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近几年来煤层气的开发利用逐年增长,对煤层气的合理抽采不仅有利于防止瓦斯爆炸等煤矿灾害,还能改善大气环境,优化我国能源结构,但目前对煤层气的抽采机理并不十分明确。因此,系统开展应力、温度、气体吸附性等因素对含瓦斯煤的变形与渗透特性的影响研究可对探讨煤层气抽采机理及合理制定煤层气抽采方案提供依据。 本文以重庆松藻煤矿K2煤层制作的型煤煤样作为研究对象,利用自行研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服实验装置,进行了不同应力、不同温度、不同吸附性气体条件下,在降低气体压力过程中的含瓦斯煤渗透率以及变形测试试验,系统地研究了应力、温度、气体吸附性对含瓦斯煤样变形及渗透特性的影响规律。通过本文研究,取得了以下研究成果: 1)研究了降气体压力过程中含瓦斯煤变形与渗透率的演化规律,结果表明:在应力为6MPa、温度为30℃条件下,含瓦斯煤轴向应变与径向应变均随气体压力的降低呈线性增大趋势,且变化程度相近。含瓦斯煤渗透率随气体压力的降低先缓慢下降,到气体压力降低到1.2MPa左右时,渗透率呈增长趋势。含瓦斯煤渗透率随气体压力变化初始阶段与其径向应变的变化具有很好的对应关系。 2)研究了不同应力条件下,含瓦斯煤在降气体压力过程中的变形与渗透率演化规律,结果表明:各应力条件下含瓦斯煤应变与渗透率随气体压力的变化趋势基本相同。应力越大,含瓦斯煤渗透率随气体压力变化初始阶段的降低量越小;气体压力恒定时,应力越大含瓦斯煤渗透率越小。渗透率随应力的变化与应变随应力的变化具有相同的对应关系。 3)研究了不同温度条件下,含瓦斯煤在降气体压力过程中的变形与渗透率演化规律,结果表明:温度越高,含瓦斯煤径向应变随气体压力的变化梯度越小;气体压力恒定时,轴向应变随温度的升高先略有减小后逐渐增大,径向应变随温度的升高逐渐往负值方向发展。温度越高,含瓦斯煤渗透率随气体压力变化初始阶段的降低量越小;气体压力恒定时,含瓦斯煤渗透率随温度的升高呈现先减小后增大的趋势,在试验条件下温度为40℃左右时出现拐点值。渗透率随温度的变化与应变随温度的变化具有相同的对应关系。 4)研究了不同吸附性气体(He、CH4与CO2)条件下,含瓦斯煤在降气体压力过程中的变形与渗透率演化规律,结果表明:温度一定时,气体吸附性越大,下降单位气体压力导致的煤样变形越大;采用He作为试验用气体,在环境温度为30℃与50℃时煤样渗透率随气体压力的下降略呈减小趋势,但变化不明显;70℃由于热膨胀作用煤样渗透率随气体压力的下降初始时变化不明显后随气体压力的下降而升高。采用CO2作为试验用气体时煤样渗透率的变化趋势与相应条件下充入CH4时的变化规律一致,变化程度有所差异。 5)通过对比分析充入不同吸附性气体时煤样径向应变与渗透率的关系可知,气体压力下降时,气体解吸作用首先会引起煤样压缩变形量的增大导致渗透率降低,当气体压力下降到一定程度后随解吸效果的增强,发生基质收缩效应,渗透率增大。