论文中文题名: | 煤矿关闭采空区组合盖层封闭CO2能力及安全封存潜力研究 |
姓名: | |
学号: | 21220226059 |
保密级别: | 保密(1年后开放) |
论文语种: | chi |
学科代码: | 085700 |
学科名称: | 工学 - 资源与环境 |
学生类型: | 硕士 |
学位级别: | 工程硕士 |
学位年度: | 2024 |
培养单位: | 西安科技大学 |
院系: | |
专业: | |
研究方向: | 煤系CO2地质安全封存 |
第一导师姓名: | |
第一导师单位: | |
论文提交日期: | 2024-06-17 |
论文答辩日期: | 2024-06-01 |
论文外文题名: | Study on CO2 containment capacity and safe storage potential of closed goaf composite cap in coal mine |
论文中文关键词: | |
论文外文关键词: | Composite cover ; Sealing ability ; Breakthrough pressure ; COMSOL simulation ; Closed aging ; Closed reserves |
论文中文摘要: |
随着我国煤矿关闭采空区的不断增多,利用这些区域进行CO2封存的潜力受到广泛关注,逐渐成为研究热点。确保CO2在煤矿关闭采空区的安全封存,关键在于清晰认识组合盖层的封闭能力及其对安全封存潜力的影响。基于此,本文选择陕西黄陵某矿井作为研究对象,结合地质背景条件,系统研究了不同环境条件下组合盖层的突破压力、流固耦合过程、封闭时效、力学特性与安全封闭储量。本研究取得的主要成果如下: 利用煤岩固气耦合试验系统测定了不同含水饱和度砂岩—全干燥泥岩组合试件在不同轴压条件下的突破压力、突破过程岩体变形量与突破前后岩体渗透率变化。突破压力范围为3.1~4.5MPa,砂岩含水饱和度升高,突破压力显著增加;轴压增加,突破压力整体小幅度增加。在岩体变形损伤方面,受样品非均质性影响,规律性稍弱,岩体变形量与有效应力之间大致呈负相关,不同条件下CO2突破前后岩体渗透率均增大,表明CO2突破盖层岩体过程会对岩体的孔隙结构造成损伤,引起封闭能力下降。整体试验测量结果表明,砂岩层含水饱和度越高,组合盖层封闭能力越强。 基于流固耦合原理,建立非饱和气液两相流固耦合数学模型,并通过COMSOL对岩心尺寸进行模拟,验证与试验结果相吻合。模拟和实验数据比对显示,砂岩与泥岩变形量的平均误差分别为85.653 对不同含水饱和度条件下的完整组合盖层和含裂隙组合盖层的封闭时效与力学响应进行场地级COMSOL模拟研究。模拟结果表明,砂岩层含水饱和度分别为25%、50%、75%和100%时,CO2突破后,完整组合盖层的封闭时效为418年、466年、521年和573年,含裂隙组合盖层的封闭时效为393年、429年、465年和495年。尽管CO2突破过程中对孔隙的改造程度有限,但若在含裂隙盖层中突破,压力会集中在裂隙区域,表明无裂隙组合盖层在封闭时效与风险上均优于含裂隙盖层。 结合案例矿井覆岩裂隙的演化形态进行关闭采空区注CO2数值模拟,以突破压力为安全阈值,研究不同含水饱和度下盖层的安全封闭储量。模拟结果显示,将注入点位布设在冒落带或者遗煤层时较为适宜。砂岩层含水饱和度分别为25%、50%、75%与100%时,在案例关闭采空区内,组合盖层能够实现安全封闭的最大CO2封存储量分别为1050.28t、1182.15t、1281.06t和1907.45t。 本研究全面评估了我国煤矿关闭采空区作为CO2封存场所的可行性和效果,认为煤矿关闭采空区作为潜在的CO2封闭存储库,在确保安全封存的前提下,可以大幅度扩展我国在减排方面的能力。这对于研究关闭采区CO2地质封存,进一步实现低碳排放目标具有重要意义。 |
论文外文摘要: |
With the increasing number of mined-out areas closed in coal mines in China, the potential of using these areas for CO2 sequestration has been widely concerned and has gradually become a research hotspot. The key to ensure the safe storage of CO2 in the closed goaf of coal mine is to clearly understand the sealing ability of the combined cap and its influence on the safe storage potential. Based on this, this paper selects a mine in Huangling, Shaanxi Province as the research object, combined with geological background conditions, systematically studies the breakthrough pressure, fluid-structure coupling process, sealing aging, mechanical characteristics and safe sealing reserves of composite cap under different environmental conditions. The main achievements of this study are as follows: The breakthrough pressure, the deformation of rock mass during the breakthrough process and the permeability of rock mass before and after the breakthrough were measured under different coaxially compressive conditions by the coupled coal-rock gas-solid test system. The breakthrough pressure ranges from 3.1 to 4.5MPa, and the water saturation of sandstone increases, and the breakthrough pressure increases significantly. The axial pressure increases and the overall breakthrough pressure increases slightly. In terms of rock mass deformation damage, the regularity is slightly weak due to sample heterogeneity, and there is roughly a negative correlation between rock mass deformation and effective stress. Under different conditions, rock mass permeability increases before and