不同煤阶煤体吸附储存CO_2膨胀变形特性试验研究

利用自主研发的气体等温吸附装置并辅以TST3827动静态应变测试系统,针对4种不同煤阶的煤样试件,在恒定温度(50℃)不同吸附压力条件下,研究了不同煤阶煤样CO_2吸附特性及煤样的吸附变形规律。结果表明:煤体CO_2吸附量与煤阶密切相关,在相同的吸附压力条件下,CO_2吸附量随着煤阶的增大而增大;不同煤阶煤样的等温吸附曲线类似,煤样的CO_2过剩吸附量随吸附压力变化曲线呈现出先升高后降低的特点,在8 MPa左右达到最大值;不同煤阶煤体吸附CO_2后引起的变形也具有类似的变化趋势,即随着CO_2压力的增大,体积应变先增大后趋于稳定,体积应变可以用引入CO_2密度的DR模型进行描述,且随着煤阶的增大,体积应变逐渐减小;由于煤体层理结构特征,煤体在垂直于层理方向的应变约为平行于层理方向应变的1.8~2.3倍;煤体体积应变与绝对吸附量在气态CO_2中呈线性增长关系,当CO_2达到超临界状态以后随着绝对吸附量增加体积应变趋于稳定,且煤体吸附相同量CO_2产生的体积应变随煤阶的增大而减小。     

突出危险煤吸附、解吸瓦斯变形特性试验研究

采用自主研制的煤体高压吸附-解吸变形试验系统,进行了突出危险煤在不同瓦斯压力条件下的吸附-解吸变形全过程试验,探讨了突出危险煤吸附瓦斯产生膨胀变形、解吸瓦斯产生收缩变形这一特有的力学行为。研究结果表明,突出危险煤在不同瓦斯压力下随时间的变形曲线具有相同的演化规律,即先后经历抽真空收缩变形、充气压缩变形、吸附膨胀变形、卸压膨胀变形、卸压后弹性恢复变形和解吸收缩变形等6个阶段;吸附膨胀变形和解吸收缩变形过程中,煤样的应变变化率绝对值均随时间逐渐减小,直至一个相对稳定值,其变形规律服从朗格缪尔方程;煤样的吸附膨胀变形和解吸收缩变形均呈各向异性,垂直于层理方向和平行于层理方向的应变整体变化趋势呈现一致性,但由于煤体内部裂隙分布差异,使垂直层理方向的应变明显大于平行层理方向的应变;煤样吸附膨胀变形值与瓦斯压力关系对二次函数和朗格缪尔方程均具有较好的拟合效果,煤样解吸收缩变形值与原始瓦斯压力呈很好的幂函数关系和二次函数关系;煤样解吸瓦斯后存在一定的残余变形值。     

瓦斯吸附对煤体的影响分析

利用自行研制的实验装置研究了在瓦斯压力变化过程中煤体吸附瓦斯后发生的变形,并在已有研究的基础上讨论了瓦斯对煤体的影响。研究结果表明：煤样吸附瓦斯气体后发生膨胀变形;游离和吸附瓦斯的存在会削弱煤体的强度,使煤体脆性度增大,其失稳破坏更易发生,煤体失稳破坏进程加快;煤体吸附的瓦斯气体中吸附性越强的气体所占比例越大,煤体发生的膨胀变形将越大;在现场受限条件下,煤体产生的膨胀应力越大,煤体的强度降低得越多。     

CO2驱替煤层CH4中混合气体渗流规律的研究

CO2驱替开采煤层气过程中,由于CO2和CH4的竞争吸附,CO2/CH4混合气体在运移时CH4体积分数会不断发生改变,进而影响煤体变形和渗透特性。利用自主研发的三轴渗流系统,采用稳态渗流法对焦煤样进行单一组分气体(He,CH4和CO2)和不同配比的CH4/CO2混合气渗流试验。渗流过程中保持温度和体积应力(30 ℃、33 MPa)恒定,并利用LVDT测量煤体的轴向变形。结果表明:① He和不同配比CH4/CO2混合气的渗流过程均受滑脱效应的影响,气体渗透率随入口压力增大呈先减小后缓慢增大的变化;对于非吸附He,入口压力Symbol|@@2 MPa时滑脱效应对气测渗透率的影响要远远大于有效应力效应;② 在一定的体积应力条件下,不同配比CH4/CO2混合气体吸附引起的煤体膨胀应变随入口压力增加而增大,变化规律符合Langmiur方程,且在相同入口压力条件下,混合气体中CO2浓度越高,煤体膨胀应变越大;③ 在考虑有效应力效应、吸附膨胀应变对渗透率的动态影响以及滑脱因子b随煤体渗透率变化的基础上,建立了煤体气测渗透率理论模型,该模型能够描述不同配比CH4/CO2混合气体以及He渗透率随入口压力的变化;④ 随着煤储层CH4/CO2混合气体压力增大或者CO2体积分数升高,基质膨胀应变对煤体渗透率的影响逐渐减小。煤体中靠近孔裂隙的基质吸附膨胀对渗透率的影响(β)随入口压力的增加逐渐减小;CH4/CO2混合气体中CO2体积分数越高,β减小速率越大。     

