低渗透性富含瓦斯煤层群卸压煤气共采固气耦合基础研究

我国煤层地质条件复杂、煤层渗透性普遍较低，不能完全借用现有开采石油天然气的技术解决低渗透煤层气的开采问题，现有煤层气开采技术还无法满足煤矿安全生产的需求，制约我国低渗透性煤层气高效抽采的核心问题是如何提高煤层的渗透率。本项目以煤层群卸压开采为研究对象，基于实验力学、岩层控制理论、采动岩体力学与渗流力学等理论，研究采动卸压条件下含瓦斯煤岩体力学行为及卸压煤岩体渗透变异特性；研究采厚、层间距、层间结构等变化时卸压煤层应力场、裂隙场分布演化规律；研究卸压煤层变形场、应力场与瓦斯在孔隙内吸附、解吸、扩散和渗流过程的耦合作用机制，建立卸压煤层变形场、应力场与瓦斯运移场固气耦合的动力学模型；探讨采动应力场的变化对卸压瓦斯渗流场的影响，得出煤层群开采卸压瓦斯运移规律及瓦斯汇聚区分布特征，提出卸压煤气共采的理论与方法，研究成果对低透气性富含瓦斯煤层群安全高效开采具有重大理论指导意义。

我国煤层地质条件复杂、煤层渗透性普遍较低，不能完全借用现有开采石油天然气的技术解决低渗透煤层气的开采问题，现有煤层气开采技术还无法满足煤矿安全生产的需求，制约我国低渗透性煤层气高效抽采的核心问题是如何提高煤层的渗透率。本课题以煤层群卸压开采为研究对象，基于实验力学、岩层控制理论、采动岩体力学与渗流力学等理论，研究采动卸压条件下含瓦斯煤岩体力学行为及卸压煤岩体渗透变异特性；研究采厚、层间距、层间结构等变化时卸压煤层应力场、裂隙场分布演化规律；研究卸压煤层变形场、应力场与瓦斯在孔隙内吸附、解吸、扩散和渗流过程的耦合作用机制；分析采动应力场的变化对卸压瓦斯渗流场的影响，探讨煤层群开采卸压瓦斯运移规律及瓦斯汇聚区分布特征。研究结果表明：（1）岩石破裂后的渗透率较完整时大数个量级；峰前煤岩的气体渗透率与围压近似呈线性关系；在峰后卸载阶段，岩石裂隙的张开度和联通程度随变形扩展而逐渐提高，连通性较好的裂隙渗流通道发育形成，从而使渗透能力达到峰值；围压对岩石的气体渗透率有很大的影响，峰后岩石在低围压状态下时，气体渗透率出现一个较明显的转折点，一般在0.5~1MPa之间。（2）建立了适合我国煤层低渗透性、非线性渗流特点的耦合动力学模型，考虑了煤层瓦斯渗流的非Darcy流特点，引入非Darcy流β因子和加速度系数来描述，更有效地揭示了煤层瓦斯运移规律的客观本质。（3）保护层的开采引起了被卸压煤层的位移及应力重新分布，被卸压煤层中水平位移的变化导致煤体中裂隙处于扩张或密合的动态变化之中，不可避免的产生了断裂裂隙，尤其在开切眼和停采线附近区域顶板裂隙明显发育，由于卸压导致了上覆煤层的膨胀变形，增加了其透气性，从而可以实现煤层气卸压抽采。（4）岩层移动的动态过程受控于关键层的破断运动。无主关键层时，被卸压煤层变形沿走向分为压缩变形区、卸压膨胀变形区、卸压膨胀变形稳定区、卸压膨胀变形区和压缩变形区。位于主关键层上方的卸压煤层移动变形不明显，采动形成的弯曲下沉带不明显，离层裂隙发育至主关键层下方，上覆煤层卸压不充分。将煤层气卸压开采的基本原理运用到工程实践，初步建立了适合淮南矿区的煤与卸压煤层气共采模式。工程应用表明，煤层气卸压开采，安全生产、技术经济、环境社会等效益十分显著。