孔隙压力与水分综合作用的煤岩渗透率演化规律

为探究孔隙压力与水分变化引起的煤基质压缩体积变化及其对煤岩渗透率的影响规律,采用液氮吸附实验和压汞实验结合的方法计算煤基质压缩系数,并分析煤岩孔隙结构特征.开展不同含水率条件下孔隙压力升高的煤岩渗流实验,构建考虑水分和孔隙压力综合作用的渗透率模型,体现煤岩孔隙结构和瓦斯渗流的关联性.结果表明:煤基质压缩系数可使煤岩压缩体积变化量化,而且煤岩渗透率与孔隙压力呈指数函数关系.孔隙压力恒定时,渗透率随含水率的增大而减小.对比分析渗透率模型计算的压缩系数与孔隙结构实验计算值,说明孔隙结构对煤岩吸附及渗透特性有控制作用.     

块煤的孔隙特征及其影响因素

根据47个煤样的压汞实验、扫描电子显微镜观测,以及显微煤岩组份定量等手段,作者首次系统地研究了块煤的孔隙特征。研究表明:煤的孔隙特征主要取决于煤化程度、显微煤岩组份、矿物质含量和断裂破坏强度。该项研究对于探讨煤层甲烷开发、煤的地下气化以及煤与瓦斯突出具有重要意义。     

南桐矿区煤层孔隙特征研究

采用扫描电镜，压汞法和氮吸附法系统研究了南桐矿区不同煤层及同一煤层不同破坏程度分层的孔隙特征，通过扫描电镜研究将煤的孔隙类型为分六种，运用压汞法和氮吸附法研究了煤的孔径分布及孔隙结构与煤的破坏程度，煤岩组成，显微结构和煤的变质程度之间的关系，取得了一些新认识，最后还对煤层的突出倾向及瓦斯抽放的难易程度进行了初步评价。     

煤岩孔隙结构特征及其对储层损害的影响

煤岩特殊的孔隙结构及甲烷赋存和产出方式决定了其损害机理与常规储层存在明显差异。在此六盘水地区亦资孔盆地二叠系煤岩气藏为对象，应用压汞和扫描电镜等手段，研究煤岩储层孔隙类型和孔隙结构特征，结合煤岩学、敏感性及工作液损害评价实验，探讨了煤岩气层损害机理。研究表明，煤岩中常见模特组织孔和气孔，裂缝发育，属双重孔隙介质，表现出很强的应力敏感性。工作液易通过天然裂缝系统侵入煤层中，导致裂缝内的固相沉积、水相圈闭和高分子处理剂吸附滞留损害。     

煤与瓦斯突出微观机理探索研究

为进一步研究煤孔隙结构对煤与瓦斯突出的影响,采用低温CO2吸附法、低温N2吸附法、压汞法以及小角X射线散射(SAXS)等方法,对8种不同瓦斯赋存条件下煤样全孔径(0.35～11 000 nm)分布进行了测试和综合表征.结果表明:煤样的开孔纳米孔隙(直径≤100 nm)占总孔容最高达92.7％,比表面积占总比表面积98％...     

煤储层孔、裂隙系统分形研究

对煤层、煤样进行了宏观裂隙及显微裂隙的连续系统观测、统计,计算了煤中各级别裂隙的面密度维数;根据压汞法测出的煤中不同孔径段的连续比孔容数据,计算了煤中孔隙体积的分形维数。分析了分形九与煤层的孔、裂隙发育程度和煤变质程度的关系。为评革层气的吸附与解吸、扩散与渗流、煤与瓦斯突出预测及煤层有效渗透率估算提供了一种更加精确的方法。     

