[發明專利]一種負壓抽采條件下的煤層瓦斯徑向流動模擬設備及方法

在審

• 申請號: 202310026717.2
• 申請日: 2023-01-09
• 公開（公告）號: CN115931629A
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 溫志輝;魏建平;曹建波;劉勇;李治理;時歌聲;苑志紅;張宏圖;王登科;張健
• 申請（專利權）人: 河南理工大學
• 主分類號: G01N7/14
• 分類號: G01N7/14;G01N15/08
• 代理公司: 蘇州拓鴻知識產權代理有限公司 32664
• 代理人: 王維民

本發明公開了一種負壓抽采條件下的煤層瓦斯徑向流動模擬設備及方法，涉及瓦斯徑向流動模擬測試技術領域，其中，利用軸壓及圍壓加載系統為第一煤樣夾持器、第二煤樣夾持器、第三煤樣夾持器以及第四煤樣夾持器分別加載軸壓和圍壓，分別模擬抽采鉆孔周圍不同應力狀態下的煤體；之后利用抽氣系統為第一煤樣夾持器、第二煤樣夾持器、第三煤樣夾持器以及第四煤樣夾持器中的煤樣進行抽真空處理；另外，通過注氣系統向煤樣中注入瓦斯氣體；并且為第一煤樣夾持器、第二煤樣夾持器、第三煤樣夾持器以及第四煤樣夾持器中的煤樣提供負壓，實現負壓抽采條件下鉆孔周圍不同應力狀態煤體的瓦斯徑向流動模擬測試。

技術領域

本發明涉及瓦斯徑向流動模擬測試技術領域，具體是一種負壓抽采條件下的煤層瓦斯徑向流動模擬設備及方法。

背景技術

煤層瓦斯(煤層氣)是制約煤炭安全開采的關鍵因素，隨著全國煤礦開采以每年10～20m的速度向深部延深，深部煤層的瓦斯壓力和瓦斯含量逐漸增加，導致高瓦斯與煤與瓦斯突出礦井日益增多，并且深部煤層的突出危險性也越來越大。目前，煤層瓦斯抽采是治理瓦斯和防治突出的最有效方法和途徑。從能源開發利用角度，煤層瓦斯是一種清潔的非常規資源，其抽采利用對保障煤礦安全生產、國家能源安全和改善環境質量均具有重要意義；尤其是煤層瓦斯的驅替抽采的相關研究成果，即可以指導和實現煤層瓦斯抽采工程的增產，也可以實現不可采煤層的溫室氣體的埋藏和封存。

自周世寧院士提出“煤層瓦斯的徑向非穩定流動理論”以來，大量的學者以周院士的瓦斯徑向流動方程為核心，圍繞深部煤層的瓦斯滲流、瓦斯的抽采參數(鉆孔的密封參數和有效抽采半徑等)的模擬計算開展了大量的研究，尤其是在煤層瓦斯非線性滲流理論和模型、瓦斯抽采參數的測定和模擬計算、煤層瓦斯流動的數值解算等方面進行了廣泛的研究，取得了大量的有益的研究成果，較好的表征和指導了礦井的瓦斯抽采和治理工作；但這些模擬計算均是在瓦斯徑向非線性滲流方程的基礎上采用數值模擬計算的方法得出近似的解析解，得到鉆孔周圍瓦斯徑向流場的瓦斯壓力分布表達式，近似的反應徑向流場的瓦斯壓力分布規律，截止目前，尚未開展負壓抽采條件下受載煤層瓦斯徑向流動規律的相似模擬實驗研究。

同時，以往的受載煤樣的瓦斯吸附解吸實驗、煤樣的瓦斯滲透性實驗，均是采用煤屑或小尺寸的標準原煤(型煤)為研究對象開展的，事實上實驗的結果受煤樣尺寸及其本身性質的影響較大，很難真實反映煤層的瓦斯解吸滲流規律，尤其是在負壓抽采的條件下，煤層中的瓦斯擴散、解吸、滲流特性將更加復雜；因此，大量學者只好以瓦斯徑向流動方程，以達西定律和質量守恒定律為理論前提建立瓦斯運動的滲流方程，借助COMSOL等數值模擬軟件進行瓦斯滲流方程的模擬計算，驗證煤層瓦斯流場及其流動規律的正確性。

通過以上的分析可以看出，雖然周世寧院士的瓦斯徑向滲流方程能較好的表征煤層的瓦斯流動規律，并且在相關的數值模擬計算軟件和計算方法的幫助下可以得到形式簡單的近似解析解，能夠快速求解出鉆孔周圍的瓦斯壓力分布特征及瓦斯流動規律，但是這些與模擬計算的假設條件、煤層本身的物理參數、數值模擬的計算算法等相關參數的選擇關系很大，有些時候進行相關的數值模擬驗證尚可，事實上并不能真實反映負壓抽采條件下煤層的瓦斯解吸滲流規律。

為此，通過負壓抽采條件下的煤層瓦斯徑向流動模擬設備的測試分析達到以下研究目的：

(1)受載煤體抽采鉆孔周圍瓦斯徑向流動特性

該設備可以模擬測試抽采鉆孔不同應力分布區域的瓦斯徑向流動參數及特征；可以模擬測試不同抽采負壓下煤層瓦斯徑向流動參數及特征；可以測試模擬不同軸壓/圍壓卸載階段受載煤樣瓦斯解吸滲流參數及特征；

(2)受載煤體注氣驅替滲流規律演化規律

可以模擬測試不同注氣驅替條件下受載煤樣的瓦斯滲流參數及特征，實現受載煤樣負壓抽采條件下的煤層瓦斯徑向流動特征及注氣驅替滲流參數的全面模擬測試；

(3)煤層瓦斯抽采調控方法的測試分析