保德矿区煤体渗透率对层理夹角的响应规律试验研究

为分析保德矿区煤体渗透率对层理夹角的响应规律,制备了与层理呈不同角度的煤体试样,利用QTS-2煤岩渗透率测试仪,对不同围压、不同进气压力下的煤体渗透率进行了测试,分析了不同角度下气体渗流的容易区与困难区特征。结果表明:保德矿区煤体渗透率对层理角度的响应规律明显,随着气流方向与层理角度的增大,煤体渗透率呈线性减小的规律,0°角与90°角煤样的渗透率差1～2个数量级;随着围压的增大,煤体渗透率呈幂指数减小规律。煤样渗透率反映的是瓦斯气体沿流动方向的难易程度,在实际的瓦斯抽采工程中,当钻孔平行于层理布置时,煤体瓦斯流动的方向反而使垂直于层理,渗透率最小;当钻孔垂直于层理布置时,煤体瓦斯流动的方向反而平行于层理,渗透率最大。     

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。     

煤低压吸附瓦斯变形试验

在瓦斯抽采和煤炭开采过程中,始终伴随着煤对瓦斯的吸附和解吸,煤吸附瓦斯发生膨胀变形,解吸瓦斯发生收缩变形。利用自制的吸附解吸试验装置,测试了煤在低压吸附瓦斯过程中煤体变形规律。试验结果表明：煤样在同一瓦斯压力下的吸附变形分为快速增长、缓慢增长、平衡3个阶段;煤体吸附瓦斯膨胀变形呈各向异性,垂直层理方向和平行层理方向的变形整体变化趋势呈现一致性;在等梯度加压吸附过程中,随着吸附瓦斯压力的不断增大,煤样吸附膨胀变形梯度值逐渐呈增大趋势;一次加压吸附煤膨胀变形量小于等梯度加压吸附至相同吸附压力值时的累积变形量。     

煤层渗透性各向异性规律的实验研究

煤储层具有明显的层理特征,而层理间割理裂隙破坏了煤体的连续性和整体性,从而导致煤层渗透率各向异性。针对这一特征,沿垂直煤层层理、平行层理垂直面割理和平行层理垂直端割理三个正交方向取芯,采用自主研发的煤岩三轴吸附解吸渗流试验系统,在不同围压和气体压力下,对煤样的面割理、端割理、垂直层理方向上的渗透率进行测试分析,结果表明:不同气体压力下,无论是割理方向还是垂直层理方向上渗透率均随着围压增大而减小。在气体压力较低时,面割理方向的渗透率较大,气体压力对端割理方向和垂直层理方向渗透率影响不大。     

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。     

瓦斯压力变化过程中煤体渗透率特性的研究

为了研究煤体渗透率与瓦斯压力之间的关系,以吸附瓦斯煤体变形的应力、应变研究为基础建立了煤体渗透率与瓦斯压力变化的数学模型,并在温度恒定、径向应变受到严格约束和水份不变的条件下进行了实验。采用测量不同吸附特性煤样在不同孔隙压力和不同压差条件下瓦斯渗透流量的方法测定渗透率,渗透流量测量采用排水法与气体微流量计法相结合的测量方法,将其测量结果与数学模型产生的曲线进行对比分析。研究结果表明:渗透率随瓦斯压力的变化而变化,且瓦斯压力对于不同吸附性能的煤样影响程度不同;煤样瓦斯渗透率的理论值与实验值的相对误差最大可达到8.62%。但是从总体的数据来看,理论值和实验值的变化趋势基本一致,因此,可以依据煤样的基本参数和渗透率数学模型计算出该煤样在某一瓦斯压力下的渗透率。     

煤吸附CO_2气体的变形特征及孔隙影响分析

选取赵各庄和忻州窑的2组煤样,放置于不同压力的二氧化碳气体环境中,观测煤样的径向和轴向变形,并对煤样进行了低温液氮吸附,同时采用Langmuir方程表征煤样应变与气体压力的关系,拟合参数εmax和pL分别反映了煤的最大变形值和煤体变形随气体压力的变化程度;忻州窑煤样的吸附变形和比表面积均大于赵各庄煤样,小孔和微孔含量丰富是造成煤样比表面积和吸附变形增加的根本原因。     

