构造煤原煤样制作及渗透性试验研究

为了研究构造煤原煤样的渗透率变化规律及其与型煤煤样的异同,通过改进煤样制作方法,采用在井下取大煤块、实验室加工成型的方法,制取了普氏系数为0.4的构造煤原煤样,并进行了渗透性试验。在改变围压、瓦斯压力等单一条件下,分别研究了不同围压和瓦斯压力对构造煤原煤样渗透性的影响,试验结果与同等围压、瓦斯压力条件下的型煤煤样的试验进行了对比分析。结果表明:在瓦斯压力一定的状态下,2种煤样的瓦斯渗透性都随着围压的增大而减小,型煤的渗透率下降速度大于构造煤原煤样;在围压一定的条件下,瓦斯压力为0.2~0.8 MPa时,受到Klinkenberg效应的影响,构造煤原煤样和型煤煤样的瓦斯渗透性随着瓦斯压力的增大而减小。型煤煤样的渗透率变化规律与构造煤煤样既有相同之处,也有不同之处,在试验中不能完全替代构造煤原煤样。     

两种含瓦斯煤样的渗透性对比试验研究

为了解井下煤层受采动作用的影响时原岩应力升降过程中引起的煤体瓦斯渗透性变化规律,利用MYS-Ⅰ型煤岩样渗透率测试系统,通过改变围压和瓦斯压力的方法,对比研究了成型煤样和原煤样渗透率之间的异同。试验结果表明：成型煤样和原煤样之间的渗透率差别很大,数值上相差在一个数量级左右;在瓦斯压力固定的条件下,原煤样渗透率随围压增大而下降的速度比成型煤样要缓慢;成型煤样和原煤样渗透率随围压和瓦斯压力改变的变化趋势基本相同,在实验室用成型煤样代替原煤样用于渗透性试验是可行的,但只能研究大致的变化规律。     

煤吸附解吸CO2变形特征的试验研究

无商业开采价值的煤层被认为是理想的CO2储存场所,煤吸附解吸CO2的变形特征是煤中CO2封存的重要问题。利用煤体吸附-解吸变形试验系统,在预定压力的CO2气体环境下,对取自赵各庄煤矿9号煤层煤样的轴向应变和径向应变进行了近600 h的观测,研究煤样在不同气体压力下吸附、解吸CO2的变形特征。实验结果显示：煤样吸附/解吸CO2产生的膨胀/收缩变形,煤样吸附变形需要12 h甚至更长时间才能趋于稳定,原煤样品的吸附解吸变形呈各向异性;经历了吸附和解吸CO2的煤样均有不同程度的残余变形,气体压力低于1.5 MPa时残余体积应变低于0.6×10-3,可近似认为煤样吸附解吸变形过程可逆。通过煤样吸附解吸变形实验数据的拟合发现,Langmuir方程可反映煤样吸附解吸CO2变形随气体压力的变化规律。     

构造煤纳米级孔隙对瓦斯吸附能力的影响研究

为研究煤的纳米级(100 nm)孔隙对瓦斯吸附能力的影响,对3种不同煤样的原煤和构造煤孔隙结构进行研究,并建立温度-压力综合吸附模型分析煤体的吸附瓦斯能力。研究结果表明:纳米级孔隙(孔径小于100 nm)是煤对瓦斯吸附强的决定因素,纳米级孔隙微孔的比表面积是影响瓦斯吸附量的主要因素;在相同温度压力下,古汉山矿煤样瓦斯吸附量是薛湖矿煤样和平顶山矿煤样的1.3～1.8倍和1.02～1.2倍;微小孔的孔容与瓦斯吸附量呈现出明显的正相关;通过建立温度-压力模型预测瓦斯吸附量是可行的。     

