n t i t yd i s t r i b u t i o n ，d f r a c m r e f r a c t a ld i m e n s i o n w h e nf ( n ，d n o ) = o ，i t a p p e a rp e r c o l a t i o n c l u s t e ri n s i d et h e d o u b l e p o r o s i t ym e d i u m ，a n dt h em e d i u mc a np e n e t r a t e o nt h ec o n t r a r y , i t c a n tp e n e t r a t e ；w h e nf ( n ，d n 0 ) 0 ，t h e r ei sn o tp e r c o l a t i o nc l u s t e ri n s i d et h e m e d i u m 2 t h er e l a t i o nb e t w e e n p e r c o l a t i o np r o b a b i l i t y ( p ) a n d p e r m e a b i l i t y c o e f f i c i e n t ( k ) i sa n n o u n c e db yt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o ni nc o a ls e a m so f c h i n ad e c a d e t h ef o r m u l ai s ： k = o 1 4 6 8 e x p ( 2 8 1 9 7 p ) b a s e do nt h ep e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n t ，t h ep e r m e a b i l i t yc l a s s i f i c a t i o no f c o a lm a s sm e t h o di sp u tf o r w a r d ，a n dt h en e wp e r m e a b i l i t yc l a s s i f i c a t i o no f c o a lm a s s m e t h o di ss u p p l i e d 3 。t h em e c h a n i s mo fg a s d r a i n a g e r a t ea n dt h ed r a i n a g el a wi n l o w p e r m e a b i l i t yc o a ls e a mb yt h eh y d r a u l i c - c u t t i n ga r ep u tf o r w a r dt h r o u g h t h ee x p e r i m e n to fg r e a tt h r e e d i m e n t i o n a ls o l i d l i q u i dc o u p l i n gw i t ht h ec o a l s a m p l eo fl u a nc o a lf i e l d3 撑c o a ls e a m t h er e s u l ti n d i c a t e ，a f t e rc u t t i n g ，t h e i n i t i a ld r a i n a g es p e e da n dq u a l i t yi n c r e a s eq u i c k l y ，t h ei n i t i a ld r a i n a g es p e e d i n c r e a s ef o r3t i m e sa n dq u a l i t yf o r4t i m e sa t4 0 0md e p t h ；t h es p e e di n c r e a s e f o r16t i m e sa n dq u a l i t yf o r9 t i m e sa t8 0 0 md e p t h t h ee r i e c t i v es t r e s sc h a n g el a wo fc o a lm a s si sp u tf o r w a r di nt h ec o u r s e o fg a sd r a i n a g e t h a ti s w i t ht h et i m ee x t e n d ，t h eg a sp r e s s u r e ( p ) f o l l o w s e x p o n e n t i a la t t e n u a t i o nl a w ：p = 口e x p ( - b ，) ；e f f e c t i v es t r e s s ( 毋) o fc o a l 6 太原理工大学博士研究生学位论文 m a s sf o l l o w sl o g a r i t h mi n c r e m e n t a ll a w ：口，= dt n ( t ) + b ；e f f e c t i v es t r e