常规三轴压力下含瓦斯煤蠕变–渗流演化规律

在瓦斯抽采、煤层气开采及煤与瓦斯突出过程中,煤岩蠕变引起岩体变形会对瓦斯渗流产生影响。为研究含瓦斯煤蠕变–渗流的演化规律,得到蠕变–渗流的耦合关系,作者进行了不同瓦斯压力下分级加载轴压时煤体常规三轴蠕变–渗流试验。试验结果发现:轴向应变呈梯度增大,直至煤样破坏;期间,煤体内部瓦斯渗透率呈先减小后增大的趋势。这表明煤样蠕变过程中煤体内部孔隙或微裂隙发生了两次变化:前期蠕变过程中,孔隙或微裂隙压密,瓦斯流通受阻渗透率减小;当应变超过一定阈值时,煤体骨架发生变化,孔隙或微裂隙出现增生或扩展,瓦斯通道贯通渗透率增大。此外,由试验结果可知,煤岩发生失稳破坏时,必须具备应力超过长期强度、应变超过应变阈值两个条件。这一结论为煤岩失稳破坏提供了一条新的思路。进而,为进一步研究蠕变变形和渗透率的关系,基于Kozeny-Carman公式进行合理地假设及推导,得到应变与渗透率的数学关系式。最后,利用蠕变–渗流试验数据验证时,发现应变–渗透率公式能很好地反映蠕变–渗流过程中的耦合规律。结论能为应力场–裂隙场–渗流场耦合研究提供一定的参考价值。     

新集一矿孔隙结构特征研究

为进一步了解新集一矿煤层孔隙结构特征,通过压汞法和低温氮等温吸附法实验手段对新集一矿主采煤层孔隙发育特征进行研究。发现新集一矿主采煤层孔隙度较比两淮矿区其他地区高。其中以8煤层8XJ5号样为代表孔隙分布以小孔最发育,大孔较发育,中孔少见为特征和以13-1煤层13XJ10号样为代表孔隙分布以小孔最发育为特征的基质孔,孔隙之间的连通差,不利于瓦斯的抽排;以11-2煤层11XJ3号样和6-1煤层6XJ15号样为代表中孔发育,孔隙以裂隙性为主,孔隙之间的连通较好,有利于瓦斯的运移。     

不同冲击荷载下煤的孔隙结构变化规律研究

为研究冲击载荷作用下煤微观结构变化规律,采用低温液氮吸附实验对不同冲击荷载作用下王河煤矿煤样进行了试验研究,分析受不同冲击载荷作用下煤样的微观孔隙结构变化规律。结果表明:不同冲击载荷作用下煤样的微观孔隙结构会发生显著变化。当冲击载荷为68.21 MPa时,煤样部分中孔遭到破坏,煤样总孔容减小,微孔比表面积增加显著;当冲击荷载增加到120.64 MPa时,由于细颈瓶形状的微孔在冲击载荷作用下破坏,微孔比表面积所占比例明显减小,煤样孔容呈进一步减小趋势;可以认为在冲击载荷作用下,煤样微观结构从微孔向小孔、小孔向中孔及大孔转化,液氮吸附量持续减小。研究成果表明煤受外界冲击载荷作用会由于煤微观结构的变化进而影响煤瓦斯的赋存,煤开放孔的增加有利于煤矿瓦斯的抽放,对煤矿石门揭煤和煤松动爆破参数设计具有实用参考意义。     

构造煤的孔隙特征——河北下花园矿Ⅰ3及Ⅲ3煤层分析

依据压汞及低温氮吸附试验的结果,对下花园矿构造煤的孔隙进行了详细分析,探讨了该矿构造煤在比表面积、孔隙体积及孔径分布等方面的特点,说明了Ⅲ３及Ⅰ３煤层在压汞曲线形态上的差别,并依据吸附与凝聚的理论,分析了煤中不同形状的孔主附回线的影响;对下花园矿煤样的吸附回线进行了分类;阐述了该矿构造煤中的孔隙类型,并讨论了孔隙类型对煤层透气性的影响。     

