吸附性气体对构造煤的损伤效应试验研究

为揭示吸附性气体对煤的损伤作用机理,利用可视化恒定容积气固耦合试验装置分别开展了CO_2,CH_4,N_2,He 4种气体诱发型煤损伤试验研究,测定了不同吸附性气体作用下型煤单轴抗压强度和破坏形态,并用颗粒流软件PFC进行了数值模拟。主要结论如下:1)不具吸附性的He对煤的单轴抗压强度基本无影响;2)煤体强度损失与气体吸附量呈现一致性,相同吸附平衡压力下,气体吸附性越强,煤的损伤越显著,先后顺序为:CO_2 CH4N2;3)煤的破坏形态和裂纹扩展规律与气体吸附量相关,CO_2作用下煤体裂纹呈现"裂隙窄、数量多"的特点,He作用下煤体裂纹呈现"裂隙宽、数量少"的特点;4)气体吸附诱导煤颗粒间的接触发生改变,煤粒吸附气体将引发颗粒间的黏结抗拉强度和黏结黏聚力减小,进而引起宏观力学参数变化,造成煤岩损伤和强度损失。     

页岩-煤吸附CO_2时间效应及变形各向异性试验研究

为对比研究页岩和煤在CO_2作用下吸附解吸与变形特性,采用四川盆地龙马溪组页岩和塔山煤矿煤样,利用"高温高压页岩吸附膨胀仪"在0~16 MPa CO_2压力下对以上两类样品进行了长达2 000 h的等温吸附及变形试验。结果表明:在渗透率和CO_2密度共同影响下,页岩和煤吸附平衡时间在0~6 MPa内随平衡压力升高逐渐增加;当CO_2压力到达临界压力附近时,吸附平衡时间急剧缩短(页岩9.3 h,煤4.8 h);继续升高平衡压力,平衡时间再次增加。垂直、平行层理方向弹性模量的差异致使页岩变形各向异性随平衡压力升高不断减弱;煤变形各向异性比页岩更显著,随平衡压力升高波动性较大。页岩在气体压力为10 MPa附近达最大吸附量0.082 mmol/g,其体积应变量与吸附量满足二次函数关系。煤在气体压力为7 MPa附近达最大吸附量1.421 mmol/g,其体积应变量与吸附量呈现良好的线性关系。     

高压流体注入对煤岩变形和破裂特性的影响

煤岩储层中孔隙压力、地应力和煤岩自身结构的耦合效应对煤体内裂纹的萌生、扩展以及破裂特性起着显著作用。以原煤为研究对象,进行了真三轴应力条件下高压流体致裂煤岩试验,以探究不同水平应力差（或中间主应力）和不同黏度流体耦合作用下煤体内裂隙扩展规律和破裂模式。得到流体压力峰值随中间主应力的增加而减小,且注水产生的流体压力峰值相比液态CO₂和N₂较大。随着中间主应力的减小,煤体破碎程度加剧。低中间主应力水平下,煤体内主要形成沿层理面及层理面附近扩展的拉伸裂隙。高中间主应力水平下,煤体内主裂隙呈斜穿层理结构的剪切破坏特性,形成了较大的煤块。孔隙压力增加过程中,裂隙扩展行为包括：（1）煤颗粒翻转;（2）高压流体作用下诱发拉伸裂隙所引起的层理平移;（3）偏应力作用下诱发剪切裂纹穿越层理而形成宏观剪切滑移面;（4）剪切裂纹在拉伸裂纹处中止扩展。因有效应力各向异性特性,煤体内孔隙压力增大使得最大偏应力也相应增大,最终导致煤体失稳破裂。基于此,提出修正裂纹滑动模型,获得了流体注入过程中裂纹密度参数随流体压力的增加而增大,随水平应力差的增加而减小,这与原煤的应变变化...     

煤体瓦斯运移的容阻效应分析北大核心

通过对多孔介质吸附-渗流理论及实验分析,提出了对煤体瓦斯运移规律的新认识。研究结果发现:煤体结构对瓦斯运移具有容阻效应,'容储'、'阻力'二重特性并存构成了煤基质瓦斯运移的基本功能;瓦斯运移过程中的吸附特性差异体现在吸附响应时间、吸附速率增长速度、吸附平衡时间和最大吸附能力4项指标;瓦斯运移过程中扩散和渗流2种方式并存,当裂隙及大孔内瓦斯压力较中-微孔隙系统瓦斯压力高时,煤体内瓦斯运移以渗流为主,否则以扩散为主;煤体裂隙越发育,煤体对瓦斯压降变化越敏感,瓦斯解吸效率越高。     