微米CT扫描尺度下构造煤微裂隙结构特征及其对渗透性的控制

煤中裂隙是煤层气运移的主要通道，是影响和控制煤储层渗透性的直接因素。我国构造煤普遍发育，不同类型构造煤中裂隙特征差异显著，对煤储层渗透性的影响也不一样。因此，对构造煤中裂隙与渗透性的研究十分必要。选取河南平煤十三矿和山西晋城胡底矿中、高煤阶的2种变形程度构造煤，首先利用环氧树脂制作了柱状构造变形煤样品，解决了构造变形煤制样难的问题；其次通过扫描电镜、微米CT扫描结合数字图像处理技术展现了2种构造煤中开度大于15μm裂隙的发育特征、分布规律、形态与结构的差异性；最后基于泊肃叶定律、三轴渗透实验结合CT扫描裂隙结构参数建立了渗透率预测模型，并探讨了裂隙结构对渗透性的控制机理。研究结果表明，在开度>15μm尺度下弱构造变形煤(偏向原生结构煤)多发育形态简单的大裂隙，裂隙连通性与连接强度均较差，而强构造变形煤中微裂隙形态复杂，裂隙的连通性与连接强度均较好，强构造变形煤的裂隙率大于弱构造变形煤。2种构造煤渗透率随有效应力增大均呈负指数下降趋势。煤储层渗透率受多因素综合控制，包括裂隙开度、数量、体积、连通性与连接强度，其中裂隙开度的影响最为显著。在此基础上，综合考虑到这些控制渗透率的因素以及...     

围压循环加卸载作用下含瓦斯煤样渗透特性试验研究

煤与瓦斯突出综合假说明确了地应力、瓦斯及煤的物理力学性质对突出发生所起的主体作用。对比研究采动影响下型煤煤样和原煤煤样的渗透率响应特征,对于揭示两种煤样微细观结构损伤演化规律的异同、明确型煤煤样能否代替原煤煤样开展相关试验研究具有重要意义。以原煤煤样和型煤煤样为研究对象,采用自主研发的三轴煤岩渗透率试验系统,进行围压等幅循环加卸载渗流试验,研究渗透率对应力的响应特征。结果表明,两种煤样渗透率对应力的响应特征总体相似,但存在细节差异。①对于2种煤样,渗透率随围压的增大而减小,随围压的减小而增大,且任一次加载过程的渗透率均大于该次卸载过程的渗透率。②原煤煤样的渗透率在低围压阶段变化程度大,在高围压阶段变化程度小,而型煤煤样的渗透率在整个加卸载过程中几乎呈均等变化。③原煤煤样和型煤煤样的渗透率损害率D_k均随加卸载循环次数的增加和瓦斯压力的增加逐渐减小。④原煤煤样和型煤煤样的裂隙压缩系数c_f整体上随加卸载次数的增加而减小,随瓦斯压力的增加而增大。⑤原煤煤样的渗透率随瓦斯压力的增加而增大,型煤煤样的渗透率随瓦斯压力的增加而减小。用型煤煤样来代替原煤煤样研究含瓦斯煤的渗流特征是可行的,而且在某些特定场合还具有一定的优越性,但同时也应该注意两种煤样渗透率对应力响应特征的细节差异,以及这些细节差异给试验结果的可靠性所带来的影响。     

负压条件下构造煤原煤样瓦斯渗透性实验

利用三轴应力渗流实验装置对坚固性系数为0.3的构造煤原煤煤样进行了加压破坏以及负压条件下含瓦斯构造煤原煤煤样的瓦斯渗透性实验研究。结果表明,坚固性系数为0.3的构造煤原煤样的压裂过程经历了非线性压密阶段、线弹性阶段、应变强化阶段、应力跌落阶段和应变软化阶段等5个阶段。在围压、瓦斯压力一定,同一轴压条件下,加载负压时的煤体瓦斯渗透率要大于不加载负压时的煤体瓦斯渗透率,随着负压增大瓦斯渗透率随之增大。在围压、瓦斯压力一定,同一负压条件下,随着轴压的增大,瓦斯渗透率先逐渐增大到一定峰值后逐渐减小。在围压、负压一定,同一轴压条件下,瓦斯压力越大,煤体的瓦斯渗透率越小。在围压、负压、瓦斯压力一定的条件下,轴压加载到σo值后,开始卸载轴压,随着轴压的卸载煤体瓦斯渗透率逐渐增大,在轴压卸载的初始阶段,渗透率增幅较大;随后在轴压卸载完全的过程中,渗透率的增幅越来越不明显,并且轴压卸载为0时的渗透率要小于煤样试件在加载轴压前的初始渗透率。     