微结构对软硬煤瓦斯吸附特性的影响

针对3组不同变质程度的软硬煤样,采用等温吸附实验分析了不同软硬煤的瓦斯吸附特性;通过低压液氮吸附实验,研究了不同软硬煤的孔隙结构特征,从煤的物理微结构(孔隙结构)角度分析了不同软硬煤的瓦斯吸附控制机理;同时对不同软硬煤样进行了红外傅里叶光谱(FTIR)实验,研究了不同软硬煤的表面化学微结构特征及其对瓦斯吸附行为的微观作用机理.研究结果表明:不同软硬煤样的瓦斯吸附能力差异明显,随煤阶的升高,VL从17.35cm3/g增加到37.89cm3/g,pL在0.88~1.75 MPa范围内变化;肥煤和焦煤软煤的瓦斯吸附量均明显高于同种变质程度的硬煤,而无烟煤则正好相反;软煤的总比表面积始终明显大于对应的硬煤,不同软硬煤样的孔径分布峰值均出现在3~10nm的微孔范围内,微孔所占孔比表面积比例均大于50%,是比表面积的主要贡献者;肥煤和焦煤软煤较同阶硬煤拥有更大的比表面积和更少的含氧官能团,具有超前演化的特征,展现出了更好的瓦斯吸附性能;而无烟煤软煤较硬煤的成熟度更低,含氧官能团含量更高,导致其瓦斯吸附量小于相应的硬煤.煤体瓦斯吸附行为不仅受孔隙结构的影响,还与化学结构紧密相关,在实际应用中应同时予以考虑.     

煤体孔径分布特征及其对瓦斯吸附的影响

利用N2和CO2吸附解吸实验,得到了6个矿井煤样的孔径分布特征,并根据吸附解吸实验曲线分析了不同煤样所含孔形状的差异.同时,对所选煤样进行瓦斯吸附实验,分析瓦斯吸附量随吸附压力的变化情况,以及瓦斯吸附能力与孔径分布的关系.根据工业分析和岩相分析结果,对煤样变质程度和水分含量对瓦斯吸附的影响进行了分析.结果表明:煤对气体的吸附量主要集中在微孔段,同时受到中孔的影响,朗缪尔体积受微孔和中孔分布的共同作用,而朗缪尔压力只与微孔有关.水分子与甲烷分子之间存在竞争吸附,水分的存在不利于瓦斯吸附.煤的变质程度与朗缪尔体积之间呈现"U"型曲线关系,而变质程度的增加使朗缪尔压力降低.在煤矿开采过程中,应当采取措施增大煤体孔隙,使微孔比例降低,促进煤层瓦斯的解吸.     

煤岩固—气耦合的流变力学分析

为分析煤与瓦斯延迟突出机理,讨论了煤层瓦斯流动特性,认为游离瓦斯和吸附瓦斯、突出空洞内的瓦斯和突出空洞附近煤体中的瓦斯均在煤与瓦斯突出过程中起重要作用,因而提出原煤吸附瓦斯贡献系数k并建立了煤层瓦斯流动的质量守恒方程;基于煤岩流变力学实验,提出了讨论煤岩流变力学性质的广义弹粘塑性组合模型。最后,建立了可以用来研究煤与瓦斯延迟突出机理的含瓦斯煤固－气耦合分析的数学模型。     

鹤岗煤田构造煤孔隙分形特征

基于鹤岗煤田北部区块典型构造煤样的低温氮吸附实验数据,分析不同变形程度下构造煤的分形维数与孔隙系统结构和气体吸附能力的关系.结果表明,受变形程度影响,碎裂煤和碎粒煤的孔隙系统发生变化,导致低温氮吸附、解吸曲线表现出不同形态.在相对压力为0.5~1.0时,分形维数可以有效表征碎裂煤与碎粒煤的孔隙结构和吸附能力.随着分形维数变大,煤岩变形程度增加,微孔含量增加,孔径变小,比表面积增大,孔表面粗糙度增加,使得煤岩孔隙系统复杂化,最终煤岩吸附能力增强.因此,煤岩孔隙分形维数可以表征煤岩孔隙结构和吸附能力.     

富烃煤的孔隙结构分析

煤与瓦斯突出对煤矿生产及矿工的人身是一极大的威胁，而煤的孔隙结构在煤和瓦斯突出中起了重要的作用。本通过微孔结构分析仪、扫描电镜和透射电镜等仪器，对不同煤化程度、不同煤岩类型及不同构造破坏煤层的富烃煤样进行了孔隙结构研究分析，以例找出煤层气在煤层中的赋存规律，这对地质勘探及煤矿生产部门将有所帮助。     

含瓦斯煤的力学性质

本文采用自制的可做含瓦斯煤样的三轴试验装置,测定了二百多个含瓦斯煤样的三轴抗压强度与变形,求得了表示煤强度与孔隙瓦斯压力和侧压间关系的回归方程式;对煤样的应力-应变曲线进行了拟合计算,分析了煤强度与弹性模量在瓦斯介质中的变化规律。     