煤体瓦斯运移的容阻效应分析

通过对多孔介质吸附-渗流理论及实验分析,提出了对煤体瓦斯运移规律的新认识。研究结果发现:煤体结构对瓦斯运移具有容阻效应,"容储"、"阻力"二重特性并存构成了煤基质瓦斯运移的基本功能;瓦斯运移过程中的吸附特性差异体现在吸附响应时间、吸附速率增长速度、吸附平衡时间和最大吸附能力4项指标;瓦斯运移过程中扩散和渗流2种方式并存,当裂隙及大孔内瓦斯压力较中-微孔隙系统瓦斯压力高时,煤体内瓦斯运移以渗流为主,否则以扩散为主;煤体裂隙越发育,煤体对瓦斯压降变化越敏感,瓦斯解吸效率越高。     

煤层渗透性变化影响因素分析

研究了应力、克林肯伯格效应、煤基质收缩效应对煤层渗透性的影响.研究表明,随着煤层瓦斯的解吸,孔隙压力的降低,煤基质发生收缩,吸附膨胀变形减小,渗透率将增大;体积应力的增加,在孔隙瓦斯压力保持不变的情况下,有效应力将增加,煤层瓦斯的渗透率随之减小;由于克林肯伯格效应的存在,从而增加瓦斯气体的流速,使得煤层的渗透性有所改善.对各影响因素的研究,对于防治矿井瓦斯灾害、合理利用煤层气资源具有重要意义.     

论深部煤层气成藏效应

从理论上分析了深部煤层气成藏的特殊性,系统阐述了煤层含气性、渗透性及流体压力系统的特征及其地质控制因素。研究认为:受地应力机制转换,深部煤层天然裂隙的产状和组合模式存在垂向分带性,进而影响到煤层渗透率的发育状况。构建了基于温压条件下吸附收缩膨胀、热膨胀、地应力及地下水化学等效应深部煤层渗透率数学模型,分析了深部煤层渗透率的分布规律。建模分析了地应力场、地温场及煤基质收缩膨胀效应对煤层压力状态的控制作用,发现深部煤层与浅部煤层的成压因素差异显著。在埋深1 200 m以浅,地应力和吸附量增加诱导的流体压力增强效应基本相当,地温效应最弱;埋深继续增大,地温效应变强,地应力次之,吸附膨胀效应最弱。基于较高温压条件下的煤吸附-解吸物理模拟,揭示了深部地层条件下煤吸附行为的特殊性。研究发现:埋深增大,煤级对煤吸附性的影响减小,高煤级煤吸附性对储层压力的敏感性弱于低～中煤级煤。构建了耦合煤级-温度-压力的有效扩散系数模型和深部煤层含气量数学模型,发现深部煤层含气量与埋深之间的临界深度受煤级、地层温度、地层压力的综合控制,临界深度在同煤级条件下随储层压力梯度增大而变浅,在相同煤级和储层压力梯度条件下随地温梯度减小而变深。认为...     

瓦斯气体在煤中的赋存形态

瓦斯气体主要以游离和吸附态存在于煤中已成为人们的共识。但是关于瓦斯的赋存位置及具体方式分歧很大，尚无统一的解释，本文对此进行了分析。结论表明：瓦斯在较大压力下，能够楔开或进入到与瓦斯气体分子尺度相当的微裂隙，并以固溶体的形式存在而不易脱附；煤中甲烷在较大压力下虽不发生毛细凝结现象，但能以准液态的紧密单分子膜存在于煤孔隙表面；不同气体的吸附性不同，这除与该种气体分子和固体分子间的作用力不同有关外，还与该种气体分子的热运动剧烈程度有关。     

煤中气体解吸收缩有效应力变化特征

煤基质中气体解吸导致的基体体积收缩对应力场有显著影响.测试了4种不同气体(甲烷、氮气、二氧化碳、氦气)解吸导致的煤基质体积变化,分析了煤基质的收缩变化规律.研究结果表明,煤基质的总收缩系数对于甲烷解吸为1.2×10-3 MPa-1,对于二氧化碳解吸为5.2×10-3 MPa-1.采用太沙基方程,建立了有效应力和气体压力之间的关系式,可用于估算煤的渗透率.     