霍普金森杆冲击加载煤样巴西圆盘劈裂试验研究

为研究煤样动态拉伸变形破坏特征,利用分离式霍普金森杆冲击加载系统,对煤样进行冲击条件下巴西圆盘劈裂试验,探讨了冲击速度和煤样中层理倾角对煤样动态抗拉强度、破坏应变及应变率的影响;并通过高速相机和数字散斑图像分析方法,对样品的动态劈裂及表面应变场变化过程进行了初步分析。研究表明:冲击速度和层理倾角对煤样动态拉伸破坏特征有明显影响。冲击速度越大,煤样动态抗拉强度则越大,但其随冲击速度增加的幅度逐渐减小;样品破坏应变在冲击速度为3.5 m/s时出现最大值。在冲击速度相近的情况下,层理与加载方向夹角相垂直时,样品的破坏应变相对较大,而应变率则最小。抗拉强度随层理倾角波动变化。在层理倾角与加载方向平行或非垂直时,煤样主要表现为拉伸破坏;在层理与加载方向非平行或非垂直时,样品表现出基质的拉伸和层理的剪切破坏相伴生。     

高压空气冲击煤体增透技术实验研究

煤层渗透性是矿井瓦斯抽采及瓦斯突出防治的重要参数,而高压空气冲击煤体技术为提高低透气性煤层的渗透性提供了新的思路。该技术与炸药深孔爆破有较大的区别,其免去了较多的潜在危险。对所选取的海州煤矿和艾友煤矿的煤样进行抗压实验和高压气爆实验,记录煤样的物理参数和实验参数,测试计算了高压气体冲击煤体前后煤层渗透率的变化规律,结果表明:气爆后煤样的渗透率总体增大,平均增加了81%以上;高压气体的压力越大,煤样气爆后渗透率的增量越大。根据海州矿10组煤样气爆后渗透率的增量与气爆压力,经回归分析,煤样气爆后渗透率的增量Δk与气爆压力p呈幂函数关系,Δk=2×10-13p11.148。这些规律为高压空气冲击煤体增透技术在现场的实际应用提供了理论依据。     

含瓦斯煤体渗吸水变形特征实验研究

为了研究含瓦斯煤体渗吸水变形特征,利用自主设计搭建的承压瓦斯自然吸水实验系统,开展煤体在0.5、1.0、1.5、2.0 MPa瓦斯吸附平衡压力下的自然渗吸水实验。实验结果表明:气体吸附阶段,瓦斯压力越大,煤体横、纵变形量越大,纵向变形量约为横向变形量的2倍;自然渗吸阶段,煤体横、纵变形量均大于同一瓦斯压力下单纯气体吸附过程,实验系统环境压力值小幅升高,压力上升最大值为0.013 MPa,表明水渗吸同时存在瓦斯解吸过程;卸压泄水阶段,不同瓦斯压力下煤体的含水率分别为0.98%、1.05%、1.51%、2.24%,体应变和初始瓦斯压力二次相关,煤体体应变残余变形值较大,表明水渗吸作用后含瓦斯煤体变形的不可逆性和破坏性。     

煤层吸附He,CH_4和CO_2过程中的变形特性

为深入研究煤层吸附气体过程中的变形特性,开展了He,CH_4,CO_2三种气体作用下的煤层吸附变形实验,同步测试煤样在CH_4,CO_2气氛下的气体吸附量,探讨了煤样等温吸附变形机理,建立了综合考虑吸附态气体和游离态气体作用的煤等温吸附变形模型。结果表明,He作用下煤样产生压缩变形,应变曲线可分为孔隙压密和线弹性变形两个阶段; CH_4和CO_2气氛下煤样吸附变形与吸附量均呈非线性关系,相同吸附量条件下煤样吸附CH_4产生的膨胀变形量大于吸附CO_2产生的膨胀变形量;煤基质在CO_2气氛下比在CH_4气氛下更容易产生压缩变形;游离态气体不仅通过孔隙压力对煤基质有压缩作用,还能通过改变煤结构促进煤的膨胀变形。可用二次函数表达游离态气体作用下的煤样变形量与孔隙压力关系。与相关模型的对比分析表明,建立的等温吸附变形模型能够对试验数据进行精确拟合,并能够很好地描述煤样在不同吸附性气体作用下的吸附变形特征。     

考虑瓦斯吸附作用的真三轴煤体剪切渗流特性试验研究

在煤炭资源科学开采过程中,煤层内部伴有复杂的瓦斯运移行为,其常处于真三轴应力状态,而当前物理试验不能反映瓦斯吸附饱和煤体的真实受力的动态状况,为此,利用自主研制的真三轴气-固耦合煤体渗流试验系统,开展了以甲烷和氦气作为吸附介质、渗流介质的煤体吸附渗流试验,对比分析了甲烷吸附在真三轴应力环境中对煤体变形和渗透率等影响的作用机理。试验结果表明:1)与氦气吸附试验定量对比分析可知,甲烷吸附作用受围压性质影响,在柔性围压一侧容易产生膨胀变形,而在刚性围压一侧产生微小变形;2)在不同的真三轴剪切应力环境中,中间主应力越大,煤体最小主应力方向上的应变速率越大;3)中间主应力效应具有双重作用,中间主应力效应与围压效应存在差异,当中间主应力超过一定的应力范围后,煤体峰值强度降低,其渗透率提高。研究成果为治理煤与瓦斯突出、提高煤层气抽采率提供了试验参考依据。     

