复合煤层物性差异性试验研究

煤层的物性特征与煤与瓦斯突出、煤层瓦斯含量密切相关,为降低复合煤层的煤与瓦斯突出的危险性、煤层瓦斯含量,分别采用低温液氮吸附试验、压汞试验、甲烷等温吸附/扩散试验对焦作矿区复合煤层中的软硬煤物性差异性进行研究。结果表明:软煤的BJH孔容及BET比表面积均大于硬煤;构造作用可使一部分可见孔或裂隙转化为中大孔,硬煤的孔隙联通性比软煤的孔隙联通性好。软煤中一端开放的细颈瓶型孔占的比例较大,造成软煤的退汞效率低,这是软煤易发生煤与瓦斯突出的重要原因之一;软煤的吸附常数a值稍大于硬煤,而比表面积却有显著差异,孔隙中吸附瓦斯不仅与比表面积有关,还与孔径大小、吸附层数及兰纳-琼斯势能有关;软煤的扩散系数大于硬煤,其衰减得比硬煤快,扩散系数与时间呈现出时变特性;在软硬分层进行现场取心实测煤层瓦斯含量时,应以软分层漏失量最小为基准采取抑制瓦斯漏失的措施,以实现煤层瓦斯含量的准确测定;在软分层进行瓦斯抽采时应适当加长抽采时间、减小钻孔间距,达到软分层消突效果。软硬分层的瓦斯含量与软硬煤的水分、孔隙率相关,孔隙率越大游离瓦斯含量越大,平衡水分抑制煤体瓦斯吸附,平衡水分越大其吸附量越小。如果软分层的瓦斯含量大于硬分层的瓦斯含量,在进行瓦斯抽采效果检验时,软分层是首选检验对象;如果软分层的瓦斯含量不大于硬分层的瓦斯含量,在进行瓦斯抽采效果检验时,软分层和硬分层应同时作为检验对象。     

突出区域煤层孔隙瓦斯赋存规律研究

论文以淮南矿业集团丁集煤矿突出煤层为试验点,采用压汞试验法对煤层孔隙进行研究,得出孔隙半径不同时,瓦斯赋存状态不同,游离和吸附的瓦斯含量也不同。在此基础上,利用高压容量法对煤样进行吸附试验,并结合工业分析结果,分析煤层瓦斯吸附量,根据丁集煤矿实际情况,考虑温度因素对瓦斯吸附试验的影响,为煤与瓦斯防突预测提供依据。     

煤中瓦斯吸附渗透理论及实验研究

为了研究煤层中瓦斯吸附解吸过程和瓦斯流动规律,基于国内外现有研究理论成果,设计了瓦斯吸附的实验系统,该系统主要包括温度控制系统、瓦斯吸附系统和数据采集与处理系统。通过自制的煤样,实验研究了同一煤质不同粒度煤样的等温吸附特性。采用定压动态吸附法进行瓦斯吸附实验,指出了瓦斯吸附量、吸附速率与煤样粒度之间的关系规律。通过对3种不同煤样的动态吸附曲线的对比分析,提出了瓦斯吸附量、吸附速率与吸附时间之间的关系式,建立了煤的瓦斯吸附量的数学模型。对于改进现有的抽采方法并提高抽采水平、对于煤与瓦斯的突出预测和煤矿瓦斯灾害的防治均具有理论意义和实际应用价值。     

潘三矿下保护层开采条件下地面钻孔瓦斯抽采技术及效果

基于潘三矿13-1煤层的赋存条件,介绍了潘三矿地面钻孔抽采被保护层卸压瓦斯试验过程,研究了地面钻孔瓦斯抽采量、瓦斯抽采率及抽采后的残余瓦斯压力和瓦斯含量等4个方面。结果表明:保护层开采使得6个钻井累计瓦斯抽采量达到8105335m3,平均瓦斯抽采率达到54.1%,瓦斯抽采后煤层中残余瓦斯压力为0.21MPa,残余瓦斯含量为2.07m3/t,均低于《防治煤与瓦斯突出规定》中规定的临界数值,防突效果显著。     

吸附作用对煤体瓦斯渗透规律的影响

运用自制的瓦斯渗透率测试装置,从吸附压力、吸附压差、吸附温度3方面研究了吸附作用对含瓦斯煤体中瓦斯渗透率的影响,同时试验模拟得出了瓦斯抽采渗透率的变化规律。结果表明:同一煤样随着吸附压力的增大,吸附量的增加,渗透率降低。相同吸附压力下,随着吸附温度的升高,渗透率降低。煤层抽采瓦斯以后压力下降,渗透率提高,与模拟试验得出的规律一致。     

鹤煤八矿瓦斯地质规律研究

以矿区瓦斯地质构造为基础,收集整理鹤煤公司八矿历年瓦斯涌出量、瓦斯含量等资料,分析研究了影响煤层瓦斯含量的各种因素(包括煤厚、埋藏深度以及标高等),指出了褶皱、断层对瓦斯赋存的影响,确定了影响煤层瓦斯含量的主控因素,探索了瓦斯的赋存规律,为八矿下一阶段的矿井开采、通风设计、瓦斯抽采、煤与瓦斯突出防治提供可靠参考.     