基于COMSOL模拟的无烟煤合理吸附平衡时间研究

为研究《煤的甲烷吸附量测定方法(高压容量法)》(MT/T752-1997)标准中测试瓦斯吸附常数的吸附平衡时间(第1个点吸附平衡7 h,当压力大于0.5 MPa后每个压力点吸附平衡4h)是否能够使吸附能力强的无烟煤真正达到吸附平衡,通过COMSOL软件建立模型,模拟瓦斯在煤内的吸附扩散过程,从而研究无烟煤达到吸附平衡所需时间。研究表明,对于无烟煤,标准中规定的吸附平衡4 h并不足以使瓦斯完全吸附在煤的孔隙中,测试无烟煤的瓦斯吸附常数时,应延长其吸附平衡时间。对同一种煤(无烟煤)的软煤和硬煤,软煤的孔隙比硬煤发达,瓦斯若要进入更小的微孔隙内,分子扩散阻力越来越大,所需平衡时间越来越长,因此,在同一吸附压力下,软煤达到吸附平衡的时间比硬煤长。     

煤层等温吸附渗透率演化数值研究

通过建立双孔隙度煤层变形控制方程,确定了基于煤层吸附理论的Biot孔隙压力系数。分别建立了存在吸附作用的条件下,煤层基质和裂隙渗透率的数值模型。研究发现,通过增加基质孔隙压力,基质将发生与孔隙压力相关的体积应变,基质体积模量将会减小;基质增大的体积占据了部分孔隙,导致煤层基质渗透率减小;随着吸附的进行,经过一定时间,煤层裂隙渗透率会出现陡降。     

基于CT扫描技术的煤试件力学特性及裂隙扩展规律研究

我国中东部矿区相继进入深部开采阶段,随着构造应力的增大与开采扰动效应的增强,工作面煤体内部裂隙发育程度逐渐升高,导致煤壁失稳现象频发。为研究煤体在高地应力环境下的力学特性及裂纹扩展规律,基于CT扫描技术实现煤试件内部各组分的精准识别,建立煤试件三维重构模型和精细化数值模型,并结合单轴压缩试验研究煤试件内部各组分空间分布特征对试件变形参数、峰值强度和裂隙扩展路径的影响。结果表明：原生裂隙倾角越大,试件初始模量值E_i降低,试件容易发生纵向劈裂破坏;原生裂隙倾角越小,试件峰值强度σ_c降低,试件容易发生拉剪混合破坏;高密度杂质体积占比越大,煤试件弹性模量值E_t增大,试件所呈现的脆性特征越强;原生裂隙体积占比越大,试件应变硬化特征明显,且试件压缩破坏后的裂隙体积占比与复杂程度也明显增大。煤试件裂隙的扩展路径主要沿着原生裂隙横向扩张和纵向延伸,由于裂隙的快速扩展,常常伴随着分叉裂隙的产生,且原生裂隙的倾向分布越复杂,产生分叉裂隙的数目就越多;当原生裂隙未经过高密度杂质时,裂隙扩展路径往往会绕过其位置扩展;当原生裂隙经过高密度杂质时,...     

裂隙倾角对水中高压电脉冲致裂煤岩体效果的影响

为了探究裂隙倾斜角度对水中高压电脉冲致裂煤岩体效果的影响,采用含有预制中心孔和平行预制裂隙的煤岩体相似试样,以预制裂隙倾角为变量进行了真三轴水中高压电脉冲致裂试验,基于试验结果分析了裂纹扩展特征.利用颗粒流程序进行模拟,进一步研究了裂隙倾角对裂纹扩展特征的影响。研究结果表明:围压作用下,平行裂隙之间的区域应力降低,裂隙两端产生了应力集中,在冲击载荷的作用下裂纹更容易在应力降低区域产生并向应力集中区延伸;随着裂隙倾角的增大,裂隙对应力波能量的消耗先增加后减小,裂纹长度和宽度呈现先增加后减小的趋势;在高压电脉冲的作用下,试样在中心孔处、预制裂隙两端和预制裂隙内侧生成微裂纹,随着应力波在裂隙处发生反射和衍射,应力集中区域发生转移,在这个过程中微裂纹发展成宏观裂纹使裂隙与中心孔连通.研究结果为高压电脉冲致裂技术在工程上运用和钻孔位置的合理选取提供了依据。     

不同煤级煤对H_2S的吸附影响因素分析

为了研究煤对H2S的吸附性及其影响因素,采集了气煤、瘦煤、无烟煤3个不同煤级的8个煤样品,进行了压汞试验和平衡水条件下的等温吸附试验。结果表明:煤对H2S的吸附等温线符合朗缪尔吸附模型,其等温吸附过程呈现快速上升、缓慢上升、吸附平衡3个阶段;较小孔隙(过渡孔和微孔)所占百分比越大、煤变质程度越高以及压力越大,煤对H2S的吸附越有利。     

多因素叠加作用下煤储层渗透率的动态变化规律

分析了煤储层渗透率的主要影响因素,讨论了有关黏性渗流的基本理论问题。在不同轴压、围压和气体压力梯度下,对山西晋城矿区原状无烟煤煤样进行了三维应力场的CH 4渗流实验,计算并分析了有效应力、煤基质收缩、气体滑脱效应等因素对渗透率的影响及其叠加作用的表现。认为吸附态的CH 4分子组成了煤储层孔-裂隙气体渗流的边界层,滑脱效应存在于边界层以外,煤储层渗透率的动态变化是有效应力、煤基质收缩效应和滑脱效应叠加作用的结果,渗透率在压力梯度0～0.1 MPa阶段衰减最为显著,滑脱效应对渗透率的贡献远小于基质收缩效应,且随着压力梯度的增大而几乎可以忽略。     

