含瓦斯煤体孔裂隙内瓦斯-水两相驱替流动特征研究

作     者：李龙 

作者单位：中国矿业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱传杰

授予年度：2022年

学科分类：0819[工学-矿业工程] 081903[工学-安全技术及工程] 08[工学] 

主      题：煤体注水 润湿性 毛细管数 多孔介质 两相驱替 

摘      要：工作面浅孔注水是局部瓦斯快速驱替排放和煤体润湿降尘的重要措施,目前在煤矿得到广泛应用。浅孔注水主要于切眼处的煤体,该区域处于工作面卸压范围内,煤体内裂隙网络发育充分,水分在其中的流动特征对瓦斯驱替和润湿降尘效果具有重要影响。本文利用自制可视化实验平台,研究了煤基质颗粒间水分的宏观扩散流动特征,并通过经典的多孔介质进行模拟验证,分析在不同润湿性的煤样中毛细管力的作用及影响。此外,通过多孔介质模型模拟在经过水力措施后的煤层进行瓦斯抽采时,瓦斯-水在微孔隙中的流动模式、形态特征和驱替效率。主要研究结论如下:在亲水性煤样中时,驱替气液界面前沿为平整的稳定推进;在憎水性煤样中,前沿为“树枝状的分叉形状,水以较细的触手形式提前于整体气液界面向前发展,水的发展会朝向四周扩展。延伸出的水流沿着孔隙横向发展然后逐渐与邻近的水相联通闭合,形成了封闭的瓦斯气泡,憎水性的煤样润湿程度相比于亲水性的煤样不够充分。煤样为憎水性时的整体润湿速度大于亲水性煤样的润湿速度。在亲水性煤样中,孔隙的大小对煤体润湿速度影响不大;在憎水性煤样中,大孔隙中的润湿速度大于小孔隙煤样中的润湿速度。重力在各种煤样、大小孔隙中的煤体注水速度的影响非常小。瓦斯-水在多孔介质中的流动中,流体流动模式随着毛细管数的增大从指进模式转向稳定置换,粘性力逐渐在流动过程占据主导地位,瓦斯的饱和度也随着增大。驱替过程稳定后水的饱和度增长的速度基本和CH突破出口时水的饱和度增长的速度基本相等。水的饱和度随着流体粘度比的增大而缓慢降低,粘度比的增大能够显著的降低流体驱替过程稳定后水的饱和度。当流体的粘度比逐渐增大时,CH指进分叉的趋势逐渐减弱。瓦斯-水的驱替模式不因流体密度比的增大而变化。随着密度比的再增大,水的饱和度降低的速度逐渐降低。当壁面为亲水性时,有很明显的指进现象,驱替效率较低,并发现在接触角较小时,指进到达出口时出现了后退收缩的现象;当壁面的润湿性为憎水性时,驱替过程比较稳定。当壁面接触角为45°、60°时,CH的饱和度达到最大时出现了微小的骤然下降又缓慢回升的现象,在接触角为145°时,CH在达到出口时,CH的饱和度出现微小的跃升。壁面接触角的增大导致宏观毛细管力?P的峰值和稳定后的值减小,同时宏观毛细管力?P下降的速度的也随之减小。此论文共有图44幅,表8个,参考文献100篇。