煤体注水渗流模型构建及微观主控影响规律

摘要

煤层注水技术是目前矿井除尘的主要技术手段之一，起到润湿煤体、源头减尘的作用.但随着开采深度的增加，煤体孔隙率相对较低，极大影响煤层注水的润湿效果.因此，为了提高煤层注水的效果，结合煤体固有属性、孔隙尺度等影响因素，首先，引入连通孔隙率，建立了包含孔喉、等效孔径、有效孔隙率、毛细管束、迂曲度、流动路径在内的渗流模型；其次，采用高精度射线显微镜（μ-CT）对内蒙古煤矿、同富新煤矿、梅花井煤矿、大黄山煤矿以及磁窖沟煤矿5个煤矿的不同变质程度煤进行扫描，三维重建可视化煤体微观有效孔隙结构，运用分形理论，提取煤体有效连通孔隙结构参数进行计算；再次，通过实验对5个煤矿不同变质程度的煤进行渗透率实测；最后，引入“敏感度”来表征每种影响因素对渗流量的影响程度，运用Morris筛选法，将数值分析法与渗流模型相耦合，定量筛选了煤体坚固性系数、迂曲度分形维数、有效孔隙率、体积分形维数、孔喉半径等主控因素，并分析了各主控因素对注水能力的影响规律.本研究建立了一个综合煤体坚固性系数、迂曲度分形维数、有效孔隙率、体积分形维数和孔喉半径的渗流模型.分析表明，影响注水能力的主控因素依次为煤体坚固性系数、迂曲度分形维数、有效孔隙率、体积分形维数和孔喉半径.注水能力与煤体坚固性系数呈正弦函数关系，随着有效孔隙率的增加，迂曲度分形维数和体积分形维数的减小，注水能力增强.研究结果可为进一步完善煤层注水渗流理论、增强煤层注水润湿效果，防治矿井粉尘灾害提供理论依据.

关键词

煤层注水 / 有效连通孔隙 / 渗流模型 / 主控因素 / 计算机断层扫描

基金资助

国家自然科学基金面上资助项目（52174194）