煤孔隙结构构造变形的压汞法和小角X射线散射表征

依托渭北煤田韩城矿区煤样,采用压汞法和小角X射线散射技术(SAXS),结合孔隙分形表征,从分形特征的角度探讨了构造变形对煤孔隙结构的影响程度。结果表明,煤的孔隙分形维数定量表征了构造煤孔隙结构的差异性变化及其非均质性。强构造变形煤具有较高的渗流孔分形维数(DHg),孔隙结构及表面非均质性较高,而渗透率较低,说明强烈构造变形所导致的复杂孔隙结构是构造煤储层低渗透的原因之一。吸附孔孔隙表面分形维数(DSAXS)随着构造变形的增强而增大,表明变形作用造成煤孔隙表面结构在微观上变得复杂。研究认为,分形维数可以指示煤中孔隙结构的构造变形程度。     

煤的溶剂萃取物成分及对煤吸附甲烷特性影响

煤中有机小分子相是煤的重要组成部分，为分析其对煤吸附甲烷的影响，在常压下（50 ℃），采用正己烷对张集和大柳塔煤样分别进行微波辅助萃取，得到萃取后煤样（残煤）和萃取物。采用GC/MS分析萃取物成分，并依此选取柴油作为正己烷萃取物的模型物，配置含柴油煤样（简称含油煤），开展了原煤、残煤和含油煤的甲烷等温吸附实验。研究结果表明：原煤和残煤吸附瓦斯在低压阶段差异不大，随着压力的增大，原煤吸附甲烷量逐渐高于残煤；含油煤则不同，压力较大时，同一压力段的瓦斯吸附增量高于原煤和残煤，低压时吸附甲烷量虽小于原煤和残煤，但随着压力的增大，最终吸附甲烷量略高于原煤。用Langmuir和Langmuir-Henry二元吸附模型对等温吸附数据进行拟合，得出煤吸附甲烷可分为2个过程，低压阶段主要为符合Langmuir模型的煤基质表面吸附，高压阶段主要为符合Henry模型的渗入煤基质的内部（孔隙、内表面）吸附；且煤中有机小分子有助于提高煤高压阶段的甲烷吸附量。     

瓦斯压力对卸荷原煤力学及渗透特性的影响

运用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置,以原煤煤样作为研究对象,在不同瓦斯压力条件下对含瓦斯煤进行了固定轴向应力的卸围压瓦斯渗流试验,研究卸围压过程中瓦斯压力对煤体的力学及渗透特性的影响。研究结果表明：开始卸围压后,煤体出现明显的扩容现象,径向发生明显膨胀应变,煤体中的渗流通道张开,煤体中瓦斯的渗流速率随之加快;随着瓦斯压力的升高,解除单位围压后煤样产生的变形变大,渗流速率升高的速率也随之增大;瓦斯压力越高,煤样从开始卸围压起至破坏的时间越短,即煤体强度越低;在卸围压初始阶段,煤样变形模量变化不大,在进入屈服阶段和失稳破坏阶段后,煤样的变形模量减小的速率开始明显加快。从煤样开始卸围压至破坏之前,煤样的变形模量下降了3.71%~7.45%;煤样的泊松比逐渐增大,围压与泊松比的对应具有较为明显的幂函数关系。     

西南地区构造煤吸附解吸特性研究

在系统采集西南地区典型矿井构造煤样的基础上,通过等温吸附解吸实验,探讨了不同变质变形条件下构造煤瓦斯特性。中高变质作用阶段,变质程度对瓦斯吸附的影响作用大于变形强度,无论变形强弱,低变质煤的吸附量均低于中高变质煤;在低阶煤阶段,影响甲烷吸附量的主控因素则为构造煤变形强度。解吸较好的样品主要为高变质或高变形构造煤,瓦斯解吸量和解吸应力敏感性符合文特式。瓦斯解吸初期应力敏感性强弱为:高变质弱变形煤中变质煤及高变质强变形煤低变质煤。     

