沁水盆地煤储层孔隙分形特征及其对瓦斯吸附的影响

为研究煤孔隙分形特征及其对瓦斯吸附特性的影响,针对沁水盆地8个煤样开展了低温液氮吸附试验,采用FHH分形理论探讨了煤表面孔隙分形特征,测试了各煤样的瓦斯吸附常数a、b值,并分析了孔隙分形维数对煤体瓦斯吸附的影响。研究结果表明,煤表面孔隙在不同压力段具有不同的分形特征,D1和D2分别代表煤表面微孔、中孔及大孔的分形特征。随变质程度的升高,D1与R0呈现出良好的线性正相关关系,而D2随R0的增加则呈现出先快后慢的抛物线变化。煤体瓦斯吸附特性与煤表面孔隙分形特征密切相关,分形维数D1、D2数值越大,a值越大,煤体瓦斯吸附能力也就越强;分形特征对吸附常数b值的影响较小。     

不同煤阶煤孔隙结构分形表征及其对甲烷吸附特性的影响

煤储层中孔隙结构的发育程度决定了煤体瓦斯的吸附性能,通过低温液氮吸附实验测试了长焰煤、焦煤和无烟煤3种不同变质程度煤样的孔隙结构;基于分形理论对孔隙结构进行了量化表征,并结合煤的甲烷等温吸附实验,深入分析了不同变质程度煤孔隙结构对甲烷吸附特性的影响。结果显示：变质程度与孔隙分形维数D₁呈现出“浴盆式”变化规律,与分形维数D₂符合线性负相关关系;而煤样的微孔比表面积和孔容均与吸附常数a呈正相关关系,即微孔比表面积和孔容越大,煤的吸附能力越强;随着孔隙分形维数D₁的增加,吸附常数a呈现出近似线性增长趋势,煤体孔隙结构越不光滑,比表面积也会越大,从而使得煤的甲烷极限吸附量也会有所升高。     

气煤的孔隙分形特征对瓦斯吸附的影响

为了研究气煤的孔隙的分形特征对瓦斯吸附的影响,通过低温液氮吸附法对阜康气煤的孔隙结构进行测试,采用FHH模型对实验煤样进行分形维数计算,运用高压容量法测定煤样的吸附特性,分析了气煤的分形维数与瓦斯吸附性能的关系。实验结果表明:表面分形维数D_1与Langmuir体积V_L呈正相关,与Langmuir压力p_L呈负相关;但结构分形维数D_2与煤样的Langmuir体积V_L和Langmuir压力p_L之间的相关性不明显;通过分析可知,气煤中孔隙结构的分布和孔隙类型同时影响着瓦斯气体在煤体孔隙中的运移。     

不同埋深煤体孔隙结构特征及瓦斯吸附特性研究

为研究同一煤层煤体孔隙结构及其瓦斯吸附性能与埋深的关系，通过等温吸附试验、低温N₂吸附试验，测定了4个不同埋深煤样的瓦斯吸附量和孔容、孔比表面积等孔隙结构参数，应用孔隙分形理论研究了不同埋深煤样的分形特征，并确定了孔隙结构参数与吸附常数的关系。结果表明：随着埋深的增加，煤样的孔比表面积增加，瓦斯吸附量增加；4个煤样中埋藏最深的煤样较最浅煤样比表面积增加了1.2603 m²/g,总孔容减小了0.0026 mL/g,瓦斯吸附量增加了67%,吸附饱和度降低了7.4%;吸附常数a与孔比表面积和分形维数的幂函数呈正相关关系，吸附常数b与吸附常数a呈幂函数关系。因此，可根据不同埋深煤样孔隙结构参数量化瓦斯吸附性能，为细化同一煤层瓦斯灾害防治方案提供了理论依据。     