s s c o e f f i c i e n t ( a ) f o l l o w sl o g a r i t h ma t t e n u a t i o nt a w ：g = a bi n ( t ) ：e f f e c t i v e s t r e s sc o e f f i c i e n t ，e f f e c t i v ev o l u m es t r e s s ( o ) a n dg a sp r e s s u r e ( p ) f o l l o w d o u b l e c r e w e lr e l a t i o n ：口= a o a i 一1 1 2 p + a 3 0 p d u r i n gt h ec u t t i n ge x p e r i m e n t ，t h ec o a la n dg a so u t b u r s tp h e n o m e n o n o c c u r t h eo u t b u r s ti n t e n s i t yr e l a t et ot h ed e p t ho fc o a ls e a m t h ed e e p e rt h e c o a ls e a mi s ，t h eg r e a t e rt h ei n t e n s i t yi s i nt h et e r r ap r e s s u r ef u n c t i o no f8 0 0 m d e p t h ，t h eg a sd r a i n a g ev o l u m ei s a b o u t1 0 o fc o a l s a m p l ev o l u m e ， u n l o a d i n gi sc o m p l e t e i nt h e4 0 0 md e p t h ，t h eg a sd r a i n a g ev o l u m ei sa b o u t 2 o fc o a ls a m p l ev o l u m e t h er e l a t i o nb e t w e e ni n h o m o g e n e o u sc o e f f i c i e n ta n do u t b u r s ti n d e xe 2 i sr e s e a r c h e db yn u m e r i c a lm e t h o d ，t h er e s u l ti n d i c a t e ：t h ef o r m u l ao fi t s r e l a t i o ni s ： ( e ) = 3 0 l3 l ( 川一i ) 叫旧砷 4 b e c a u s et h ec o a lm a s si st h ep o r ea n df r a c t u r ed o u b l e m e d i u i n ，t h e h o m o g e n e i t yo ft h ei n t e n s i t ya n dp e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n to f c o a lm a s si sv e r y p o o r t h el i n e a rs i z eo fr e p r e s e n t a t i v ee l e m e n t a r yv o l u m e ( r e v ) i sd i f f i c u l t t oc o n f i r m ，a n di t sp h y s i c a lc h a r a c t e ri sn o te a s yt od e s c r i b e i n h o m o g e n e o u sc o e f f i c i e n t i si n t r o d u c e dt ot h es o l i d l i q u i dc o u p l i n g m a t h e m a t i cm o d e lo fc o a lm a s sd e f o r m a t i o na n dg a ss e e p a g ef l o w t h e p r o b l e mo fs o l i d l i q u i dc o u p l i n gm o d e lo fd o u b l e - m e d i u mi s s e t t l e d b y c o n t i n u u mm e d i u m s o l i d - l i q u i dc o u p l i n gm o d e l t h e s em e t h o d sp r e d i g e s tt h et h e o r ya n dt h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm o d e l t h et h e s i sd i s c u s sn o to n l yt h es o l v i n gm e t h o da n df o u n d a t i o nm e t h o do f c o u p l i n gm a t h e m a t i cm o d e lb u ta l s ot h ed e f o r m a t i o na n df a i l u r es i m u l a t i o n m e t h o d ，b a s e do na b o v e ，w o r ko u tas e to fs o f t w a r en a m e d r o c kt e s t i n ga n d e n g i n e e r i n ga n a l y s i s ”t or e s e a r c hi n h o m o g e n e o u s 5 。