煤体孔隙结构及分形特征的实验研究

采用低温氮吸附实验测定6种煤样的孔隙参数及等温吸附曲线,研究煤样孔隙表面分维数与孔隙参数之间的关系。采用FHH模型计算各煤样的孔隙表面分形维数。结果表明:表面分维数能够较好地表征孔隙结构的非均质性及复杂性;分形维数越大,孔隙结构越复杂、孔隙表面越不规则。     

构造煤孔隙结构的分形特征及其与吸附性的关系

针对煤体结构不同的构造煤样,利用氩离子抛光扫描电镜、等温吸附和低温液氮吸附等实验手段,对研究区煤样孔隙特征及吸附性能进行了研究,并计算了煤样孔隙的分形分维值D1和D2。实验测试的构造煤中,糜棱煤微孔隙形态最为复杂,比表面积最大,吸附能力最强,其次为揉皱煤、鳞片煤和片状煤。     

基于低场核磁共振技术的酸化煤样孔隙特征研究

为研究酸化作用后煤体的孔隙结构特征,采用低场核磁共振技术和X射线衍射实验方法,测试了高阶煤自然煤样和酸化煤样的孔隙结构和矿物含量,并根据分形理论对比研究了2种煤样孔隙的分形维数,探讨了酸化作用原理.研究结果表明:自然煤样和酸化煤样中微孔和过渡孔都占较大的比例;煤样酸化后,其孔隙率增大,最小孔径和最大孔径都变大;酸化作用...     

煤孔隙分形特性及其吸水性能的研究

利用压汞法测量了几种煤样的孔隙分布,分析了各煤样孔隙体积和表面积的分形规律和分形维数,以及两种分形维数的相关性。实验观测了各种煤样的吸水和失水速度,分析了吸、失水速度随时间变化的规律及其与孔隙分维数的相关性,建立了吸、失水速度随孔隙分维数和最大孔隙直径变化的回归方程,为煤层注水提供了必要的理论基础。     

煤的微观孔隙结构对其自燃倾向性的影响

为了考察煤的微观孔隙结构对其自燃倾向性的影响,选取气煤、肥煤和焦煤煤样为研究对象,通过压汞试验测量得到不同煤样的微观孔隙分布数据,结果分析表明:直径小于100 nm的孔隙分形维数在2~3内,煤样微观孔隙具有良好的分形特征,满足分形理论描述多孔介质的微观孔隙分布特性。通过煤自然发火模拟系统,对气煤、肥煤和焦煤煤样进行升温氧化模拟试验,并绘制煤样升温氧化过程中气体产物浓度随温度变化的曲线,试验结果显示了煤微观孔隙结构与其自燃倾向性的关系:煤样的变质程度越高,其内部结构越致密、内生裂隙相对较少,发生氧化反应的温度也越高。     

基于核磁共振技术的煤体微观孔隙结构研究

为了了解煤样的微观孔隙结构特征,应用核磁共振技术(NMR)对煤样孔隙类型、连通性、孔径分布等特性进行分析,结合X射线衍射(XRD)和计算机断层(X-CT)扫描测试结果探究了煤样的物相组成、矿物质成分及表观形貌特征。结果表明:测试煤样含有多种矿物质成分,主要为高岭石、方解石和黄铁矿等,矿物质主要夹杂在煤样割理系统中;NMR测试的横向弛豫时间T2谱呈典型的三峰曲线,依照0.5~5 ms,5~100 ms,和100 ms的弛豫时间区间可将煤样内部孔隙类型对应为吸附孔、渗流孔和扩散孔;所测煤样的T2截止值在10~20 ms之间,表明具有高度发育的微观孔隙和较为发育的中孔结构;NMR的测试结果与CT扫描的三维可视化分析结果相吻合,证实样品具有较高的非均质性。NMR技术能较好弥补CT扫描在微孔观测中的不足,呈现出更为具体的煤样内部微观孔隙特征。     

煤孔隙分形特征及其随温度的变化规律

利用分形几何学理论对煤孔隙结构进行了定量的描述和研究,推导了煤孔隙分形维数的表达式;利用压汞法测量了煤样在不同温度下的孔隙分布,从试验方面验证了煤孔隙所具有的分形特征,并利用这些试验数据求得了煤样孔隙体积的分形维数,得出了温度越高,煤孔隙分形维数越明显,并且呈线性增大的结论.     