中高阶煤储层分形特征对瓦斯吸附的影响研究

为研究中高阶煤(Vdaf25%)的分形特征对煤层瓦斯吸附规律的影响,针对不同矿区6种中高阶煤样,采用高压容量法测试了煤样的瓦斯吸附能力,利用Langmuir方程拟合得到了表征煤样吸附能力的参数Langmuir体积(VL)和Langmuir压力(PL)。同时,根据电镜扫描(SEM)实验,对煤体表面孔隙特征进行了分析,并利用基于Kolomogrov容量维的分形理论计算得到了煤样孔隙分布的分形维数。在此基础上,研究了分形维数对中高阶煤瓦斯吸附的影响。研究结果表明:不同煤样孔隙结构差异显著,煤体表面孔隙分布具有明显的非均质性和分形特征;煤体变质程度对分形维数具有重要影响,煤化作用使得孔隙结构更加复杂;煤体表面分形对VL和PL的影响不同,VL随着分形维数的增加呈线性增加,而PL与分形维数的关系符合二次曲线,说明煤体表面越复杂,煤体越易于吸附瓦斯。     

低阶煤孔隙结构对瓦斯吸附特性影响的试验研究

为揭示低阶煤孔隙结构对瓦斯吸附性能的影响,选取新疆准南煤田9个典型矿井低阶煤样,进行低温氮吸附及瓦斯等温吸附试验,研究低阶煤的吸附孔特征参数及其与瓦斯吸附参数之间的关系。结果表明:试验范围内,准南煤田低阶煤等温吸附瓦斯曲线仍可用Langmuir方程表征;低阶煤的平均孔径越大,孔隙间的作用力越小,体积吸附常数、瓦斯吸附量越小,压力吸附常数、吸附饱和度越大;随着煤的比表面积、孔容及各孔径下的比表面积和孔容含量的增大,体积吸附常数、瓦斯吸附量增大,而压力吸附常数、吸附饱和度减小;在研究尺度范围内孔隙分形特征显著,体积吸附常数、瓦斯吸附量与分形维数呈正线性关系,压力吸附常数、吸附饱和度与分形维数呈负线性关系。     

不同变质程度煤孔隙结构分形特征对瓦斯吸附性影响

为研究不同变质程度煤孔隙结构分形特征及其对瓦斯吸附特性的影响,通过压汞试验测试了9组不同变质程度煤样孔隙结构,利用Menger海绵模型分析了不同变质程度煤孔隙结构分形特征,结合煤样吸附常数,研究了孔隙结构分形特征对瓦斯吸附特性的影响。研究结果表明,煤孔隙在不同孔径段具有不同的分形特征,渗流孔分形维数D_1和吸附孔分形维数D_2均随变质程度的增加呈线性增大。煤孔隙分形特征对瓦斯吸附特性具有一定的影响,渗流孔分形维数D_1与吸附常数b呈良好的线性关系,与极限吸附瓦斯量a的关联性不大,表明渗流孔分形维数D_1对吸附瓦斯速率影响较大,对吸附能力影响较小;吸附孔分形维数D_2与极限吸附量a呈正相关关系,与吸附常数b关联关系不明显,说明吸附孔分形维数D_2对瓦斯吸附能力影响较大,对吸附瓦斯速率影响不明显。     

二氧化碳/甲烷/氮气条件下煤样的初始释放瓦斯膨胀能研究

对同一个煤样分别充入不同压力的二氧化碳/甲烷/氮气进行初始释放瓦斯膨胀能测定试验,研究二氧化碳/甲烷/氮气条件下煤样的初始释放瓦斯膨胀能与瓦斯压力的关系,并分析二氧化碳/甲烷/氮气条件下的煤层突出危险性。结果表明:对于同种气体,煤样的初始释放瓦斯膨胀能与吸附平衡压力均成正相关关系,吸附平衡压力越大,煤样的初始释放瓦斯膨胀能越大,煤层突出危险性越大;对于不同气体,在吸附平衡压力相等的情况下,充二氧化碳的煤样具有较大的初始释放瓦斯膨胀能,突出危险性较大,充甲烷的次之,充氮气的最小。这一结论可以为解释煤矿现场突出和实验室突出模拟过程中的一些现象提供重要的依据。     