u s i n gt h i ss o r w a r e r t e a “”t oh a v et h en u m e r i c a le x p e r i m e n to f g a s d r a i n a g eb yc u t t i n gb a s e do n3 鼯c o a ls e a m ，t h er e s u l ti n d i c a t e 。i ta p p e a r t e n s i l ef r a c t u r ew i t hd i f f e r e n ts i z ea n ds h e a rf r a c t u r ei nt h eb o t hu p p e ra n d b o t t o me n d sa f t e rc u t t i n g t h es i z eo f f r a c t u r eg r o u pr e l a t et od e p t ha n dw i d t h 7 太原理工大学博士研究生学位论文 w h e nt h ec o a ls e a m si s6 mt h i c k n e s s ，4 0 0 md e p t h ，4 - 5 mw i d t h ，t h ef r a c t u r e g r o u pc a nc o n n e c tt h ec o a ls e a mw i t h6 mt h i c k n e s s ，a n dm a k ei ta p p e a r p e r c o l a t i o nc l u s t e ra n di m p r o v et h ed r a i n a g er a t e h u n d r e d m e t e rd r i l l i n g d r a i n a g e r a t eb yh y d r a u l i c c u t t i n gc a nr e a c h3 8 5 f o ram o n t ha t4 0 0 m d e p t h ，5 mw i d t h ，t h et o t a lv o l u m ei s2 2 0 2 6 m ，a n d6 2 2 f o rt w om o n t h s ， t h et o t a lv o l u m ei s3 5 6 1 3 8 m 3 t h et h e s i sd i s c u s st h ei n f l u e n c eo ng a sd r a i n a g es p e e df r o mt h ed e p t h a f t e rc u t t i n gw i t hs o f t w a r er t e a t h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o ni n d i c a t e t h e d r a i n a g es p e e do fg a sd r a i n a g ew i l li n c r e a s ew i t ht h ed e p t hb yc u t t i n g t h e i n i t i a lm a xs p e e da t2 0 0 md e p t hi s i 7t i m e st olo o md e p t h a st h es a m e t h e i n i t i a lm a xs p e e da tt h e4 0 0 md e p t hi s2 2t i m e st o2 0 0 md e p t h t h e n u m e r i c a lr e s u l tt a l l i e sw i t ht h ee x p e r i m e n tr e s u l t 6 t h r o u g ht h ei n d u s t r i a le x p e r i m e n t a t i o ni n7 6 01w o r kp l a n eo fw u y a n g c o a lm i n eo f l u a nm i n i n gg r o u p ，aw h o l es e to f t e c h n i c so f g a sd r a i n a g eb y h y d r a u l i c - c u t t i n gi sa c h i e v e d t h