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。     

含瓦斯煤体受载破坏的电位信号灰色突变特征研究

基于含瓦斯煤受载破坏表面电位试验系统,测试研究了不同瓦斯压力下煤样受载破坏产生的电位信号变化规律及其灰色突变特征。结果表明:含瓦斯煤的破坏是载荷与瓦斯气体共同作用的结果,高压瓦斯的蚀损作用促进了煤体的破坏,引起较高的电位信号。由于当煤样受载破坏时,高压瓦斯会楔入新生裂纹,加速煤体破坏,从而产生较高的电位强度,且煤体产生的电位强度与充入的瓦斯压力成正比。笔者建立了含瓦斯煤破坏电位信号和载荷灰色-突变模型,分析了含瓦斯煤破坏的电位、载荷突变规律,发现在含瓦斯煤破坏过程中电位和载荷的灰色突变判别式可反映煤样的损伤积累、破坏临界、失稳破坏3种状态。电位信号的灰色突变特征对含瓦斯煤破坏具有明显前兆特征。     

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。     

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。     

瓦斯压力对煤体吸附特性及结构影响实验研究

为深入研究煤体在不同压力条件下吸附瓦斯特性及煤体孔隙结构变化特征,利用核磁共振(NMR)技术对煤体吸附瓦斯进行实验研究。实验结果表明:实验煤样的微小孔峰面积中大孔峰面积裂隙峰面积,表明煤样的微小孔最为发育,煤体孔径以微小孔为主,空隙之间的连通性不强,瓦斯不易流通;随着压力的增加,当瓦斯压力达到一定程度后,煤体会产生新的孔隙,微小孔隙相连通构成了微孔或者中孔,中孔相互连通形成了裂隙,为下一步解吸瓦斯的流通提供了条件,出现瞬时的瓦斯快速解吸;煤样瓦斯吸附解吸特征按照峰值前后分为上升阶段、变化剧烈阶段和基本不变阶段,总体规律上,煤体瓦斯吸附量随着瓦斯压力的增大而增加;在不同的瓦斯压力作用下,核磁共振T_2谱图核磁信号幅度发生显著变化,T_2谱图分布面积与瓦斯压力呈线性关系逐渐增长,即煤体孔隙度随瓦斯压力增加而增加。     

吸附条件下瓦斯压力对煤体强度影响的实验研究

煤体强度的测定一般在实验室非吸附条件下完成,为了揭示吸附条件下煤体强度随瓦斯压力的变化规律,基于瓦斯防治理论和现场实践,研制了可实现封闭充气环境下煤坚固性系数的自动化测试装置,研究了吸附条件下瓦斯压力对煤体强度的影响规律。实验表明:煤的坚固性系数受煤样瓦斯压力的影响明显,瓦斯压力越大,煤体强度越小,用以抵抗外力破碎的能力越差。     

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。     

考虑瓦斯压力的煤体三轴抗压强度研究

从煤体强度的角度来分析含瓦斯煤岩的破坏行为,通过实验分析了考虑瓦斯压力的含瓦斯煤岩的抗压强度。研究表明:在三向应力状态下,煤样的破坏形态受侧压的影响;煤样的残余变形与试验的侧压及本身的强度有关,煤样的强度越大,残余变形就越小;在试验侧压的范围内,煤样的弹性模量随侧压的增大而增大。与单轴压缩相比,含瓦斯煤的抗压强度和弹性模量都有所降低。原因在于:煤样制备的时候较为松散及瓦斯压力的影响。煤的强度受其中瓦斯气体的影响较大,煤体吸附瓦斯后体积膨胀强度降低,而煤体释放瓦斯后强度增加。     

煤体瓦斯非稳态流动表面电位实验研究及机理探讨

为了进一步研究煤与瓦斯突出过程中电磁辐射的产生机理。采用实验室实验与理论分析相结合的方法,对不同压力瓦斯气体充放过程中煤体产生的表面电位进行研究,对比分析了不同通道间的表面电位规律;并结合摩擦起电、流动电势和压电效应等理论,分析了实验条件下表面电位产生机理。     

