液氮溶浸时间对烟煤渗流特性的影响及传热过程模拟

低透气性一直限制着我国煤层气的高效抽采,近年来,液氮致裂技术因其绿色环保、增透效果显著等优势成为研究热点.低温液氮在冷冲击致裂煤层的同时,热量也在发生迁移,液氮对煤层的致裂效果是随时间逐渐发生衰减的.为了保证液氮致裂全程的高效性、节约工艺时间,有必要对液氮致裂过程进行细化研究,精确评价其时间效益.为此,选择安徽省淮北煤矿中阶烟煤分别进行了1,5,10,30 min的液氮溶浸处理实验,并对传热过程进行数值模拟.结果表明:1)液氮溶浸处理可显著提升煤体的渗透率,处理后的煤样较初始状态渗透率增幅可达208.82％～432.50％.2)液氮溶浸处理后,拟合参数"a"值明显增大,即煤体渗透率对孔隙压力的敏感性增大;随着围压的上升,拟合参数"a"值呈减小趋势,即煤体渗透率对孔隙压力的敏感性逐渐减小.3)实验结果表明随着溶浸时间的增长,液氮的致裂增透效果是在逐渐衰减的;根据数值模拟结果,将液氮溶浸致裂煤体分为3个阶段:0～158 s为高效致裂阶段,158～450 s为正常致裂阶段,450 s后为低效致裂阶段.     

液氮溶浸作用对不同煤阶煤样渗流特性的影响

中国低透气性煤层广泛赋存且煤阶跨度较大。针对不同煤阶、性质煤层如何确定有效的液氮致裂方式是一个亟待解决的难题。为此,分别选择褐煤、烟煤和无烟煤3种煤阶的煤样进行不同条件下的液氮溶浸,并使用摄像机定点拍摄、观察煤样表面宏观裂隙的演化规律,使用受载煤体注气驱替瓦斯测试实验系统与纯度为99.999%的氮气测试得出煤样渗透率的变化规律。对实验得到的煤样渗流曲线趋势进行简要讨论,对比分析了液氮处理不同阶段煤样的渗透率数值。实验结果表明:①相同围压条件下,煤样的渗透率随着气体压力的增加呈"U"型变化趋势,使用二次函数公式拟合效果良好;②单次液氮处理即可对褐煤煤样产生显著增透效果;③通过增加液氮循环处理次数可有效提升液氮对烟煤的增透效果,一次液氮溶浸处理后的烟煤渗透率增幅最大达到514.89%,两次处理后最大可达到1 129.79%;④多次液氮处理对无烟煤透气性的改善不甚明显,只会逐渐降低其抗拉强度,通过增大热冷冲击温度梯度的液氮处理方式可以有效改善无烟煤透气性,在围压-气压为2.00～1.25 MPa时,初始温度50℃的无烟煤液氮处理后的渗透率增幅仅为2.44%,而初始温度100℃的无烟煤处理后的渗透率增幅达到125.43%;⑤基于实验结果讨论、提出适宜于不同煤阶煤层的液氮致裂增透方法。     

多因素对煤体渗透率影响的试验研究

为了探讨煤体渗透率的影响因素,利用损伤煤岩体渗流试验系统,进行了不同轴压、围压和瓦斯压力下煤体渗透率的渗流试验。试验结果表明:煤样在相同围压条件下时,渗透率与轴压的关系符合二次多项式函数;煤样在相同轴压条件下时,渗透率与围压的关系符合幂函数;在相同应力情况下,煤样的渗透率随瓦斯压力的升高先降低后升高,呈现"V"字形变化趋势,煤样的临界瓦斯压力值随煤样应力值的增大而增大;煤样轴向渗流的渗透率对围压的敏感性远大于轴压,渗透率对围压的敏感性大约是对轴压的敏感性的8.5倍。     

不同应力组合条件下煤岩渗透率的试验

利用自制含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置,对煤岩在不同轴压、围压和瓦斯压力组合下进行渗流试验,研究不同围压和瓦斯压力组合下的全应力-应变及在不同应力组合下煤岩渗透性的影响规律。结果表明：煤岩的渗透率随体积应力变化有三个阶段;在轴压和瓦斯压力一定的条件下,渗透率随着围压的增加而减小,且与围压呈二次曲线关系,围压对渗透率的影响比轴压大;在轴压和围压一定的条件下,渗透率随着瓦斯压力的增加先减小后增大,且与瓦斯压力呈三次曲线关系,渗透率减小阶段滑脱效应占主导地位;在一定瓦斯压力和相同体积应力下,渗透率随轴压的增加而增大,随围压的增加而减小,而且呈线性规律。     