考虑气体压力的三轴煤与瓦斯突出模拟实验

为了深入探索煤与瓦斯突出演化规律及其孕灾机理,利用自主研发的基于气体驱动多场煤与瓦斯突出试验系统,进行了原煤在不同气体压力和不同应力条件下的煤与瓦斯突出试验,研究了煤样在突出后的损伤破坏特征。得到如下结论:煤样的突出破坏强度随气体压力的增大而增大,特别是气体压力超过临界值2.2 MPa时,会产生喷出煤粉的强烈突出现象;原煤突出后不仅有粉化的煤粉,还有大颗粒的煤和小煤块,从而出现封堵突出口、抑制突出的现象;在煤样没有发生喷出煤粉的强烈突出时,随着轴压或围压的增大,煤样突出破坏强度有减小的趋势;通过分析突出口气体压力的演化规律,可预判煤样突出破坏的程度。     

高压水载荷下两种原煤样破碎过程及水压临界条件实验研究

采用"二次成形法"成功地制作了硬煤及构造软煤原煤煤样试件;使用自行设计的"高压水载荷下含瓦斯原煤破碎过程模拟实验装置"对煤样的破裂过程进行了研究。结果表明:高压水作用下,硬煤样试件发生脆性变形,经历"起裂-多次压裂-完全破裂"的破坏过程。最终试件被完全压裂。内部裂隙得到充分扩张、衍生,形成贯通裂隙网;而软煤样试件内部发生塑性变形,经历"起裂-压实-闭合"破坏的过程,后期试件在高压水作用下被完全压实,裂隙得不到充分贯通与延展。     

基于气体驱动煤与瓦斯突出试验系统的研制与应用

为进一步研究气体驱动对构造带发生煤与瓦斯突出的影响规律及其孕灾机理,自主研发了“基于气体驱动的多场煤与瓦斯突出试验系统”,其主要由加载系统、三轴压力室、快速泄压系统、温控系统、数据采集系统、声发射监测系统、辅助系统等组成。该试验系统主要功能:① 可进行不同温度、不同瓦斯压力下标准型煤和原煤试样的煤与瓦斯突出试验;② 能进行不同尺寸煤样的突出试验,并能采用不同尺寸的突出口,控制突出强度;③ 将声发射探头安装在三轴室的压头内,使探头与试验系统一体化;④ 可通过次压力室的透明结构观察突出全过程;⑤ 试验系统含有多级压力室,改变突出口外部的气体压力,诱发延时突出。试验结果表明:气体压力对煤样有较明显的粉化作用,原煤煤样的突出现象更接近现场实际,突出后不仅存在粉化的煤粉,还有大量的大颗粒煤粉和小煤块,从而出现封堵突出口、抑制突出的现象。     

煤粒瓦斯初始扩散系数及其影响因素

通过扩散实验对平煤八矿、鹤壁六矿原生结构煤/构造煤煤样进行研究分析,利用实验数据,并结合动扩散系数新模型,分别计算出0.5、1.0、1.5 MPa 3个吸附平衡压力下的初始扩散系数D_0,经过比较分析,初步探讨了不同煤体结构、不同变质程度、不同粒径在不同吸附平衡压力下对煤样的D_0的影响规律:整体上来看,构造煤初始扩散系数D_0比原生结构煤要大;在构造煤的对比中,鹤壁贫瘦煤煤样的初始扩散系数小于平顶山肥煤煤样的初始扩散系数,而在原生结构煤的对比中,扩散系数的大小关系整体上呈现相反的规律;随着压力的变化,构造煤粒径为0.5~1.0 mm的煤样的初始扩散系数D_0明显大于粒径为0.25~0.5 mm的煤样,原生结构煤2种粒径煤样的D_0大小对比结果整体上呈现出相似规律。     