煤体瓦斯运移诱发电位信号的实验研究

为了研究瓦斯在煤体中运移引起的电位信号,设计了煤体充放瓦斯电位信号实验系统,测试了不同压力下瓦斯在煤体运移产生的电位信号。实验结果表明,瓦斯在煤体中的流动会引起煤体电位变化,在煤样进气口处产生的电位信号强度高于煤样中部电位信号强度,而在放气口处未测到显著的电位变化,随着瓦斯压力的衰减,煤样的电位信号强度减小;瓦斯流动电位与充气压力之间不存在显著线性关系,充气过程电位强度高时,相应放气过程产生的电位强度较低,而充气过程产生的电位强度低时,对应放气过程产生的电位信号强度较高;煤体瓦斯流动电位信号的产生主要为瓦斯气体对煤体微结构的冲击破坏而产生自由电荷,以及气体在煤体孔隙内流动的流动电势及瓦斯与煤体气固两相摩擦起电等。     

粒度对煤吸附/解吸一氧化碳的影响

CO常作为有效标志气体用于煤自燃预报预警,采空区自燃封闭后CO迅速降低甚至消失的致因尚不明晰,影响煤自燃程度的精准判定。为深入研究煤体对CO气体的吸附/解吸特征,采用压汞和液态氮气吸附实验,测试研究煤样孔隙结构;利用自主研发的气体吸附/解吸装置,在303.15～333.15 K与0.15～0.50 MPa条件下,探索不同粒度煤样对CO气体吸附/解吸特性的影响,并深入分析CO的吸附速率和解吸滞后效应。结果表明：灵新矿不黏煤煤样的孔容以大孔和过渡孔为主,分别占33.02%和38.26%;孔比表面积以微孔和过渡孔为主,共占97.73%。粒径减小,微孔孔容与孔比表面积所占比例增加,过渡孔和中孔的孔容与孔比表面积所占比例减小,不同粒径煤样对CO气体吸附量与压力成正比;压力一定时,CO吸附量与温度成反比;同温同压条件下,煤样粒径越小,CO吸附量越大;相同温度下,煤对CO饱和吸附量与粒径呈正相关关系,CO解析过程中,粒径减小,饱和吸附量a值增大;煤样对CO吸附速率可划分为3个阶段：0～750 s为快速上升期、750～2 250 s为缓慢上升期、2 250～3 600 s为饱和平衡期;不同粒径煤样CO...     

孔隙压和吸附引起煤体变形规律的试验研究

为研究孔隙压力和吸附作用单独引起的煤体变形效应,利用固流耦合试验装置,在恒温恒压条件下测量不同孔隙气体(Ar、CO_2、CH_4)及孔隙压力条件引起煤体的轴向变形及侧向变形。研究发现:孔隙压力和吸附作用单独引起的轴向和侧向变形都随孔隙压的增大而增大,轴向应变大于侧向应变;孔隙气体引起的煤体有效应力系数α由孔隙压物理力学作用和吸附化学作用共同组成,可表示为α=α_1+α_2;有效应力系数α_1和α_2均遵循关于孔隙压力p和体积应力Θ的双线性规律;有效应力系数存在各向异性,垂直于层理方向的有效应力系数大于平行于层理方向的有效应力系数。     

煤体吸附瓦斯过程表面电位特征实验研究

为了研究煤体吸附瓦斯过程表面电位特征规律,设计了煤体吸附瓦斯过程的表面电位实验系统,测试了不同压力下煤体吸附瓦斯的电位信号。实验结果表明,煤体在吸附瓦斯过程中能够产生表面电位信号,且随着吸附时间的增长表面电位信号逐渐增大。对于同一个煤样,不同瓦斯压力下吸附过程中煤体产生的表面电位信号对前一次吸附瓦斯压力下煤体产生的电位信号具有记忆效应,当吸附瓦斯压力超过前一次吸附瓦斯压力值时,煤体产生的表面电位信号较大。而当吸附瓦斯压力低于前一次吸附瓦斯压力值时,煤体产生的表面电位较小。煤体吸附瓦斯产生表面电位信号的主要原因是瓦斯气体在煤体孔隙内渗流时产生流动电势,以及瓦斯气体对煤体微裂纹、裂隙的破坏产生的自由电荷等。