黔西响水井田XV-1井主采煤层孔隙结构及分形特征

基于压汞实验,分析黔西响水井田XV-1井8个煤样的孔隙结构及分形特征,揭示孔隙结构参数之间的相互关系。煤储层孔隙系统具有3个特征:(1)瘦煤煤层孔隙度条件明显优于贫煤煤层,瘦煤煤层平均孔隙度为12.38%,渗流孔隙平均孔容含量达70.59%,孔喉连通性好,对煤层气开发极为有利。(2)孔隙度与孔容、渗流孔隙孔容含量及孔喉直径均值均呈正相关关系,与总退汞效率呈负相关关系,且不同孔径段的退汞效率存在明显差异。(3)不同煤样孔隙体积分形下限存在差异,分形下限与孔隙度具有负相关关系。     

软煤应变强度硬化冲击灾变

煤与瓦斯突出软煤层不具冲击倾向性,但在深部开采中却发生了软煤层冲击灾变动力现象.为探索软煤冲击灾变的成因,通过文献研究和工程案例实证分析,证明了软煤层冲击灾变现象的客观存在;通过煤样无侧限单轴压缩试验和冲击倾向性测定,得知试验煤样无冲击倾向性,极限载荷后单调应变强度软化;模拟工程背景现场与掘进工作面和采煤工作面中部相同的边界约束和加载条件,开展单自由度边界承压试验,考察灾变全程应力、应变、声发射特征,研究软煤冲击灾变机理.结果表明:单自由度边界条件下加载,3个煤样均出现应变强度软化-硬化-灾变过程,甚至反复软化-硬化;经应变强度硬化,灾变前煤样抗压强度均超过冲击倾向性的阈值条件;定义了应变强度软化、应变强度硬化系数,灾变前应变强度硬化系数分别为1. 26,1. 53,2. 25,应变强度硬化程度比较显著;软煤在单自由度约束条件下承压,应变硬化达到煤样冲击破坏强度条件时,可发生类似硬煤的冲击灾变,合理解释了现场软煤层冲击灾变的成因.深部高应力条件下,煤与瓦斯突出软煤掘进和开采,要对应变强度硬化导致煤层冲击灾变引起重视;工程上,这种冲击灾变的强度一般不高,但其可诱导煤与瓦斯突出或瓦斯异常涌出,危害性很高.     

不同煤级煤样的孔隙综合表征方法研究

煤的孔隙特征对于研究煤的吸附解吸特性、扩散性、渗透性以及瓦斯突出事故的发生机理具有非常重要的意义。为研究不同煤级煤样的孔隙综合分形特征,利用ASAP2020比表面积及孔径分布测定仪,在低温液氮的环境下,对不同变质程度的煤样进行孔隙测定,并利用FHH分形维数计算模型对实验数据进行拟合,得到各煤样不同孔径段的分形维数;同时利用各孔径段的孔隙体积比作为权值,对各个煤样不同孔径段的分形维数进行加权求和,得到各煤样的综合分形维数。将煤样的综合分形维数与其总孔隙体积进行比较分析,可知不同煤级煤样的孔隙具有明显的分形特征,其总孔隙体积越大,综合分形维数越大,孔隙表面越粗糙,孔隙分布则相对复杂。     

煤体结构差异的孔隙响应及其控制机理

为了研究不同煤体结构煤的孔隙差异及作用机理,以焦作、济源、鹤壁、大峪沟、平顶山等矿区采取的煤样为研究对象,并通过压汞法、低温液氮法和扫描电镜(SEM)对煤体破坏汽后煤的孔隙性进行了测试.结果表明,煤体破坏不仅使得煤的变质程度增加,煤体强度降低,而且还使得尺度较大的粒间孔含量增加,并且新形成的粒间孔很少被矿物质充填,同时也破坏了孔隙的定向性和完整性;相比于原生结构煤,煤体破坏后煤中的微米、纳米级孔隙含量显著增大,煤的孔隙形态和连通性发生改变;另外,煤体破坏对煤孔径的大小、不同孔径段孔隙的分布、流体在煤体内的运移都有影响.