低阶煤孔隙结构对瓦斯吸附特性影响的试验研究

为揭示低阶煤孔隙结构对瓦斯吸附性能的影响,选取新疆准南煤田9个典型矿井低阶煤样,进行低温氮吸附及瓦斯等温吸附试验,研究低阶煤的吸附孔特征参数及其与瓦斯吸附参数之间的关系。结果表明:试验范围内,准南煤田低阶煤等温吸附瓦斯曲线仍可用Langmuir方程表征;低阶煤的平均孔径越大,孔隙间的作用力越小,体积吸附常数、瓦斯吸附量越小,压力吸附常数、吸附饱和度越大;随着煤的比表面积、孔容及各孔径下的比表面积和孔容含量的增大,体积吸附常数、瓦斯吸附量增大,而压力吸附常数、吸附饱和度减小;在研究尺度范围内孔隙分形特征显著,体积吸附常数、瓦斯吸附量与分形维数呈正线性关系,压力吸附常数、吸附饱和度与分形维数呈负线性关系。     

排采降压诱发煤层剪切破坏机理与防控对策

煤层压力衰减会导致煤岩体剪切破坏,诱发井壁失稳、套管损坏和出煤粉等井下复杂事故。为预防煤层破坏,以沁水盆地南部二叠系山西组3号煤层为研究对象,基于单轴应变模型分析了排采降压过程中的煤层应力路径及其破坏行为,明确了煤层破坏影响因素,并提出了控制井底流压和CO_2-ECBM相结合的防控技术对策。结果表明:煤层水平有效应力在排水阶段随孔隙压力的降低而线性增大,但在解吸阶段却随孔隙压力的降低而非线性减小,气体解吸能够加速煤层剪切破坏;煤层初始水平应力越小,垂向应力、初始孔隙压力、临界解吸压力越大,气体吸附效应越强,煤岩体弹性模量、泊松比越大,单轴抗压强度越低,则煤层临界破坏孔隙压力就越大;煤层破坏前转注CO_2既能有效避免煤层破坏,也可提高煤层气采收率,不失为CO_2-ECBM的良好作业时机。     

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。     

吸附气体对突出煤渗流特性的影响

煤层中瓦斯渗流特性不仅受地应力、煤孔隙结构等因素的影响,还因气体吸附而发生变化。以重庆市万盛区某煤矿突出煤层原煤为实验对象,在有效轴向应力和有效围压为1 MPa条件下,利用自制的三轴渗流试验机研究突出煤吸附二氧化碳、甲烷气体对渗流特性的影响。结果表明:1突出原煤吸附-渗流过程具有明显的阶段特征,煤体变形经历了初始快速变形阶段、缓慢变形发展阶段、变形稳定阶段、收缩变形阶段和渗流稳定阶段;2气体压力越大,煤体膨胀变形越大,相同气体压力下,煤体吸附二氧化碳变形增量大于吸附甲烷变形增量;3随着气体压力的增大,气体渗流速度逐渐增大,呈显著的指数函数关系,突出煤渗透率先减小后增大,具有明显的阶段性。     

煤中甲烷扩散特性影响因素实验研究

为了研究煤中甲烷扩散特性的影响因素,分别在压力、煤阶、粒径和含水率等不同主控因素下进行了甲烷等温吸附扩散实验。实验结果表明:高压力下甲烷累积扩散量和扩散速度均大于低压力下的扩散量和扩散速度;随着煤阶增大,煤中甲烷扩散量和扩散速度均增大;大粒径煤中甲烷扩散量和扩散速度均大于小粒径的扩散量和扩散速度;不同含水煤样,同一时间煤样含水量越小,甲烷扩散量和扩散速度越大。     

含瓦斯煤的渗透率演化模型及其影响因素研究

为了研究瓦斯抽采过程中煤体渗透率的变化规律,推导建立了考虑吸附膨胀应力的含瓦斯煤的孔隙率模型和含瓦斯煤的渗透率演化模型,通过三轴应力条件下的含瓦斯煤渗透率实验对该模型进行了验证,两者吻合度较高。基于该模型研究了在孔隙压力卸载状态下煤的弹性模量、初始孔隙率、吸附性常数、吸附膨胀应力系数等对渗透率的影响规律。结果表明:在气体卸压过程中,煤的弹性模量越小,其渗透率的变化率波动就相对越大;煤的初始孔隙率越小,其孔隙率的变化率越大,进而渗透率的变化率也就越大;煤的吸附膨胀应力系数对渗透率的影响作用与Langmuir吸附常数类似,其值越大则气体解吸所引起的渗透率增大就越强,渗透率下降就越缓慢。     