三向应力条件下煤体渗透率演化模型研究

为了掌握三向应力条件下煤体渗透率的变化规律,基于捆绑的火柴棍模型,采用弹性理论分析了煤体基质和裂隙变形对渗透率的影响,建立了两种三向应力条件下煤体渗透率的动态演化模型——指数型和立方型,两种模型均突破以往较多模型采用的单轴应变假设,考虑了三向受力条件下煤体的横向应变不为0以及轴向荷载增加的情况。在分别改变轴压围压组合值、气体压力条件下,将理论模型与室内试验结果进行对比分析,结果表明:煤体渗透率随着载荷水平的升高而减小、随着气体压力的升高而增大;两种条件下指数型渗透率模型对煤体渗透率演化过程的定量描述均优于立方型。     

循环加卸载下含瓦斯煤能耗与渗流特性研究

以马兰矿8#煤层煤样为研究对象,进行不同围压下的采动轴向循环加卸载实验,研究煤体渗流特性及能耗损伤特征。结果表明:随着轴向应力的循环加卸载,σ1-ε1曲线呈现螺旋式上升,卸载曲线与下一次的加载曲线之间形成明显的滞回环,加卸载渗透率-应变曲线逐渐变为细长的"条带状"曲线,并在较低围压下出现交叉;随着加卸载次数的增加,渗透率绝对恢复率减小,最大降低率达20%左右,围压越大渗透率恢复越困难。随着加卸载上限应力的增大,煤体在加卸载过程中吸收的总能量、弹性能和耗散能均随着循环次数的增加而增加,煤体的损伤变量也在增大,但增加速率较缓;在循环加卸载结束至煤体屈服点阶段,渗透率随损伤增加呈对数函数减小,直至达到渗透率最低点;在屈服点至煤体破坏阶段,煤体损伤变量增加速率变快,渗透率随损伤的增加呈指数函数增大,煤体开始加速破坏。     

煤样渗透率围压敏感性试验研究

根据采掘工作面前方煤体的复杂受载状态,利用自主研发的受载煤岩瓦斯渗流试验系统,研究了不同含水率煤样在2次加、卸载围压过程中的渗透率变化特性。研究结果表明:随着围压的增加,煤样的无因次渗透率及渗透率损害系数减小,且减小幅度逐渐趋于平缓;第1次加载过程的应力敏感性要大于第2次加载过程,应力敏感系数随着煤样含水率的增加而增加;围压升降过程中煤样渗透率的变化是不完全可逆过程;第1次围压加、卸载过程中,渗透率损害很大,且随着含水率的增加而增大,第2次加、卸载过程中渗透率损害率较小。研究结果可为深入认识煤层瓦斯运移规律提供试验基础,也可为煤层瓦斯抽采和煤矿瓦斯灾害防治提供理论支撑。     

不同应力组合条件下煤岩渗透率的试验

利用自制含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置,对煤岩在不同轴压、围压和瓦斯压力组合下进行渗流试验,研究不同围压和瓦斯压力组合下的全应力-应变及在不同应力组合下煤岩渗透性的影响规律。结果表明：煤岩的渗透率随体积应力变化有三个阶段;在轴压和瓦斯压力一定的条件下,渗透率随着围压的增加而减小,且与围压呈二次曲线关系,围压对渗透率的影响比轴压大;在轴压和围压一定的条件下,渗透率随着瓦斯压力的增加先减小后增大,且与瓦斯压力呈三次曲线关系,渗透率减小阶段滑脱效应占主导地位;在一定瓦斯压力和相同体积应力下,渗透率随轴压     

含瓦斯原煤样的渗透特性试验研究

 为了解井下煤层受采动作用的影响,原岩应力升高与降低的过程中引起的煤体瓦斯渗透特性变化规律,利用MYS-Ⅰ型煤岩样渗透率测试系统,对原煤煤样通过改变围压和瓦斯压力的方法,研究了渗透率与围压和瓦斯压力之间的关系。试验结果表明：围压对煤体渗透率的影响很大;瓦斯压力保持不变时,随着围压的增加,渗透率开始下降很快,降到一定程度之后变化缓慢;在围压保持不变时,瓦斯压力与煤样渗透率之间的关系呈先减小后增大的趋势变化。     