基于液氮吸附的煤体孔隙结构测试研究

为研究煤体孔隙结构特征,实验室采用液氮静态吸附法对马兰8#煤、振兴二矿2#煤、润宏矿3#煤的3种煤样的孔隙结构特征开展了煤样颗粒比表面积、孔径、孔容等研究。结果显示,孔隙发育程度大小顺序依次为:振兴2#煤>润宏3#煤>马兰8#煤,且孔隙以微孔和中孔为主。该研究可为研究煤层瓦斯赋存及流动规律提供参考依据。     

褐煤在微波场下的孔隙结构及其分形维数变化特征

为了探究微波辐照对褐煤孔隙结构及表面形貌的影响,将低温氮吸附法和扫描电镜相结合。测定了煤样经微波辐照前后比表面积、孔容、平均孔径及分形维数的变化;通过扫描电镜清楚观察到煤样的孔隙形状及表面形貌。试验表明:随着微波辐照时间/功率的增加,煤样孔隙分形维数值逐渐减小;平均孔径逐渐减小,比表面积和孔容先明显减小随后略微增加;褐煤表面逐渐趋于平整光滑,孔洞收缩。     

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。     

瓦斯压力对卸荷原煤力学及渗透特性的影响

运用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置,以原煤煤样作为研究对象,在不同瓦斯压力条件下对含瓦斯煤进行了固定轴向应力的卸围压瓦斯渗流试验,研究卸围压过程中瓦斯压力对煤体的力学及渗透特性的影响。研究结果表明：开始卸围压后,煤体出现明显的扩容现象,径向发生明显膨胀应变,煤体中的渗流通道张开,煤体中瓦斯的渗流速率随之加快;随着瓦斯压力的升高,解除单位围压后煤样产生的变形变大,渗流速率升高的速率也随之增大;瓦斯压力越高,煤样从开始卸围压起至破坏的时间越短,即煤体强度越低;在卸围压初始阶段,煤样变形模量变化不大,在进入屈服阶段和失稳破坏阶段后,煤样的变形模量减小的速率开始明显加快。从煤样开始卸围压至破坏之前,煤样的变形模量下降了3.71%~7.45%;煤样的泊松比逐渐增大,围压与泊松比的对应具有较为明显的幂函数关系。     

三轴条件下含瓦斯煤力电感应规律的试验研究

应用自主研制的电荷感应系统,在三轴压缩条件下研究不同围压和孔隙压力对含瓦斯煤在破坏过程中电荷感应信号的影响规律。试验结果表明：在围压一定情况下,随着孔隙压力的升高,电荷感应信号减弱,孔隙压力对煤样压缩破裂产生的电荷感应信号起到弱化作用;在孔隙压力一定的情况下,随着围压的升高,电荷感应信号增强,围压对煤样压缩破裂产生的电荷感应信号起到强化的作用。     

煤与瓦斯共采钻孔增透半径理论分析与应用

在煤与瓦斯共采时,受采动加、卸载应力影响,瓦斯抽采钻孔围岩塑性区内煤体会产生大量裂隙,增大了瓦斯的渗透率,形成瓦斯增透圈,增透圈半径的大小直接影响瓦斯的抽采效果。以钻孔围岩"蝶形塑性区"理论为基础,建立了钻孔塑性区与瓦斯增透圈模型,首次推导出了钻孔增透圈半径解析式。深入分析了钻孔增透半径影响因素发现:增透半径与钻孔半径成线性正比例关系,与最小围压和围压比值呈类指数增长关系,与岩石黏聚力和内摩擦角呈负指数变化关系;其中最小围压与围压比值是影响增透半径的关键因素,深部开采与高围压比值是形成大尺寸有效增透圈的必要和充分条件。这一理论为煤与瓦斯共采中瓦斯抽采钻孔间距设计、位置选择、方向确定、采场与钻孔布置在时间和空间上关系协调提供了科学依据。     

分阶段卸载条件下突出煤变形特征与渗流特性

为研究下保护层开采过程中采动应力作用下含瓦斯突出煤的渗流特性,利用自制的三轴渗流试验机,进行了恒定轴压卸围压、增大轴压卸围压、轴压围压同时卸载等3种不同加卸载条件下的分阶段卸围压煤样瓦斯渗流试验。试验结果表明:试验中煤样的变形具有明显的阶梯状特性,煤样未破坏时,应变增量随着围压卸载速率的增大而增大。随着围压的卸载,恒定轴压卸围压组和增大轴压卸围压组煤样的偏应力不断增大,其渗透率则呈现出先减小后增大的趋势,而轴压和围压同时卸载组煤样的渗透率则随着围压的卸载,呈现出不断增大的趋势。煤样体积应变变化量较大时,渗透率变化量也大。从能量的角度分析渗透率的变化,发现煤样渗透率均随能量耗散率的增大而呈指数增大。     

围压对煤体力学性质影响的实验研究

利用含瓦斯煤三轴伺服渗流系统,对突出型煤试件进行不同围压的三轴压缩试验。试验结果表明:围压对煤样的弹性模量、峰值强度和变形特性都有一定程度的影响;煤样的弹性模量、峰值强度和变形都随围压的增大而增加。根据以上的研究,围压对煤岩体强度的影响规律和煤岩体的变形特性,对进一步认识含瓦斯煤岩的力学性质具有重要的意义。     