大宁煤矿瓦斯地质规律及防治措施研究

综合运用瓦斯地质、数理统计及矿井瓦斯防治等相关理论和方法,研究了大宁煤矿的瓦斯地质规律,分析了井田地质构造特征对煤层瓦斯赋存的影响,结果表明,煤层埋深是控制煤层瓦斯赋存的主要因素.并依据煤层瓦斯含量与煤层埋深的线性回归关系预测了大宁煤矿煤层瓦斯含量的变化趋势.在此基础上,提出了针对大宁煤矿的优化矿井通风方式,采用立体交叉瓦斯抽采措施及建立煤与瓦斯突出预警系统的瓦斯综合防治措施.     

平宝公司瓦斯地质特征及瓦斯防治措施研究

针对平宝公司煤层瓦斯含量高、瓦斯压力大的问题,分析了平宝公司煤层瓦斯赋存规律,并从构造物理环境角度探讨了煤与瓦斯突出原因。结果表明:煤层埋深、顶底板岩性、地质构造及水文地质条件是影响煤层瓦斯赋存的主要地质因素,煤与瓦斯突出构造物理环境多因素的综合作用控制煤与瓦斯突出。提出了针对平宝公司的瓦斯综合防治措施:加强瓦斯地质研究,保护层开采,煤层瓦斯高效抽采及建立可靠的煤与瓦斯突出预警系统,为矿井安全生产提供技术保障。     

张集北矿首采工作面瓦斯涌出规律分析

结合张集煤矿11418首采工作面煤层赋存条件等相关参数,分析了工作面瓦斯来源,测定并分析了煤层瓦斯含量、工作面推进速度、瓦斯抽采量、煤层厚度、煤层埋深与瓦斯涌出量之间的关系,结果表明:综采工作面瓦斯涌出量包括煤壁瓦斯涌出量、采空区瓦斯涌出量及落煤瓦斯涌出量。11418首采工作面瓦斯涌出量与瓦斯含量、推进速度、煤层厚度、煤层埋深呈正比关系;瓦斯涌出量随抽采量的增加呈波浪式变化,总体上递增,但增加的幅度不大。     

单一松软强突出煤层瓦斯抽采技术

为了提高单一松软强突出煤层的瓦斯抽采效果,消除煤与瓦斯突出危险性,基于煤矿瓦斯抽采理论,在祁南煤矿72煤层714工作面进行了顺层钻孔瓦斯抽采试验。试验主要包括煤层巷道条带瓦斯抽采和工作面煤体瓦斯抽采两大部分的方案设计、施工跟踪与抽采效果分析,并针对松软煤层钻孔施工难与抽采效果差的问题,提出了"递进掩护"的钻孔施工方式。结果表明,顺层钻孔瓦斯抽采瓦斯后,瓦斯抽采量逐步上升,并稳定相当长一段时间,瓦斯压力由2.1MPa降至0.73MPa,瓦斯含量由10.5m3/t降至6.91m3/t,瓦斯抽采率达到34.21%,消除了煤与瓦斯突出危险性。     

煤中可溶有机质对瓦斯吸附与解吸特性的影响

为了研究煤中可溶有机质对瓦斯吸附与解吸特性的影响,在常温、常压下,用四氢呋喃抽提了淮北矿区的青东8煤、许疃3煤和孙疃8煤中的有机质,对比分析了原煤和残煤的瓦斯吸附量,常压真空解吸量和放散初速度Δp的变化规律。结果表明：抽提后,青东8煤和许疃3煤瓦斯吸附量减少,抽提前后瓦斯吸附增量随压力增加先增大后减小,Δp减小;孙疃8煤瓦斯吸附量无明显变化,Δp增大;3种煤样的常压真空瓦斯解吸量均增大。分析认为：突出煤层中,瓦斯溶解于煤中可溶有机质,形成固溶体,增加了煤层瓦斯含量,提高了瓦斯放散速度,煤层突出危险性增大;非突出煤层中可溶有机质占据了部分孔隙,可减缓瓦斯释放,降低瓦斯释放速度。     

