瓦斯突出煤层强制注氮消突机理研究

我国是世界上瓦斯突出灾害最严重的国家，平均每年发生瓦斯突出事故100多起。目前，我国瓦斯突出防治存在机理研究不透彻、预测指标体系不完善、预测工艺存在缺陷和消突措施效率低等四大技术瓶颈。在瓦斯突出机理、预测指标和预测工艺等研究短期内难以取得关键性突破之前，探寻工程量小、周期短、成本低的消突新方法，对于有效减少瓦斯突出事故具有重要的意义。项目申请者在阳泉煤业集团石港煤矿进行了我国首次煤层强制注氮消突试验，持续注气16小时后，煤层瓦斯含量下降17.76%，瓦斯突出预测指标K1降低50-55%，取得了很好的消突效果。由于对强制注氮消突机理认识肤浅，限制了方法的推广。本项目拟通过建立突出煤层强制注氮过程瓦斯解吸模拟测试装置，研究强制注氮过程中突出煤层的CH4解吸特性和CH4-N2动态吸附平衡响应特性，探讨突出煤层强制注氮消突的机理，为突出煤层强制注氮消突技术的推广提供理论基础和应用。

我国是世界上瓦斯突出灾害最严重的国家，平均每年发生瓦斯突出事故100多起。2007-2009年间，项目组在阳泉煤业集团进行了我国首次煤层强制注氮消突试验，持续注气16小时后，煤层瓦斯含量下降17.76%，瓦斯突出预测指标K1降低50-55%，取得了很好的消突效果。由于对强制注氮消突机理认识肤浅，限制了方法的推广。. 利用自研多组分气体的吸附/解吸模拟试验装置，开展了煤对N2、CH4以及它们的混合气体吸附-解吸测试和CH4-N2动态吸附平衡响应特性研究；在煤对N2-CH4和CO2-CH4混合气体的吸附，进行了两类实验，一是混合气体注入煤中的竞争吸附，二是在CH4吸附平衡条件下，注入CO2或N2的置换吸附。对比试验结果表明：（1）煤对多组分混合气体的吸附与吸附的过程和先后顺序无关，煤对多组分气体的吸附只与平衡时的组分分压、平衡压力等有关，竞争吸附与置换吸附的本质与结果是一致的；（2）弱吸附气体N2也能置换煤中CH4。. 依据达西（Darcy）渗流理论、菲克（Fick）扩散理论、扩展Langmuir吸附理论以及气体状态方程，建立了多物理场耦合条件下的气体流动和置换解吸模型，利用Comsol Multiphysics有限元数值模拟软件进行了煤层注气数值模拟。模拟结果显示：对于阳泉矿区3号和15号煤层，注N2气能使排放钻孔纯甲烷流量增加29.5倍；若配合抽放措施，注N2增加幅度在排放+注气的基础之上还可提高8.34倍。. 基于实验室模拟测试数据和数值模拟结果，探讨了煤层强制注氮消突机理基于探讨突出煤层强制注氮消突的机理，初步研究结果表明：瓦斯突出煤层强制注氮时，氮气对煤中瓦斯具有“置换解吸”、“驱替”、“载携”、“稀释扩散”和“膨胀增透”效应，能够大幅度提高低透气性煤层的瓦斯涌出和抽采效率，这是强制注氮消突的机理。