固相粒子封堵含瓦斯煤（岩）裂隙的機理及套用基礎

《固相粒子封堵含瓦斯煤（岩）裂隙的機理及套用基礎》是依託中國礦業大學，由周福寶擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：固相粒子封堵含瓦斯煤（岩）裂隙的機理及套用基礎
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：周福寶
• 依託單位：中國礦業大學

項目摘要

瓦斯抽采是防治煤礦瓦斯災害的根本性措施，然而鑽孔瓦斯抽採過程中煤（岩）裂隙發育、增加導致瓦斯抽采濃度降低，難以取得預期抽采效果。針對該技術難題，申請者首次提出了二次封孔技術，即採用多種微細粉料組成的固相粒子封堵鑽孔周邊煤（岩）漏風裂隙，以實現瓦斯的可持續抽采。該技術在國內多個煤礦進行了試驗，取得了一定效果，然而，對固相粒子在煤（岩）裂隙中的輸運、沉積和封堵特性還不甚清楚。本項目通過實驗室模擬分析和現場考察，研究瓦斯抽採過程中鑽孔周邊含瓦斯煤（岩）裂隙的時空演化特性，籍此，通過理論分析、CFD數值模擬、二次封孔模擬試驗和現場工業性試驗等手段揭示固相粒子在煤（岩）裂隙中輸運、沉積和封堵特性，並確定固相粒子的最佳組分、配比以及二次封孔技術的關鍵工藝參數。研究成果為該技術的推廣套用提供理論依據，為實現我國煤礦瓦斯的可持續抽采提供科學支撐。

結題摘要

本項目以顆粒密封瓦斯抽采鑽孔漏風裂隙提高瓦斯濃度為背景，開展了瓦斯抽采鑽孔周邊裂隙場分布演化特性、含瓦斯采動煤岩體滲流特性、瓦斯抽采鑽孔漏風的固-氣耦合作用機制以及顆粒在裂隙中的氣固兩相流動特性等方面研究，為工程技術的科學套用提供理論與技術基礎。研究成果發表學術論文13篇（SCI 8篇，EI 1篇），研究成果入選2014年度“中國精品科技期刊頂尖學術論文”;申請/授權發明專利9件（授權7件）、軟體著作權1件;獲得省部級一等獎1項，二等獎2項，2015年固相顆粒密封鑽孔漏風裂隙技術被國家安全生產監督管理總局評價為“安全科技攻關主要突破項目”（安全生產領域共11 項）。具體研究成果如下： (1)瓦斯抽采鑽孔周邊裂隙場分布演化特性 採用原位探測手段，獲得了鑽孔周邊煤岩裂隙形態及尺度特徵；開展了自重應力場下煤岩體破壞全過程的模型試驗，發現鑽孔裂隙區呈“類橄欖球”型分布；建立了采動煤岩體彈塑性損傷本構模型，揭示了不同埋深、圍岩強度作用下鑽孔周邊裂隙場的分布演化的高斯分布特性。 (2) 含瓦斯采動煤岩體滲流特性 採用三軸載入試驗系統，開展了不同瓦斯壓力和圍壓應力耦合下的含瓦斯煤變形破壞試驗，並基於數值模擬定量計算了巷道及鑽孔開挖擾動下的有效應力的演化，將鑽孔周邊區域劃分為滲流區域：完全、過渡、禁止和原岩滲流區。 (3) 瓦斯抽采鑽孔漏風的固-氣耦合作用機制 基於煤的孔隙-裂隙雙重介質特性，系統考慮了瓦斯抽采涉及的煤體變形、基質瓦斯解吸-擴散、裂隙瓦斯-空氣滲流等多場耦合行為，建立了煤層瓦斯抽采工程設計的流-固多場耦合計算模型，定量描述了煤體孔裂隙特性、封孔深度和漏風速率等多參數對瓦斯抽采質量的敏感度，首次從理論層面揭示了瓦斯抽采的低濃度機制，得出了鑽孔周邊裂隙發育特性是影響瓦斯抽采質量的關鍵因素，為瓦斯抽采工程設計提供理論基礎。 (4)顆粒在裂隙中的固-氣兩相流動特性 研發了顆粒封堵裂隙的固-氣耦合模擬實驗平台，確定了裂隙中不同輸送壓力、氣速、顆粒流量及氣固比下裂隙堵塞邊界，建立了顆粒在裂隙中運移的氣固兩相流動的數學模型，確定了氣速、顆粒流量、裂隙角度等對顆粒流動和堵塞效果的影響，揭示了裂隙中顆粒沉積與封堵的時空演化特性，研製了適應井下特殊溫濕環境的微細膨脹粉料，提出了穿層鑽孔顆粒封堵漏風裂隙技術方法與工藝。