基于多物理场耦合的瓦斯抽放半径确定方法

为了确定合理的瓦斯抽放半径,建立了考虑煤的流变特性、渗透率动态变化和吸附特征的渗流-应力耦合模型,对比分析了软硬煤层钻孔孔径变化规律,研究了抽放过程渗透率的动态演化规律,确定了软硬煤层的有效抽放半径,找出了瓦斯抽放半径的影响因素。研究结果表明：由于含瓦斯煤的流变特性,软硬煤层钻孔均会随时间发生缩孔现象,软煤层钻孔在短时间内就可能被堵塞,硬煤层钻孔直径虽有缩小但仍处于稳定状态,并不堵塞瓦斯抽放通道,在确定抽放半径时,应首先分析钻孔的孔径变化规律以确定有效抽放时间;瓦斯抽放过程煤的渗透率会随时间逐渐增大;煤体硬度、埋藏深度、初始瓦斯压力、初始渗透率和钻孔孔径等是影响瓦斯抽放半径的主要因素。     

不同层间压差条件下叠置含气系统的定产合采试验研究

为了研究滇东-黔西地区的多层叠置含气系统煤层气合采的产气特征,以4层合采方式为研究背景,利用大型多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统展开3组不同层间压差条件下的定产煤层气合采物理模拟试验,研究了4个煤层在煤层气合采过程中的储层压力、瞬时产量、产能贡献率等参数动态演化规律。研究结果表明:在合采过程中,1号煤层的储层压力在11.5 min上升至1.1 MPa,出现明显的压力上升,这是由于煤层之间的储层压力差过大会形成层间干扰现象,使低气压煤层的储层压力上升,但该现象主要发生在合采初期,并随着合采时间的延长而减弱;在11.25 L/min的定产生产条件下,1-4号煤层的初始瞬时产量分别为-23.4、-1.6、9.3、18.3 L/min,因此当单层产气能力高于定产值时,高气压煤层的部分产气量通过井筒汇入低气压煤层,形成倒灌现象,且层间压差越大,倒灌的气量越大;在0.2、0.3和0.5 MPa的3种层间压差条件下,1号煤层在第10 min的产气贡献率分别为-3.2%、-10.4%、-16.9%,所以在合采初期,层间压差越大,对低气压煤层的产气的抑制作用越大;在稳产期内,不同储层压力的煤层产气呈现为一种"动态平衡"的产气特征,即当相对高气压煤层的产气能力不足时,相对低气压煤层的产气能力开始增加,从而维持稳定产气。     

岩浆热事件对煤层变质程度和吸附-解吸特性的影响

为研究岩浆侵入热事件对煤层变质程度和吸附-解吸特性的作用机制,采用理论分析、实验室测定和现场验证的方法,对比分析了淮北矿区海孜井田岩浆岩侵入区和邻近临涣井田未受岩浆影响的煤层多元物性参数变化规律和孔隙特征,系统研究了采集煤样的等温吸附与吸附平衡条件下瓦斯解吸过程,揭示了岩浆岩床下伏煤层瓦斯赋存特征。结果表明:海孜井田岩浆热演化作用使煤层变质程度显著增加,煤层挥发分降低,岩浆岩覆盖区域煤层的最大镜质组反射率梯度为0.53%/100 m,远大于深成变质作用。岩浆热演化区孔径0.4~0.7 nm之间的微孔极为发育,其发育程度是未受岩浆岩覆盖区煤样的数倍,且越靠近岩浆岩的煤层,微孔发育程度越明显。岩浆热演化区内煤体的吸附能力增强,吸附瓦斯量增大,煤体的瓦斯放散初速度变大,初期解吸速度快且解吸总量大。由于岩浆岩床对下伏煤层的热变质和封存作用,易造成下伏各煤层的瓦斯压力和瓦斯含量增高,煤层的突出危险性增加。     

东曲矿软硬煤瓦斯吸附特性对比研究

为研究不同软硬煤瓦斯吸附特性,以山西古交矿区东曲矿为研究对象,针对2组不同变质程度的软硬煤,通过高压容量法测试了其瓦斯吸附性能;同时对不同软硬煤开展了低温液氮吸附实验,分析了其孔隙结构特征,从煤体微结构层面揭示了不同软硬煤的瓦斯吸附控制机理。研究结果表明:不同软硬煤之间存在较大的吸附差异性,瓦斯吸附参数VL最大值是最小值的1.5倍;在不同软硬煤中,微孔所占比例均大于50%,煤中的孔比表面积主要由小于10 nm的微孔所贡献;构造变形作用使得煤层中的原生孔隙裂隙系统被破坏,孔隙直径减小,微孔比例增加,孔隙比表面积也在不断增大,因而,软煤较硬煤拥有更强的吸附性能。     