不同破坏程度煤的孔隙特征差异对比研究

为了查明中煤阶不同破坏程度煤的孔隙特征差异,运用低温液氮法对平顶山四矿不同破坏程度的煤样进行测试,对比分析得出了其孔隙结构及分布、分形特征和吸附性能的差异。结果表明:碎裂煤和碎粒煤的吸附平衡等温线为III型,内部大孔发育;糜棱煤为IV型,介孔含量较多;煤的破坏程度越强,总孔体积和比表面积越大,煤内部孔隙结构越复杂,氮气吸附量越大;2～4 nm孔隙的氮气吸附量主要受控于该尺度孔隙的比表面积;孔径4 nm的则主要受控于该尺度孔隙的孔体积。     

气体性质和孔隙压力对煤体微裂隙扩展的影响

利用工业CT扫描系统，观测不同气体压力条件下煤体内部微裂隙萌生扩展特点，为揭示煤层瓦斯流动产出控制因素提供新的依据。结果表明：非吸附性气体作用下，随孔隙压力的升高，煤体内部微裂隙的萌生和扩展愈加明显，裂隙体积和裂隙面积百分比增长率随之逐渐减小，符合气体压力影响下的裂隙扩展方程，微裂隙扩展主要受控于应力集中效应和煤基质收缩效应。吸附性气体作用下，随吸附时间的延长，煤体内部微裂隙的萌生和扩展则越来越显著，直至扩展平衡；裂隙体积和裂隙面积百分比增长率随之逐渐变小，符合吸附时间影响下的裂隙扩展方程；裂隙扩展主要受应力集中效应、煤基质收缩效应、蚀损作用和劣化机制影响；吸附压力越大，煤体所需的吸附平衡时间愈长；微裂隙扩展平衡时间长于气体吸附平衡时间，裂隙扩展具有明显的滞后性。     

脉动水力压裂煤层微观结构变化及其工程实践

为了研究脉动水力压裂煤层微观结构变化,对取自杨柳矿、顾桥矿和丁集矿的煤样进行脉动水力压裂实验室实验,通过压汞实验和CO_2气体吸附测试分析原煤样和水力压裂作用下煤样孔隙特征变化规律。结果表明:原煤大孔隙阶段的孔隙连通性明显优于中孔隙阶段;煤体孔隙度、孔隙总体积、总表面积和微孔比例随着煤阶的升高而增加,中孔比例随着煤阶的升高而减小,大孔比例则随着煤阶的增加呈"减少-增加"趋势。脉动水力压裂作用后,孔隙度明显增加,而水分对孔隙连通性影响较小。脉动水力压裂使煤样孔隙总表面积、微孔体积和微孔比例减小,总孔隙体积、中孔比例、大孔体积和大孔比例增大。     

鄂尔多斯盆地东缘煤储层物性及煤阶的影响

本文以研究区山西组煤层为例,利用压汞和低温液氮吸附等实验技术,详细剖析了煤储层孔裂隙特征,在此基础之上,深入探讨了煤阶对储层物性的影响。研究表明,鄂尔多斯盆地东缘山西组煤中孔隙以微小孔为主,有利于煤层气的吸附储集,其次发育大孔,中孔最不发育,而煤中吸附孔隙主要以微孔和小孔为主,不同地区孔径分布差异较大;研究区煤层孔隙度较低,为2.7%~7.9%之间,随着煤阶增高,孔隙度呈现"减小~增大~减小"的波状变化;随着煤阶增高,吸附孔隙孔径增大,相应的BET比表面、BJH总孔体积减小,随着煤化作用进一步增强,微孔增多,两者出现一定上升趋势。     