循环载荷作用下煤体渗透率演化的实验分析

多期次载荷作用下的煤体,其孔隙结构会发生复杂变化,渗透率也随之改变。然而,不同加卸载速率与循环周期决定着煤体渗透率变化路径,影响其应力敏感性,开展循环载荷控制下煤体渗透率演化规律研究,对于解释复杂应力场下煤层渗透率的各向异性特征有理论支撑作用。借助于煤层渗透率应力敏感模型分析,研究了影响煤体渗透率变化的关键表征参数及其函数关系;为验证关键参数对煤体渗透率影响,采用预定轴压和气压、加卸载围压的方式开展煤体三轴循环变载气体渗流实验,分析在不同围压(2.0～12.0 MPa)下煤体渗透率和体应变的演化规律;为研究煤体孔隙结构变化对渗透率的影响,通过低温氮气吸附实验和荧光显微镜煤样观测统计,完成了循环载荷加卸载前后煤体孔隙结构变化对比。研究结果表明,煤体加载/卸载过程中渗透率变化趋势与围压变化负相关,总体可以分为线性段、指数段和稳定段等3个阶段;随循环加载次数的增加煤体应变逐步增大,而渗透率却随之降低;相同条件下,煤体渗透率随体应变增加而升高,增幅在16.79%以上,而渗透率恢复率逐步降低,且与围压变化负相关;3次循环加卸载实验导致煤体孔隙结构发生了显著变化,微孔体积提高71.79%,比表面积增加52.19%,而平均孔径降低32.06%,但循环载荷没有改变煤体的最可几孔径;孔隙结构变化的数据表明,微孔体积增加是煤体渗透率劣化的重要标志之一。对比循环载荷作用前后的孔隙结构实验数据发现,影响气体吸附-解吸的孔隙结构变化,决定了"迟滞环"面积,而决定"迟滞环"形状的关键因素是由煤体最可几孔径控制的突变压力。另外,煤体应变包括裂隙体积变化和孔隙体积变化两部分,其中裂隙影响重要度指标(χ)反映了裂隙体积变化在煤体应变中的权重关系,χ变化随围压升高而降低。     

CO2置换CH4试验中煤体应变及渗透率的变化

为研究煤层注CO2置换CH4过程中煤体应变及渗透率的变化特征,采用沁水煤田屯留矿3号煤层圆柱体原煤试样,在不同围压(8～20 MPa)及注入压力(1～6 MPa)条件下,进行注CO2置换煤层CH4试验。研究表明：置换试验中,煤样的轴向、径向及体积应变随有效应力的增加呈指数关系降低,随围压的增加而降低;同时随围压的增加,相同压降范围内的轴向、径向、体积应变降幅呈增大趋势;且相同围压条件下,径向应变大于轴向应变。试验同时发现,同一围压下,受有效应力效应、基质收缩效应及滑脱效应等作用影响,煤体渗透率随着有效应力的增加呈现先降低后增加的变化关系;相同有效应力条件下,渗透率随着围压的增大而减小;且在试验压力范围内,有效应力增加后期渗透率相对初期提高了8.53%~22.45%。     

负压下构造煤加卸载过程瓦斯渗透率变化研究

为了研究在抽采负压作用下、三轴加卸载过程中原煤体试件瓦斯渗透率变化特征,在三轴渗流实验仪的基础上,开发出一种负压可控的流固耦合三轴伺服渗流实验装置,实验结果表明:在相同围压、轴压及进气口瓦斯压力条件下,随着加载负压的增大,煤体瓦斯渗透率随之增大,然而最终趋于一定值;在围压、抽采负压及进气口瓦斯压力保持恒定条件下瓦斯渗透率随着加载轴压的增大而增大,达到峰值后则随着轴压的增大而减小;轴压卸载到零过程中瓦斯渗透率逐渐增大,然而难以恢复到初始渗透率,可能与煤体的塑性变形有关;高应力作用下,提高进出气口压差对提高瓦斯渗透率影响甚微。     

液氮作用下煤体孔隙演变对吸附解吸特性的影响

为研究液氮作用下煤体孔隙演变规律和液氮处理次数对甲烷吸附解吸特性的影响,以山西阳泉无烟煤为例,进行了液氮作用下孔隙演变的压汞试验和一系列吸附解吸试验。结果表明:(1)煤样经4次液氮处理后,不同尺度的孔隙数量均有不同程度的增加,其中液氮处理对大孔数量增加的贡献最大,液氮致裂增透归因于3个原因:孔隙连通,孔裂隙扩展,孔裂隙增生;(2)随着液氮处理次数的增加,液氮处理对甲烷最终吸附量的影响不断减弱,低吸附压力下Freundlich公式能够较好地描述甲烷的等温吸附;(3)改进的Lagergren吸附动力学公式能够更加准确的描述吸附量随时间的变化,煤吸附气体的时间效应几乎不受液氮处理次数的影响,液氮冻融损伤煤体能够促进煤中甲烷的解吸扩散渗流,煤样在液氮处理4次后解吸收益达到最佳。研究结论对原位煤层液氮致裂改性,增产煤层气工艺提供了理论依据。     