基于煤粒瓦斯解吸实验的温度变化量预测模型研究

通过实验室煤粒瓦斯解吸测试,研究了同一种煤样在3种不同粒径条件下的煤粒瓦斯解吸规律。在对实验数据分析的基础上,结合理论推导构建了基于煤粒瓦斯解吸过程温度变化量的煤体瓦斯解吸扩散数学模型并开展了相关验证,分析了该模型的适用性。研究结果表明,3种粒径煤样在吸附平衡压力为0. 34 MPa左右时,瓦斯解吸量分别可以达到3. 77、3. 91、5. 65 mL/g,煤样解吸速率与粒径之间呈负相关关系。煤粒瓦斯解吸过程中实测煤体温度变化曲线呈"马鞍"形。建立的描述煤粒瓦斯解吸初期阶段的数学模型可用于预测特定条件下煤体瓦斯解吸温度变化量,对于研究煤矿瓦斯运移过程及灾害预警具有重要的参考价值。     

烟煤吸附、解吸过程中热流特征实验初探

煤吸附、解吸瓦斯过程中会伴有明显的热效应,其变化规律对煤与瓦斯突出等瓦斯灾害预测技术具有重要的研究价值。利用自行设计搭建的多参量煤吸附、解吸热效应测试实验系统,开展0. 5 MPa、0. 8 MPa、1. 1 MPa 3种压力下,烟煤对于CO₂、N₂、CH₄ 3种气体吸附、解吸过程中压力、温度和热流测试实验,综合分析了烟煤吸附、解吸过程中热流变化特征。结果表明:(1)烟煤试样吸附、解吸过程中,煤壁上热流密度变化分为5个过程:①抽真空阶段,热流迅速增大,后缓慢减小到0;②充气阶段,热流与充气速率呈正相关;③吸附阶段,热流先快上再快下最后缓慢下降;④放气阶段,热流与泄压速率呈正相关性;⑤解吸阶段,分为快速下降和缓慢上升两阶段。(2)实验中,N₂、CH₄、CO₂ 3种气体在相同气压下,吸附、解吸最大热流密度值依次增大;相同气体在3种不同压力下,最大热流密度值随气压升高依次增大。(3)推导出的吸附、解吸过程中热量的理论值始终大于实验值,但整体趋势一致。(4)热流密度参量具有流入、流出方向矢量特征,比温度指标优越,热流密度与热量传递变化规律一致,可以很好地表征烟煤吸附、解吸热效应变化规律,为煤与瓦斯突出预测新指标的研究提供参考。     

煤与瓦斯突出冲击波的形成机理

根据煤与瓦斯突出过程中煤－瓦斯两相流运动参数的研究成果,对不同流动状态下冲击波的形成机理进行了分析。当孔洞中喷出的煤－瓦斯两相流未超过临界状态或处于低度未完全膨胀状态时,流体在巷道空间完全膨胀后的速度较低,产生的冲击波超压值较小;当高度或超高度未完全膨胀流体在巷道空间中膨胀时,如果巷道空间足够大,则流体将进行“爆炸式”加速过程并可能产生强冲击波;而如果巷道空间受限时,最终形成的冲击波的超压值较小,但两相流的动压和膨胀过程中的气体静压可能会严重破坏矿井生产设备或设施。     

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。     

瓦斯在煤体水压致裂过程中的作用试验研究

为分析瓦斯对煤体水压致裂过程的影响,利用自制的含瓦斯煤水压致裂实验系统,开展了恒定流量下含瓦斯煤水压致裂实验,得到了煤体压裂形态及电阻率响应特征,并分析了瓦斯在压裂过程中的作用。结果表明,无瓦斯条件下煤体压裂形成的裂隙少而宽,随着瓦斯压力的增大,新生裂隙数目逐渐减少,而原生裂隙则逐渐被激活;瓦斯压力的增大提高了煤体的起裂压力;含瓦斯条件下电阻率曲线呈现两种形态,即新生裂隙较多时呈现增大型曲线,原生裂隙被大量激活时呈现减小型曲线。基于试验结果分析,瓦斯在水压致裂过程中的作用有两个,一是瓦斯压力增大了水压致裂阻力,提高了起裂压力;二是高压水驱气作用诱导高压水进入、激活了原生裂隙。     