考虑含水率影响的煤岩变形及渗透率模型

煤矿开采深度不断增加,煤层瓦斯含量升高导致动力灾害逐渐增多,给煤矿安全开采带来严峻考验。对于瓦斯在煤层中流动的研究一直以来都备受关注,其中渗透率正是影响煤层中瓦斯流动的关键参数之一。因此,为准确模拟开采环境变化导致的煤岩变形及渗透特性变化,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,开展不同含水条件下孔隙压力升高过程中煤岩渗透特性的试验研究,建立考虑含水率的吸附方程和吸附-渗透率模型,探讨含水率和孔隙压力共同作用对煤岩变形及渗透特性的影响。研究结果表明:①孔隙压力升高过程中,径向应变及轴向应变随孔隙压力的升高均呈降低趋势,瓦斯流量的变化呈上升趋势,煤基质由于吸附瓦斯产生膨胀变形,体积应变逐渐减小。②当含水率恒定时,随着孔隙压力的升高,瓦斯吸附量随孔隙压力增大先增大而后趋于平缓,产生的吸附变形的变化趋势与其相同;当孔隙压力恒定时,煤岩的吸附量和吸附变形均随着含水率的增大而减小。③在恒定含水率条件下,煤岩渗透率曲线随孔隙压力的升高先减小后趋于平缓;而在相同的孔隙压力条件下,随含水率的增加,煤岩渗透率整体逐渐减小,而且含水率越大孔隙压力对渗透率的影响越弱,水分子对渗透率的影响越强。④构建了考虑含水率的吸附量计算方程,并在此基础上进一步构建考虑含水率煤岩吸附-渗透率模型,其中所计算的渗透率值与试验所测结果基本一致,反映了煤岩渗透率变化规律。     

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...     

抽采过程中含瓦斯煤渗透率动态变化特征

基于孔隙率的定义,建立了考虑孔隙瓦斯压力、瓦斯吸附膨胀和地应力作用的含瓦斯煤渗透率模型,并研究了抽采过程中含瓦斯煤渗透率的动态变化特征。结果表明:含瓦斯煤的渗透率随地应力的增加呈指数形式降低,随瓦斯压力的减少呈现出先减小后增大的变化特征;瓦斯抽采过程中煤体弹性模量越小和吸附常数越大越有利于煤体渗透率的改善,而泊松比的变化对煤体渗透率的影响较小,对于合理地选择瓦斯抽采区域、布置瓦斯抽采工程和采取瓦斯抽采措施具有一定的指导意义。     

黔西滇东地区不同煤阶煤储层物性特征分析

为了分析煤阶对黔西滇东地区煤储层孔隙性和渗透性的控制作用,对不同煤阶煤样的孔-裂隙结构、吸附能力和孔渗特征进行了探讨。结果表明:镜质组反射率小于2.5%时,随着煤阶升高,煤岩压实程度不断增强,煤中吸附孔含量逐渐增多,BET比表面积和BJH总孔体积逐渐增大,致使煤岩吸附能力逐渐增强,而渗流孔含量相对减少,渗流孔隙结构变差,渗透率随煤阶升高而减小;镜质组反射率大于2.5%时,随着煤阶升高,煤中吸附孔含量减少,BET比表面积和BJH总孔体积呈下降趋势,吸附能力减弱,而煤岩后期演化过程中产生了再生孔隙,致使煤岩渗流孔含量增加、渗流孔隙结构变好,总孔隙度升高,渗流能力增强。     

不同应力条件下页岩表观渗透率模型试验研究

为探究页岩气抽采过程中气体传输和应力耦合作用对页岩表观渗透率的影响,提出了一种含加权因子耦合多种传输机理、吸附变形及应力应变关系的页岩表观渗透率模型,用来描述气体流动,通过试验数据验证其合理性,并对模型相关参数对页岩表观渗透率的影响进行讨论。研究结果表明:新建考虑流体流态和应力耦合作用的页岩表观渗透率模型能合理地表征页岩气体流动,包括考虑应力变化下气体滑脱效应、孔隙结构和吸附变形因素,以及体相气体传输的黏性流动(滑脱流动)和努森扩散因素。在不同围压、孔隙压力2种应力条件下,新建模型计算的曲线均与实测值吻合较好;且随孔隙压力、围压的升高,页岩表观渗透率呈指数函数形式降低,同时裂隙压缩系数Cf的绝对值整体呈降低的趋势。孔隙压力越低努森扩散所占比重越高,相同孔隙压力状态下,孔隙尺度越小,努森扩散的贡献率越大;页岩表观渗透率对弹性模量较为敏感,弹性模量越大吸附引起的基质变形量越小,相应渗透率升高量也将随之降低。不同页岩孔径所对应的主控传输机理不同,随孔径的减小,此时孔径与气体平均分子自由程具有可比性,发生滑脱流动,渗透率升高;考虑滑脱效应页岩表观渗透率计算值均大于不考虑滑脱效应计算值,且更接近试验测量值,随孔隙压力、围压的升高,滑脱效应引起的渗透率变化量逐渐降低。     