after CO2 breakthrough, indicating that the process of CO2 breakthrough in the cover rock mass will cause damage to the pore structure of rock mass and lead to decreased sealing ability. The overall test results show that the higher the water saturation of the sandstone layer, the stronger the sealing ability of the composite cap layer. ased on the principle of fluid-solid coupling, a mathematical model of unsaturated gas-liquid two-phase fluid-solid coupling is established, and the core size is simulated by COMSOL. The verification is in agreement with the test results. Comparison of simulation and experimental data shows that the average error of sandstone and mudstone deformation is 85.653 and 59.744, respectively, which verifies the accuracy of the model. Under the condition of homogeneous pore structure, the simulation results show that the deformation amount of rock mass during CO2 breakthrough is negatively correlated with the effective stress, and the permeability increase is significantly positively correlated with the deformation amount. Combined with the numerical simulation results and the test results, the deeper the buried depth of the composite cap, the greater the breakthrough pressure, the smaller the damage degree of rock mass, and the better the sealing ability. The sealing aging and mechanical response of intact composite cap and fractured composite cap under different water saturation conditions were studied by COMSOL simulation at site level. The simulation results show that when the water saturation of the sandstone layer is 25%, 50%, 75% and 100% respectively, the sealing aging of the complete composite cap is 418 years, 466 years, 521 years and 573 years after CO2 breakthrough, and the sealing aging of the fractured composite cap is 393 years, 429 years, 465 years and 495 years. Although the degree of pore reconstruction during CO2 breakthrough is limited, if CO2 breakthrough occurs in the fissure cap, the pressure will concentrate in the fissure region, indicating that the non-fissure combined cap is superior to the fissure cap in terms of sealing aging and risk. Taking the breakthrough pressure as the safety threshold, the numerical simulation of CO2 injection in the closed goaf is carried out to study the safe closed reserves of the cap under different water saturation. The simulation results show that it is more suitable to place the injection point in the fall zone or the lost coal seam. When the water saturation of the sandstone layer is 25%, 50%, 75% and 100% respectively, the maximum CO2 storage reserves that can be safely sealed in the case of closed gob are 1050.28t, 1182.15t, 1281.06t and 1907.45t, respectively. This study comprehensively evaluates the feasibility and effect of closing gob of coal mine as a CO2 storage place in China, and believes that closing gob of coal mine as a potential CO2 storage can greatly expand China's capacity in emission reduction under the premise of ensuring safe storage. This is of great significance for the study of CO2 geological storage in closed mining areas and the further realization of low carbon emission targets. |
参考文献: |
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中图分类号: | TD711;X701.7 |
开放日期: | 2025-06-18 |