煤吸附解吸甲烷细观结构变形试验研究

利用扫描电镜与CT扫描相结合的方法,通过对直径为8.5 mm的细观煤样进行不同压力下的吸附解吸甲烷试验,研究其内部细观结构的变形规律。研究表明,煤样是煤基质中含有少量黏土矿物质的天然非均质岩体;吸附解吸甲烷过程中,煤的细观结构变形分为膨胀变形(密度减小)与挤压变形(密度增大)。低吸附压力下,含黏土矿物质区域急剧膨胀,对邻近煤基质形成局部挤压,细观变形程度明显,压力升高后膨胀变形增强,挤压变形减弱;不含黏土矿物质的煤基质区域变形程度较低,近似于均匀变形。解吸后,煤不同区域的变形恢复能力与其非均匀程度有关,非均匀性越强,其变形恢复能力越差。     

构造变形对煤孔隙发育特征影响的研究

为了研究构造变形作用对煤孔隙发育程度和结构特征的影响,采用压汞法对不同构造变形程度的煤样进行了试验,分析煤的孔容、孔隙度、中值孔径、退汞效率、饱和度中值压力以及孔径分布和孔隙形态特点。通过对不同构造变形程度的煤进行相互对比,以及与原生结构煤对比分析。试验结果表明:随着构造变形程度加深,煤的总孔容、孔隙度、中值孔径逐渐增大,而退汞效率和饱和度中值压力逐渐减小;中孔和大孔增多,而微孔和过渡孔没有明显变化;微孔占比降低,中孔所占比升高,过渡孔和大孔占比变化不明显;开放孔逐渐增多,半封闭孔减少。     

气体压力对软煤钻孔周围煤体应力及变形的影响实验研究

为了研究不同气体压力对软煤钻孔周围煤体应力及变形的影响,通过采集煤样、压煤成型、布设压电膜、钻孔实施及窥探等实验步骤,分析不同充气压力条件下钻孔周围应力变化及钻孔内部破坏变形情况及规律,得出随着充气压力的增大,钻孔周围应力集中逐渐向外围迁移,卸压带范围逐渐扩大;其中,在未充入气体时,实验钻孔周围卸压带约22 mm,在0.9 MPa气体压力作用下,其卸压范围增大到约60 mm;随着充气压力的增加钻孔内壁的破坏变形逐渐加剧。     

基于数字图像重构的含瓦斯煤失稳模拟研究

为研究瓦斯压力下煤变形破坏过程及塑性区扩展规律,降低煤与瓦斯突出灾害风险,确保煤矿安全生产。通过基于数字图像重构技术,采用FLAC3D有限差分软件,对无侧限压缩下煤样失稳破坏过程进行数值模拟,分析了瓦斯压力对煤峰值强度和破坏形态的影响。研究结果表明:无瓦斯煤样以剪切破坏为主,存在一个贯穿整个模型的主剪切破坏面;煤的失稳破坏是外部荷载及内部瓦斯压力共同作用的结果,含瓦斯煤样存在2种破坏形式,即在剪切破坏的基础上增加了拉伸破坏;含瓦斯煤样的峰值强度和峰值点应变随瓦斯压力的增大而减小,呈线性关系。结合数字图像重构技术与有限元程序,可建立反映煤真实结构的数值模型,为研究煤岩的非均质性对其力学特性的影响提供了一种有效手段。     

煤与瓦斯突出模拟试验系统的设计

煤与瓦斯突出的主要驱动因素包括瓦斯压力和地应力。为对瓦斯压力与地应力的控制效应进行研究,设计了煤与瓦斯突出模拟试验系统,包括单瓦斯压力试验机和瓦斯压力、地应力综合试验机。该试验系统可对煤样施加2MPa的瓦斯压力和40MPa的地应力,与已有的煤与瓦斯突出模拟试验系统相比,其技术特点是可控性强、加载能力高,采用数据记录和图像记录同步的方法,实验结果更准确。