水分对不同煤阶煤瓦斯放散初速度的影响

为提高矿井煤与瓦斯突出预测的准确性,对经过干燥处理的不同含水量的无烟煤、焦煤和长焰煤的瓦斯放散初速度进行了测定。结果表明:水分对无烟煤、焦煤和长焰煤的瓦斯放散初速度均有影响,同一煤阶煤样的水分越大,瓦斯放散初速度越小;且瓦斯放散初速度随水分增加呈指数式减小,水分减小了煤样的瓦斯吸附量是造成瓦斯放散初速度减小的根本原因;水分对无烟煤瓦斯放散初速度影响最大,长焰煤居中,焦煤最小,其原因为不同煤阶煤的孔隙特性不同。     

煤的吸附孔结构对瓦斯放散特性影响的实验研究

为揭示煤的吸附孔结构对瓦斯放散特性影响机理,选择新疆阜康矿区典型矿井煤样,进行低温氮吸附及瓦斯放散初速度实验,研究了煤的吸附孔特征参数及其对瓦斯放散初速度的影响。结果表明:实验范围内阜康矿区煤的吸附孔中瓦斯的主要放散方式是Knudsen及过渡型;吸附孔各参数对瓦斯放散特性的影响不同,平均孔径越大,瓦斯扩散阻力越小,瓦斯放散初速度越大;孔隙及各孔径下的比表面积和孔容越大,瓦斯放散初速度越小;瓦斯放散初速度与微孔和过渡孔的孔容占比为负线性关系,与中孔的孔容占比为正线性关系,与各孔径下比表面积占比无明显关系;煤的孔隙在研究尺度范围内分形特征显著,瓦斯放散初速度随分形维数的增大而线性减小。     

深部煤层无烟煤甲烷吸附特性研究

为了研究深部煤层无烟煤的甲烷吸附特性,利用高温高压煤的吸附试验模拟深部煤层所处的高温高压环境,测得无烟煤软、硬煤在不同温度(40、70、110℃)下的瓦斯吸附常数,采用吸附势理论计算出软、硬煤在不同条件下的吸附势特征曲线,分析了高温高压深部煤层下的甲烷吸附特性;基于压汞法测试高温高压吸附试验前、后的无烟煤软、硬煤的孔隙结构参数,研究了不同温度下深部煤层无烟煤软、硬煤的孔隙结构的变化对甲烷吸附的影响。研究结果表明:无烟煤软煤的微孔孔隙结构较硬煤发达,甲烷极限吸附量大,有利于甲烷的吸附;高温高压吸附试验前后煤的吸附特征曲线呈递减趋势,煤样的吸附势随着吸附空间的增大而减小;高温高压下无烟煤软、硬煤的总孔体积增大、孔隙连通度低于原煤,其煤孔隙向更致密方向发展。     

煤层渗透性变化影响因素分析

研究了应力、克林肯伯格效应、煤基质收缩效应对煤层渗透性的影响.研究表明,随着煤层瓦斯的解吸,孔隙压力的降低,煤基质发生收缩,吸附膨胀变形减小,渗透率将增大;体积应力的增加,在孔隙瓦斯压力保持不变的情况下,有效应力将增加,煤层瓦斯的渗透率随之减小;由于克林肯伯格效应的存在,从而增加瓦斯气体的流速,使得煤层的渗透性有所改善.对各影响因素的研究,对于防治矿井瓦斯灾害、合理利用煤层气资源具有重要意义.     

基于双一阶函数组合模型的不同粒径颗粒煤 瓦斯吸附动力学特征研究

基于不同粒径颗粒煤的吸附实验,建立了双一阶函数组合模型,对煤对瓦斯的吸附过程进行计算分析。研究结果表明:煤对瓦斯的吸附过程是瓦斯在孔隙中的宏观迁移和微观连续吸附的组合,采用双一阶函数组合模型可以实现数据的完美拟合;随着粒径增大,甲烷吸附(快速和缓慢吸附过程)半衰期增大;煤颗粒粒径越小,煤对瓦斯的吸附越容易且吸附量越大。