er e s u l ti n d i c a t e ，w h e nt h ej e t so f w a t e rw i t h 7 0 m p ab yh y d r a u l i c c u t t i n gi su s e d ，t h el e n g t hc a nr e a c h e dt oa b o u t2 m ，t h e h e i g h tc a nr e a c ht o3 0 - 5 0 m m i nt h ee x p e r i m e n t a t i o n ，t h ec o a la n dg a s o u t b u r s tp h e n o m e n o nw i t hi n t e r m i t t e n ta n dd i f f e r e n td e g r e ec a nb ed i s c o v e r e d t h eg a sd r a i n a g er a t ef o ram o n t ha f t e rc u t t i n gc a nr e a c ht oa b o u t3 0 k e y w o r d s ：l o w p e r m e a b i l i t yc o a ls e a m s ，h y d r a u l i c c u t t i n g ，g a s d r a i n a g e ，i n h o m o g e n e i t y ，s o l i d s t e a mc o u p l i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， p e r c o l a t i o nl a w ，p o r ea n df r a c t u r e 太原理工大学博士研究生学位论文 1 1 概述 第一誊绪论 煤层瓦斯，即煤层气。它是在煤的形成过程中生成并赋存于煤层及煤系地层的一 种天然气，主要成份是甲烷( c - h ) ，其中还混杂有其它物质组分。我国是煤炭生产 和消费大国，国有矿井中高瓦斯矿井占到了4 4 ，建国以来发生煤与瓦斯突出事故1 万余次，占世界突出总数的1 3 以上，其中最大的一次突出，突出煤炭和岩石量约 1 2 7 8 0 吨瓦斯1 5 0 万m 3 ；1 9 4 9 年以来，煤矿中发生的一次死亡百人以上的特大事 故共1 4 起，其中瓦斯( 瓦斯和煤尘) 爆炸事故占1 3 起，造成严重伤亡事故和经济损 失”3 。同时瓦斯也是一种温室气体，其温室效应是二氧化碳的2 0 多倍，对臭氧层的 破坏能力是二氧化碳的7 倍，而且排放到大气中的煤层气中还混杂有甲烷的同系物、 h 、h s ic 0 、n o 、n h 、s o 等放射性物质。这不仅污染大气，而且对人体健康也有害。 根据联合国的一份报告，中国煤矿在开采过程中每年向大气中排放的甲烷量达1 9 4 亿m ，约占世界采煤排放甲烷总量的三分之一，已引起国际社会的密切关注。因此， 如果能在煤矿开采前将煤层中储集的煤层气有计划地开采利用，既可以减少和杜绝煤 矿事故的发生，又可以变害为宝，得到一种新的能源。 目前我国已探明原煤储量达到9 8 0 0 亿吨，因此煤层气资源相当丰富，据专家估 算，陆上埋深2 0 0 0 米以浅的煤层气资源量为3 2 3 5 万亿m 3 ，相当于4 5 0 亿吨标准煤， 多于陆上常规天然气的资源量( 2 9 万亿m 3 ) 。煤层气作为一种洁净、高效的能源，已 经得到世界各国的重视，其中美国是煤层气开发比较发达的国家，1 9 9 7 年的产量为 3 1 1 4 1 亿m ，占其天然气总产量的6 ，煤层气的产量比我国天然气的总产量( 2 0 7 2 0 亿m 3 ) 还要高。“1 。以前我国对煤层气的开发主要采用抽放的方式，而其主要目的是 治理瓦斯灾害事故，虽然在一定程度上起到了防止瓦斯事故发生的作用，但收效甚微， 没有从根本上解决问题，并且抽放率低下，大部分煤层气被排放；目前随着我国经济 的快速发展，对能源的需求量越来越大，特别是最近几年能源问题日显突出，解决好 能源问题对我国经济的持续发展意义重大，在我国能源消耗中，煤的消耗占7 5 ，天 太原理工大学博士研究生学位论文 然气只占2 ，而美国和俄罗斯则分别占2 5 、4 8 ，因此改变能源结构，尽可能把煤 层气这一新能源给利用起来己成为当务之急。 随着形式的迫切需要，我国煤层气地面开发技术已进入起步阶段，并在联合国的 资助下，我国中央和地方各公司以及外国公司开展了大量的勘察工作。到目前为止， 我国已经施工了2 0 6 口煤层气井，其中1 9 9 0 年以来施工了1 8 2 口。根据1 8 2 口煤层 气井的注入压降试井结果表明，我国沁水和柳林的煤储层渗透性较好，0 5x1 0 1 5 n 1 2 的测值分别为5 0 j n6 5 ，1 0 1 0 - , 5 i r l 2 的测值分别为3 3 和5 3 ；淮北和铁法 次之，0 5 1 0 - 15 1 1 1 2 的测值分别为4 4 1 口1 7 ；鹤岗、大城、淮南、六盘水较差，测 值都小于o 5 1 0 “m 2 ，尤其是淮南和六盘水， o 1 l o 叫5 m 2 的测值分别占8 3 $ n8 6 。 从我固总的煤层气渗透率分布比率来看，我目的绝大部分煤层气储层属于低渗透储 层。