不同煤种孔隙结构分布及特征研究

选取4个不同矿山的煤种制作煤样,通过液氮吸附实验研究煤样孔隙特征,实验测得煤样孔隙比表面积、平均孔径、吸脱附曲线等有关数据。实验结果分析表明:煤样的氮气吸附量与BET比表面积呈正相关,在孔隙结构中,微孔和小孔占煤样孔隙的主要部分,平均孔径越小,10～50 nm的小孔越多,孔容和比表面积两者变化趋势也呈正相关,等温吸附脱附曲线能够判断煤孔隙类型。     

注水对煤层吸附瓦斯解吸影响的试验研究

水力化措施在煤矿开采中广泛应用,为了研究注水对煤层瓦斯解吸的影响,采用高压吸附-注水-解吸测试装置对不同吸附平衡压力和水分条件下煤对瓦斯的置换解吸量、卸压解吸量及总瓦斯解吸量进行了测试计算。结果表明:注水过程中及注水一段时间内煤样罐瓦斯压力呈现出继续增高的趋势,说明注入的水置换出了煤体吸附的瓦斯,且水分越高,置换解吸量越大,测试的最大置换量可达11.88 mL/g;卸压后,注水煤样的瓦斯解吸量减小,且水分越大,瓦斯解吸量降幅越大,降幅最大值可达68.29%;注水后煤的总解吸量增大,说明注水对试验煤样的瓦斯解吸起促进作用。     

不同矿化度水对煤储层吸附性能的影响

为了探究水分及其矿化度对煤样吸附甲烷能力的影响,以准噶尔盆地南缘玛纳斯矿区侏罗系西山窑组块状煤样为例,采用矿化度水配制—样品制备—样品大气压下水浸—高压下注水—等温吸附实验的实验步骤,开展煤样干燥、饱水及含不同矿化度水条件下煤的等温吸附实验,探讨不同矿化度水对煤储层吸附性能的影响。研究结果表明:干燥煤样的兰氏体积显著大于注蒸馏水煤样的兰氏体积,注蒸馏水煤样的兰氏体积大于注10 000 mg/L矿化度水煤样的兰氏体积,但后者与注20 000 mg/L矿化度水煤样的兰氏体积相差不大。其主要原因为注蒸馏水煤样中水分子比甲烷分子更容易占据煤基质内表面或微孔内表面的吸附位,从而使得兰氏体积降低,而含矿化度水使得煤基质表面的吸附位进一步减少,从而造成了煤样对甲烷的吸附能力降低,但这也存在着一个极限值,大于20 000 mg/L矿化度水已不能明显降低煤样的兰氏体积。因此可推断,在地下水径流区或弱径流区,煤层水的矿化度不断增大至10 000 mg/L时,煤层中处于动态平衡的游离气含量会增加,而吸附气含量会减少,当煤层水矿化度超过10 000 mg/L,煤层中吸附气与游离气的含量比例趋于稳定。实验从研究创新的角度出发,以低煤阶煤样为例,对比分析了含不同矿化度水条件下煤样对甲烷的吸附能力的差异,并且进行了相关的理论分析和机制解释,认为地下水矿化度影响煤储层对甲烷的吸附能力。     

寺河3号煤甲烷吸附解吸热力学特征

为研究煤层气排采过程CH4解吸内在热力学特征及水蒸汽在排水降压产气过程中的作用机理,在20,25,30,35,40℃五个温度点对寺河3号无烟煤(WY)进行等温吸附解吸实验,利用Clausius-Clapeyron方程计算等量吸附热和极限吸附热。结果表明,升压(吸附)过程和降压(解吸)过程极限吸附热分别为23.31 kJ/mol和24.02 kJ/mol,属于物理吸附,但后者大于前者。从热力学角度看,吸附解吸平衡体系中,降压不足以导致煤层甲烷解吸,但降压促使液态水在煤孔隙中形成局部低压,水分子汽化,水蒸汽分子在煤孔隙表面吸附产生的吸附热约为40 kJ/mol,远大于甲烷吸附热,水蒸汽吸附置换煤孔隙表面吸附的甲烷,最终导致甲烷解吸。     