川东南龙马溪组页岩孔裂隙及渗透性特征

采集了川东南龙马溪组页岩样品,开展了页岩孔-裂隙结构的测试,分析了孔-裂隙结构特征,根据孔-裂隙相对发育优势程度,将页岩孔-裂隙结构分为孔隙优势发育型、裂隙优势发育型和孔-裂隙均等发育型等3种类型。在不同轴压、围压和气体压力梯度下,对页岩试样进行了三轴应力条件下的CH4渗流实验,计算并分析了有效应力、气体滑脱效应等因素对页岩绝对渗透率K0的影响。揭示出在较低压力梯度下的K0与应力差近似呈负指数相关关系,K0与压力梯度之间亦呈负指数相关关系,K0在压力梯度0~0.2 MPa阶段衰减最显著。认为有效应力增大导致页岩微裂隙趋于闭合,渗透率降低;在压力梯度增大的过程中,基质收缩逆效应与滑脱效应并存,但滑脱效应对渗透率的贡献小于基质收缩逆效应;在不同应力条件下,页岩渗透率存在差异;页岩渗透率自身也具有非均一性,与微裂隙的发育差异有关。     

韩城矿区构造煤瓦斯吸附性能试验研究

利用自主研制的煤样瓦斯吸附解吸装置,在恒温、相同初始压力条件下,对比研究了韩城矿区的块状原生结构煤和构造煤的瓦斯吸附规律,分析了其影响因素。试验结果显示:在平衡状态下,糜棱煤、碎裂煤和鳞片煤的单位质量瓦斯吸附量分别为原生结构煤的2.11、2.26、2.52倍。所有煤样的瓦斯吸附速率随时间的变化规律均呈单调递减的曲线形式,在吸附的初始阶段,构造煤的瓦斯吸附速率更快,尤其是在0~2 min时间段内这种差异最明显。构造煤在更短时间内达到吸附平衡,吸附效率更高。良好的致密性和原生裂隙不发育的特点决定了原生结构煤较强的瓦斯"封存"能力。良好的孔隙和后生裂隙的发育决定了构造煤在吸附性能方面要优于原生结构煤,而不同级别的孔隙发育比例和裂隙结构连通的差异性则是构造煤吸附性能差别的主因素。     

煤层注浆压裂裂隙形成规律数值模拟北大核心

为了更深入了解矿井煤层在不同围压下注浆压裂的裂隙产生规律,通过RFPA-flow软件建立二维应力应变模型,模拟了煤层在不同的围压下注浆过程中裂隙萌生、扩展直至模型失稳的全过程。结果表明:煤层在注浆压裂过程中,围压的改变直接影响到煤体的初始破裂压力和失稳压力,且他们之间呈正相关关系;随着围压的增加,注浆孔周围的应力集中,裂隙产生变得更加困难,浆液的流动也随之变得困难,注浆效果不明显。     

煤层注浆压裂裂隙形成规律数值模拟

为了更深入了解矿井煤层在不同围压下注浆压裂的裂隙产生规律,通过RFPA-flow软件建立二维应力应变模型,模拟了煤层在不同的围压下注浆过程中裂隙萌生、扩展直至模型失稳的全过程。结果表明:煤层在注浆压裂过程中,围压的改变直接影响到煤体的初始破裂压力和失稳压力,且他们之间呈正相关关系;随着围压的增加,注浆孔周围的应力集中,裂隙产生变得更加困难,浆液的流动也随之变得困难,注浆效果不明显。     

完整岩石试件和含有裂隙岩石试件在单轴压缩下破坏过程的数值模拟研究

应用RFPA岩石失稳和破坏失稳程序对完整岩石试件以及含有单一裂隙和交叉裂隙的岩石试件在单轴压缩下的破坏过程进行数值模拟研究。结果揭示了完整岩石试件和含有不同裂隙岩石试件破裂过程的发展规律,即岩石试件破坏一般都分为3个阶段:压密阶段、微裂纹萌生阶段和扩展以及断裂破坏阶段。不同的是随着加载的进行,完整岩石试件的破坏过程首先出现一个应力集中区,随后在中间、径向、侧向均出现裂纹,并且这些裂纹迅速扩展衍生许多新的次生裂纹,最终贯穿整个岩石试件。而含有裂隙的岩石试件的破坏过程是首先在裂隙的2端出现应力集中区,随后在裂隙的尖端产生裂纹并沿垂直裂隙方向发展并贯通整个岩石试件。