煤体高压气体爆破致裂规律的实验研究

为了明确高压气体爆破对煤体渗透性影响的规律,从室内实际煤体高压气体爆破实验入手,研发了煤体高压气体爆破的实验装置,并进行相关实验。通过实验得到:煤体硬度系数在0.5～1.5时,煤体渗透率增加的更加明显;爆破孔的深度在煤体约1/3处时,高压气体爆破煤体增透效果更好;随着起爆压力的增加,煤体的渗透率也随之增加,基本成线性变化;随着煤体围压增加,高压气体爆破后煤体的渗透率增加量相应的在减小,并近似呈线性变化;而孔隙压力的大小对高压气体爆破增透投效果影响不大。     

负压条件下构造煤原煤样瓦斯渗透性实验

利用三轴应力渗流实验装置对坚固性系数为0.3的构造煤原煤煤样进行了加压破坏以及负压条件下含瓦斯构造煤原煤煤样的瓦斯渗透性实验研究。结果表明,坚固性系数为0.3的构造煤原煤样的压裂过程经历了非线性压密阶段、线弹性阶段、应变强化阶段、应力跌落阶段和应变软化阶段等5个阶段。在围压、瓦斯压力一定,同一轴压条件下,加载负压时的煤体瓦斯渗透率要大于不加载负压时的煤体瓦斯渗透率,随着负压增大瓦斯渗透率随之增大。在围压、瓦斯压力一定,同一负压条件下,随着轴压的增大,瓦斯渗透率先逐渐增大到一定峰值后逐渐减小。在围压、负压一定,同一轴压条件下,瓦斯压力越大,煤体的瓦斯渗透率越小。在围压、负压、瓦斯压力一定的条件下,轴压加载到σo值后,开始卸载轴压,随着轴压的卸载煤体瓦斯渗透率逐渐增大,在轴压卸载的初始阶段,渗透率增幅较大;随后在轴压卸载完全的过程中,渗透率的增幅越来越不明显,并且轴压卸载为0时的渗透率要小于煤样试件在加载轴压前的初始渗透率。     

烟煤型煤与原煤渗透特性差异的试验研究

为研究煤体渗透性实验中型煤和原煤的差异性,选择唐山矿和钱家营矿区的烟煤原煤和型煤煤样,通过渗流实验平台对原煤和型煤的渗透性进行试验研究。试验研究了围压对型煤和原煤渗透性的影响差异;以及围压和气体压力不变的情况下,煤样在不同含水率的条件下,水分对型煤的渗透率影响。试验结果表明,型煤和原煤的渗透性随着围压的增大而减小,型煤渗透性优于原煤,水分对型煤渗透率影响较为明显,渗流实验中煤样的选取对结果有着较大的影响。     

气体围压条件下煤体单轴压缩破坏的电位特征研究

为了研究煤体在单轴加载情况下瓦斯环境对煤体电位的影响效应,搭建了氮气围压条件下煤体单轴压缩破坏观察监测系统,测试了不同围压条件下煤体单轴加载的电位变化情况,探讨了煤体加载破坏和瓦斯对电位的影响机理。实验结果表明,煤体在围压条件下加载破坏能够产生电位信号,且电位信号与应力和气体压力的变化趋势具有一定的关联性;对于同一类型煤样,随着充入氮气压力的增加,煤体应力结构改变,在煤体主破裂发生前电位信号波动幅度增加0.2 m V左右,振幅突变明显增大,电位差值从0 m V增大至2 m V左右;在煤体主破裂发生时,电位信号明显增大。     

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。     

煤体渗透率随酸化时间和压力及温度的变化规律

通过对3种不同煤样酸化前后的渗透率测试,分析每种煤样渗透率的变化趋势,在不同压力、温度条件下测试不同酸化时间下的渗透率,分析得出煤体酸化后渗透率随酸化时间、压力和温度变化的规律。结果表明:13#烟煤、2#贫瘦煤的渗透率优于3#无烟煤,即中低阶煤的酸化效果比高阶煤好;围压对于渗透率的影响较为明显,随着围压的增加,渗透率呈现出减小的趋势;不同煤样在温度增加的前期阶段,随着温度的升高,渗透率呈现出加速增大的态势;在酸化的中间阶段,渗透率逐渐下降;在温度增加的后期阶段,渗透率随温度的升高虽还有所降低,但变化趋势不再特别明显,逐渐进入平稳阶段。     

有效应力对煤体渗透率的影响试验研究

为了研究有效应力对渗透率的影响机制，利用自主研发的煤岩瓦斯吸附-解吸-渗流平台，开展了轴压、围压同步加载条件下煤体渗透率测试试验。引入平均有效应力参数表征煤体受载状态，同时为消除试件个体差异的影响，定义了有效应力敏感系数，深入探讨有效应力对煤体渗透率的控制机理与变化规律。结果表明：瓦斯压力保持恒定时，随着有效应力增加煤体渗透率逐渐减小，其变化规律符合负指数关系；随着有效应力的增加敏感系数逐减小，且符合幂函数关系。基于敏感系数构建了煤样渗透率与有效应力的数学模型。