这正是我国煤层气难以丌发的主要原因。因此，不能借用现有开采石油、天然气 的技术，这就需要我们在科学技术上有所突破。 表1 - 1 我国煤储层的渗透率分布比率 渗透率等级划分界限所占比例 渗透性描述 五级 0 i i o 一1 5 3 4 渗透性极差 四缎0 1x 1 0 5 05 x 1 0 ”2 4 渗透性差 列级05 1 0 ”1 ，1 0 x 1 0 1 51 1 渗透性差 三级 l0 x1 0 一l ，x 1 0 - j 5 1 7 淮透性中等 一级以f ： 兰50 x j o 一”1 4 渗透性好或较好 1 2 煤层瓦斯固流耦合理论的研究评述 天然岩石一般是含有孔隙和裂隙的多孔介质，其中固相、液相和气相并存。对于 岩石中流体流动问题，经典渗流力学进行了广泛的研究，但它没有考虑流体流动和岩 石变形之闻的作用，而在实际情况中，例如煤层气的开采、地下水的抽放等，由于孔 隙流体压力的变化，一方面要引起岩石骨架应力变化，由此导致岩石特性变化；另一 方面，这些变化又反过来影响孔隙流体的流动和压力变化。因此，在许多情况下必须 考虑流体，包括液体( 水等) 、气体( 煤层气、天然气等) 在多孔介质中的流动规律 及其对岩石本身变形或强度的影响，即应考虑岩体应力场与渗流场之间的耦合作用。 2 太原理工大学博士研究生学位论文 近年来，固流耦合问题越来越受到人们的重视，这方面的研究涉及到固体力学、 流体力学、构造地质、地球物理、岩石力学、地下工程等学科。而关于岩体和流体相 互作用的研究最早见诸于k t e r z a g h i 对有关地面沉降的研究，其主要内容限于考虑一 维弹性孔隙介质中饱和流体流动时的固结，提出了著名的有效应力公式。迄今该公式 仍是研究岩体和流体相互作用的基础公式之一，t e r z a g h i 最初提出的一维固结理论附 有诸如土的颗粒不可压缩、土的孔隙中含有不可压缩流体按达西定律沿单相流动从而 引起岩石单相压缩变形等条件，所以能解决的实际工程问题十分有限，t e r z a g h i 等人 随后将维固结理论推广到三维情形，但由于假设了固结过程中全应力为常量，故与 早期的t e r z a g h i 一维固结理论没有本质差别。2 0 世纪中期，b i o t 以饱和土体的全应 力和孔隙流体压力为状态变量，将t e r z a g h i 工作推广到真正意义上的三维情形，建立 了比较完善的三维固结理论，奠定了地下固流耦合理论的基础。b i o t 随后将三维固结 理论推广到各向异性多孔介质中和动力分析中。r i c e 、c l e a r y 引入易确定的s k e m p t o n 常数，得到b i o t 理论的另一种表达形式。z i e n k i e w i c z 、s h i o m i a 考虑几何与材料的非 线性，提出了广义的b l o t 理论，v e r r u j i t 进一步发展了多相饱和渗流与孔隙介质耦合 理论模型。2 0 世纪5 0 年代末，h u b b e r t 和r u b c y 用流体的超孔隙压力概念解释了低 角度逆掩推覆构造的形成机制，首次阐明了流体在地壳结构演化中的重要作用。f r a n k 提出了“扩充硬化”以及b r a c e 和m a r t i n 对之做的岩石力学实验，进一步说明了流体 在岩石破坏过程中的物理化学作用。国内李易等讨论了考虑饱和土壤固结效应的结构 一土壤相互作用问题；张洪武和钟万等利用z i e n k i e w i c z 和s h i o m i a 建立的广义的b i o t 公式对饱和土壤固结的非线性的理论和算法进行了研究。 目前，随着实验测试和计算技术的发展，地下固流祸合理论从理论到应用都有了 长足的进步，其主要特点是由单相流到多相流，由单一介质向更复杂的双重( 裂隙一 网格) 连续介质及拟连续或非连续的裂缝网格介质模型发展；放弃了固相介质弹性小 变形的假设，改为考虑更为实际的非线性本构关系( 粘弹性、弹塑性、蠕交) ；新的 数学理论方法得到更为广泛的应用从而改善了对理论模型的评定和求解能力。 在我国2 0 世纪6 0 年代，人们才开始意识到研究瓦斯流动理论的意义，文献第一 次提出了瓦斯流动理论一线性瓦斯流动理论，对我国瓦斯流动理论的研究具有极为深 刻的影响。到8 0 年代，我国的瓦斯流动理论研究日趋活跃，1 9 9 0 年我国学者赵阳升 3 太原理工大学博士研究生学位论文 等提出了矿井下煤层瓦斯流动的固结数学模型，并于1 9 9 2 年系统和完善了均质岩体 的固气耦合数学模型及其数值解法，基本奠定了这一研究的基础。章梦涛和粱冰于 1 9 9 5 年以塑性力学的内变量理论为基础，进一步发展了瓦斯突出的固气耦合数学模 型。刘建军等建立了煤储层固流耦合渗流模型，将这一思路引入煤层气的运移产出和 煤体变形的模拟中来，建立起比较完善的煤层气储层固流耦合模型，是煤层气数值模 拟的趋势。孙可明等在考虑气溶于水的情况下，建立了煤层气开采过程中的气、水两 相流阶段的渗流场和煤岩体变形场以及物性参数间耦合作用的多相流体固流耦合渗 流模型，通过将岩土质点的位移分量引入到渗流场、渗流场中的孔隙流体压力引入到 变形场、有效应力和孔隙流体压力引入到渗流物性参数中，实现了固流耦合间的相互 作用。2 0 0 3 年赵阳升又建立了块裂介质岩体变形与气体渗流的非线性耦合数学模