直巷道中突出冲击气流的形成及传播特征研究

煤与瓦斯突出产生的冲击气流有很强的破坏效应,首先分析了突出冲击气流的形成原因;然后建立了直巷道的几何结构模型,设定相应的初始条件与相关参数,对突出冲击气流的运动过程进行了数值模拟计算,得出了不同时刻的冲击气流压力、速度以及瓦斯相对质量浓度在巷道内的分布情况,同时分析突出发生区域出口断面处的冲击气流平均压力和速度随时间变化过程,并根据模拟结果得出定性与定量化的结论;最后,构建了煤与瓦斯突出在直巷中传播的实验系统,通过实验的手段分析了冲击波在直巷中衰减规律。研究结果表明,突出能在巷道空间内形成较高速度运动的冲击气流及冲击波;与突出区域原始瓦斯压力相比,冲击气流压力发生了急剧下降;冲击气流强度在断面不变的直巷道中传播会发生衰减,前期超压衰减较为缓慢,后期超压衰减增快。     

煤层倾角对煤层气水平井产能影响的数值模拟

对于含倾角的煤层,由于重力势能的影响,不同煤层倾角下水平井表现出不同的产能规律。在考虑煤层气藏与水平井筒流动耦合的基础上,以煤田煤层实际资料为例,通过数值模拟的方法研究了不同煤层倾角下水平井生产过程中的压力和气相饱和度分布情况,并对U型水平井的后期生产方式给出了建议。模拟结果表明,水平井跟端位于煤层倾角低部位时排水效果更好,产气量更高;随着煤层倾角的增大,煤层气水平井累积产气量与产水量均减小;不同煤层倾角下,受气水重力分异的影响在生产过程中会出现气体在倾角高部位聚集的情况,且倾角越大这种现象越显著;利用U型井开采倾斜煤层时,在开发后期可使其两端同时生产,以达到顶部产气底部产水的效果,使倾角高部位聚集的气体也得到有效开采。     

基于启动压力梯度的煤层瓦斯流动状态快速判识方法

为探讨低渗煤层瓦斯流动的非达西特征,基于GSI煤体分类体系与砂岩启动压力梯度测试方法,进行了不同煤体结构煤样的启动压力梯度测试,建立了启动压力梯度与煤体结构的回归关系,实现了煤层瓦斯流动状态的快速判识。研究表明:在煤矿井下采集煤样或直接观测煤壁,获取其煤体结构,并与GSI煤体分类体系进行比对,确定煤样GSI值后,通过启动压力梯度测试并建立其与GSI的关系,即可实现不同煤体结构煤层启动压力梯度的快速获取与瓦斯流动状态的快速判识。     

不同瓦斯压力原煤全应力应变过程中渗透特性研究

煤炭地下开采过程中,常会遇到不同瓦斯赋存压力和三维受力状态等复杂条件下的煤岩体瓦斯渗透问题,为系统探究其瓦斯渗透规律,利用改进的MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统,开展了原煤三轴压缩全过程渗透试验,对不同瓦斯压力原煤三轴压缩全过程中渗透特性进行了探讨,分析了煤岩变形破坏过程中其瓦斯渗透特性,以及不同瓦斯压力下煤岩的瓦斯渗透特性。结果表明：煤岩瓦斯渗透率-应变曲线与煤岩三轴压缩全应力-应变曲线具有很好的对应关系,其瓦斯渗透率随加载变形破坏呈先减小后增大趋势,在峰前70%~85%应力水平时达到最小值,煤岩瓦斯渗透率在应力峰值附近时均有不同程度的急剧上升;另一方面,煤岩瓦斯渗透率和瓦斯流量随瓦斯压力的升高呈先增加后减小的趋势,瓦斯压力为1 MPa时达到最大值,在1~3 MPa时,煤岩具有较好的渗透能力,针对现场实际情况,通过类似分析,设定合理的抽采负压区间,从而保证煤与瓦斯共采安全高效进行。     

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。