含瓦斯水合物煤体强度特性三轴试验研究

含瓦斯水合物煤体力学性质准确测定是利用水合物技术预防煤与瓦斯突出的重要基础。利用水合固化反应与三轴压缩一体化原位试验装置开展了饱和度变化对含水合物煤体强度特性影响试验。结果表明：随着围压增加(1,2,3 MPa),含瓦斯水合物煤体应力-应变曲线从软化型向硬化型转化,破坏强度显著增加;随着饱和度增加,煤样破坏强度线性增加,饱和度对黏聚力和内摩擦角无明显影响;与含瓦斯煤体的强度特性比较发现,水合物生成提高了煤体破坏强度、变形模量和内摩擦角,而黏聚力没有明显变化。     

含瓦斯煤渗透率演化模型和实验分析

与气体压力有关的煤层渗透率变化规律是煤矿开采和煤层气开发过程中的重要问题,不同应力条件下,不同类型煤样的渗透率演化特征不同。为了研究瓦斯压力变化过程中煤样渗透性的变化规律,以开滦赵各庄煤矿9号煤层的煤样为研究对象,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,在恒定温度、轴压和围压,降低瓦斯压力的实验条件下测定了煤样应变和瓦斯渗透率。实验结果表明:随着瓦斯压力的降低,煤样收缩应变加剧,渗透率表现为两种变化趋势:逐渐增大和先减小后增大(渗透率回升对应的瓦斯压力小于1. 0 MPa)。瓦斯压力降低至0. 3 MPa时,渗透率为初始条件下(瓦斯压力2. 0 MPa)渗透率的1. 9～2. 9倍。考虑到煤样在径向和轴向的收缩应变数值接近,针对三维变形煤样建立了渗透率模型,模型同时体现了气体压力和气体解吸对渗透率的影响。理论分析表明,降压过程中煤的渗透率将在某一气体压力(反弹气体压力pr)时由降低转为升高。推导的反弹气体压力pr计算公式显示pr的取值由煤样的体积模量K、与吸附效应有关的Langmuir系数εp和pL共同决定;体积模量K与吸附变形系数εp越大,pr越大。值得注意的是,pr的取值与煤样的外部应力以及内部的气体压力无关。结合本文和前人的实验数据,由本文的渗透率模型计算得到了不同应力和瓦斯压力条件下的煤样渗透率变化曲线以及相应的反弹气体压力pr。模型计算结果与实验数据接近,最大相对误差低于8. 9%。研究表明,实验测得煤样的渗透率表现为何种变化趋势,取决于反弹气体压力pr和实验气体压力的关系。当pr≥pmax(实验测点中最大的气体压力值)时,渗透率随着气体压力增大而降低;当pr≤pmin(实验测点中最小的气体压力值)时,渗透率随着气体压力增大而增大;当pminprpmax时,随瓦斯压力的增大,煤样渗透率呈"V"形变化,即先减小后增大。     

沁水盆地南部煤层气井排采储层应力敏感研究

为分析煤层气排采不同阶段煤储层应力敏感性及渗透率变化的影响因素,采集沁水盆地南部煤样,开展了不同实验条件的应力敏感实验。结果表明:有效应力从0增加到10 MPa时,煤样渗透率减少了50%~70%;有效应力从10 MPa增加到20 MPa时,损失量仅约占初始渗透率的10%;有效应力低于2.5 MPa时,应力敏感性较强;有效应力增加到3.5 MPa的过程中,渗透率损害系数急剧上升,渗透率损耗为20%~30%;有效应力从2.5 MPa增加到9 MPa时,应力敏感性最强,有效应力从3.5 MPa上升至9 MPa时,渗透率损害系数快速下降,渗透率损耗约60%;有效应力自9MPa之后,渗透率损害系数缓慢下降,渗透率损耗约10%;渗透率损害率介于30%~65%,临界应力为7~11 MPa。有效应力较低且不变时,煤样渗透率随孔隙压力增加而增加。围压不变时,随有效应力下降和孔隙压力增加,煤样渗透率下降,这与有效应力和孔隙压力变化引起的煤储层渗透率变化量有关。     

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。     

基于核磁共振的煤岩孔裂隙应力变形特征

为探讨煤岩孔裂隙应力变形特征,设计不同围压（0,2,4,6,8,10 MPa）下的核磁共振实验,并基于弯曲变形理论对煤岩孔裂隙应力变形问题进行理论分析。实验得到各煤样孔裂隙在不同围压下的核磁共振T2谱图,绘制了各煤样不同围压下不同孔径的孔裂隙核磁信号衰减率图,推导出煤岩应力变形时孔裂隙截面积弹性减小率公式。实验显示：煤岩孔裂隙应力变形存在差异性：相同围压下,裂隙变化最显著,大中孔次之,微小孔变化微弱;对孔隙（或裂隙）而言,孔径大者变化程度大;但无烟煤样不同孔径孔裂隙应力变形差异性不明显。理论分析表明：相同应力作用下,孔径越大,孔裂隙应力变形越严重。煤岩孔裂隙在实验中通过加载围压发生的“被动式”变形与实际排水降压生产过程中在有效应力作用下的“部分主动式”变形存在一定差异,需引起注意。