基于吸附层厚度理论的软硬煤吸附机理解析

针对同一变质程度软/硬煤的比表面积和总孔容积相差数倍,但其对甲烷吸附量却相当这一现象,根据热力学原理及煤对甲烷吸附机理,建立了煤的孔径对甲烷吸附层厚度的方程,数值分析了吸附压力和孔径对吸附层厚度（吸附层数）的影响,同时采用软/硬煤的孔径分布拟合函数,数值计算了软/硬煤的瓦斯等温吸附曲线,并与实测结果进行了对比分析。研究结果表明：基于吸附层厚度理论,在同一吸附平衡压力下,甲烷吸附层厚度随着孔径增大呈负指数变化,即煤体对甲烷的吸附是不同分子层的集合。采用煤体中孔径与其孔体积的分段函数和煤对甲烷的吸附层厚度理论,计算得到的瓦斯吸附等温线无论是变化趋势还是定量上均与实测结果一致,误差小于6.5%。因而,吸附层厚度理论很好地揭示了软/硬煤对甲烷吸附特征。由此,只要测得煤的孔径分布特征,即可采用吸附层厚度理论对其吸附量进行计算,为预测煤层瓦斯含量提供新方法。     

煤层对CO2、CH4和N2吸附/解吸规律研究

针对目前我国煤层气开发中存在的产气率低、煤层气开采理论规律研究欠缺等问题,根据试验对比分析了不同温度15、20、25、30℃时,CO2、CH4和N2在煤岩中的吸附／解吸规律。试验结果表明,当温度升高时,气体分子的平均自由程越大,气体吸附量变小;对同一种煤介,当压力相同时,临界温度高的气体,具有较强的吸附能力,煤层对CO2、CH4和N2吸附能力依次下降;压力升高时,煤层对气体的吸附量变大;降压解吸过程存在解吸滞后现象,温度降低显著,这与吸附、解吸表达式和吸热反应有关。     

煤吸附瓦斯细观特性研究

为研究甲烷吸附孔隙压力对煤膨胀变形的影响,实验应用μCT225kVFCB型高精度显微CT实验系统,对直径为5 mm的细观煤样进行了不同孔隙压力下的吸附瓦斯扫描实验,并通过对其孔隙率与膨胀变形量的观测与分析得到了煤吸附瓦斯细观特性。研究发现：在细观实验中煤样吸附瓦斯会导致煤体孔隙率下降,并发生体积膨胀变形;体积膨胀变形规律符合朗格缪尔方程,且煤样不同位置的孔隙率与体积变化均具有非均匀性。研究结果表明：在吸附瓦斯过程中,煤体骨架体积膨胀会导致煤体孔隙体积减小与外观体积膨胀,且煤体骨架膨胀变形时更倾向于通过挤压煤体原始孔隙来获得膨胀空间。     

甲烷在煤的微孔隙喉道通过性及其对解吸的影响机理

煤是天然的多孔介质,其内部含有大量破碎煤块与多种类型的微孔隙结构,甲烷在煤的微孔隙喉道通过性是影响甲烷解吸效率的重要原因之一。基于单孔喉模型,分别对孔喉直径、孔喉几何形态与甲烷分子在孔喉附近的Leonard-Jones势的关系进行了分析;基于两能态模型,得到了孔喉势阱/势垒的几何临界尺寸及变化规律,研究发现,当R/r_0(孔喉半径/甲烷分子直径)0.89时,孔喉平面位置对甲烷分子存在势垒,孔喉平面两侧存在势阱;当R/r_00.89时,孔喉平面仅存在势阱,势阱深度随着孔喉增大逐渐降低。基于玻尔兹曼能量分布定律与麦克斯韦分子速率分布原理,推导出了温度、压力、孔喉直径对微孔隙吸附/解吸甲烷过程中的孔喉通过性影响的定量关系,分析表明温度、压力差、孔喉直径是影响甲烷通过孔喉的主要因素。温度越高,压力差越大,孔喉直径越大,孔隙甲烷的通过性越好,反之则通过性越差。基于上述理论分析,建立了煤的非均匀孔喉结构模型,通过数值模拟方法进行了含孔喉微孔隙吸附/解吸甲烷规律研究。研究证明,煤中孔喉势阱对甲烷分子运移的阻滞作用,是引起煤层甲烷吸附/解吸速率下降与甲烷解吸滞后现象,导致煤层气开采期限内解吸率低下的重要原因之一;微孔隙孔喉越小,其影响越明显。研究结果对于煤层气开采效率评价及煤层原位致裂增透改性强化煤层气开采提供借鉴。     