多层叠置煤层气系统合采方式及其优化

针对"多层叠置煤层气系统"这一特殊煤层气成藏模式,自主研发了多层叠置煤层气系统合采试验装置,并取得:(1)开展了储层气压分别为1.0,1.4,1.8和2.2 MPa条件下4层叠置煤层气系统常规合采试验,发现在合采过程中,气体由高气压煤层通过合采井筒流向低气压煤层,抑制了低气压煤层气体的产出,不利于煤层气的合采;(2)通过优化不同煤层产气时间开展了递进合采试验,有效避免不同煤层之间发生气体倒灌现象,使得最低储层气压煤层采收率和整体采收率分别提高了6.5%和1.3%;(3)递进合采能降低高储层气压煤层产能贡献率同时提高低储层气压煤层产能贡献率,使得产能分配更加合理;(4)叠置煤层整体差异系数呈先升后降的变化趋势,表明优化前后两种合采方式差异随着合采的进行处于动态变化之中,在合采中期达到最大,在合采后期略有下降。     

保德煤矿8号煤瓦斯赋存规律及主控因素研究

为查明保德煤矿8号煤瓦斯赋存规律和主控因素,从煤层特征和煤层含气性特征入手,讨论了矿区构造、煤层埋深、煤层厚度、煤质以及矿区水文地质条件等多种因素对瓦斯赋存的影响,查明了保德煤矿8号煤瓦斯赋存的主控因素。结果表明,保德煤矿8号煤层瓦斯含量在纵向上随埋深的增加而增高,在平面上富集受煤厚和矿区地下水水动力条件控制;此外,矿区局部发育的小构造也对8号煤瓦斯含量有一定影响,水分、灰分、挥发分等煤质主要参数对8号瓦斯含量影响较小。通过掌握煤层瓦斯赋存规律和其主控因素可以为抽采钻孔合理布置提供理论依据,对煤矿的安全生产具有重要意义。     

深部煤矿原位保压保瓦斯取芯原理与技术探索

煤矿瓦斯灾害防治是矿井安全生产的重点和难点,其核心是煤层瓦斯含量与压力的精准测定。目前含瓦斯煤层(或煤矿)取样普遍采用开放式或球阀密闭式取芯技术,取芯效率低,且瓦斯容易损失、测量时效性差,难以保证瓦斯含量与压力数据的准确性与有效性,不能有效评估煤层风险特征指标以指导工程实践。首先深入剖析了深部煤层原位压力内涵,阐明了原位保压保瓦斯取芯的基本目标,建议了原位瓦斯压力及含量的测定与计算方法。其次,基于牟合方盖几何原理,提出了保压保瓦斯取芯工具构想,采用多重防转的取芯结构设计和连续导管作业工艺,能够实现煤样低扰动取芯,确保所取样品瓦斯含量与原位煤层一致;设计了5种构型的自触发式保压控制器,基于自主研发的实验室保压特性试验平台开展了保压能力相关参数测试,结果表明随着保压控制器锥形角度的增加,边缘的有效支撑面增大,极限强度增加。同时,开展了连续导管抗扭特性实验,在扭矩、管长、外径一定时,连续导管扭转角随壁厚的增加逐渐变小、抗扭性能增强,岩芯受到的扰动降低。最后,研制了深部煤矿原位保压保瓦斯取芯原理样机,由煤矿坑道钻机、连续导管装备、保压保瓦斯取芯器等组成,基于仿真模拟和室内试验数据,选定了马鞍形保压控制器(保压能力最高可达100.9 MPa),CT90钢的连续导管(直径38.1 mm、壁厚3.18 mm)。基于此,形成了原位保压保瓦斯取芯作业工艺,在现场测试过程中系统整体运行平稳并取得保压样品,初步验证了原理样机设计合理、装配精密可靠。该取芯系统具备保压能力强、取芯扰动小、取芯效率高、随钻随测等作业优势,有望突破测定煤层原位瓦斯含量与压力的技术瓶颈。     

A study on mixed coal simulation soft layer of gas adsorption

Based on the single coal adsorption gas, hard coal and soft coal of intake airway in Shanxi Heshun Tianchi Coal Mine were chosen to simulate the soft coal seams in coalbed as those in different qualities are mixed with delamination. Experiments on characteristics of adsorption gas of hard coal and soft coal in different quality ratios were done according to the Langmuir single molecule layer absorption theory. Gas constant mensuration instrument WY-98B was used during the experiments. Isothermal adsorption curves, adsorption constants a and b of the mixed coal samples in different quality ratios were established for qualitative and quantitative analysis. The relationship curves of adsorption quantity with changing pressure and variation equation of adsorption constants a, b with changing thickness ratio shows that the thickness of soft layer and hard coal approximately equal, thus resulting in outburst at greatest risk, then a theoretical base for the mechanism of coal and gas outburst has been put forward and a technical support scheme for engineering control of gas outburst is laid out.