鄂尔多斯盆地煤储层低温氮吸附孔隙分形特征研究

在利用低温氮吸附法测试鄂尔多斯盆地煤储层孔隙分布的基础上 ,计算了煤样的孔容及比表面分维数 ,并分析了煤储层对甲烷的吸附能力与孔隙分维之间的关系。研究表明随着比表面分维数的增加 ,煤储层兰氏体积减小 ,而兰氏压力增加 ,随着孔容分维数的增加兰氏体积减小。     

中梁山南矿构造煤吸附孔分形特征

采集华蓥山煤田中梁山南矿9个有代表性的煤层样品进行低温氮吸附实验,分析构造煤吸附孔分形特征及分形维数与气体吸附能力的关系。低温氮吸附、解吸曲线表明不同变形序列构造煤在相对压力0.5~1.0范围内吸附特征各异。在此基础上,运用分形FHH方法得到构造煤分形维数D。研究表明：分形维数D可以表征构造煤吸附孔孔径结构和孔表面的变化关系;分形维数越高,微孔含量越多,孔表面越不规则,孔隙结构非均质性愈强;分形维数大小可反映煤的吸附能力,分形维数增高,吸附能力增强。因此,由构造变形增强引起的高分形维数和复杂的孔隙结构显示出更高的吸附能力。     

基于混合物理论的含瓦斯煤本构方程

以混合物理论的Truesdell公设为基础，认为含瓦斯煤是由固相煤、游离相瓦斯和吸附相瓦斯组成的饱和混合物，采用理论推导的方法构建含瓦斯煤的本构方程.方程表明，含瓦斯煤的力学变形特性由各组分特性、瓦斯吸附解吸作用和煤体的孔隙分布共同决定.不同瓦斯压力条件下含瓦斯煤的应力-应变曲线表明：吸附瓦斯促使煤体产生膨胀变形，降低其弹性模量；围压也将对含瓦斯煤的弹性模量和变形产生重要影响.     

煤层压裂开采与治理区域瓦斯的基本问题

由于煤层的矿物成分、结构体系、瓦斯的吸附解吸效应等导致含瓦斯煤层水压致裂复杂,煤层压裂治理区域瓦斯技术目前整体上还处于起步阶段。提出了煤层水压(流压)致裂治理区域瓦斯的理论、技术与装备等基本问题框架。在分析煤层物理化学特性的基础上,初步给出了煤层压裂的力学机制与裂缝基本空间形态。分析了含瓦斯煤层水压致裂的物理化学作用、结构改造增透、应力扰动效应、驱赶瓦斯效应、水锁效应等作用。以孔隙压力梯度作用机制为切入点,深入研究煤岩层压裂的细观破裂机理、应力扰动效应与评价方法、体积致裂机制、驱赶瓦斯效应、支撑剂在裂缝网络的运移规律与压嵌特性、排采规律等理论问题。针对驱赶瓦斯效应扬长避短,使含瓦斯煤层压裂上升至压裂驱赶层次。提出了需要深入研究的技术安全性评价、工艺技术、合理泵注排量、压裂裂缝扩展及其效应监测、适用条件与规范等技术问题。研制了井下压裂治理区域瓦斯的致裂封孔系统、分析软件与测控系统等成套装备。