气肥煤与焦煤的孔隙分布规律及其吸附-解吸特征

采用山东微山菜园矿的气肥煤和山西古交马兰矿的焦煤作为煤样,分别进行压汞试验,测定煤的孔径分布,了解各孔径段孔容、比表面积的分布规律;并且对所采集的两种煤样分别进行平衡水煤样的CH4/CO2混合气体的吸附-解吸试验,从孔隙结构方面分析深部煤层煤对瓦斯吸附的影响.研究结果表明,焦煤比气肥煤具有更为复杂的孔隙结构,具有更丰富的小孔和微孔;煤中微孔的分布决定煤的吸附能力,吸附最有效的孔隙半径是在10 nm以下;焦煤对CH4/CO2二元混合气体的吸附能力强于气肥煤的吸附能力;探讨分析CO2/CH4吸附能力的差异性是导致试验中高压阶段CH4/CO2二元混合气体吸附量小于低压时的现象发生的主要原因.研究煤的孔隙分布规律及其吸附-解吸特征,可以从微观层次揭示深部煤层煤吸附瓦斯的聚气能力,探寻煤吸附-解吸瓦斯的特征和机制,丰富煤吸附瓦斯理论,对煤与瓦斯突出的防治和煤层气资源的开发均具有重要意义.     

结合孔隙结构分析注水对煤体瓦斯解吸的影响

 为了研究煤体瓦斯的解吸特性受高压注水影响的机制,结合压汞试验测定的煤的沟通孔隙率和孔径分布规律以及煤样注水后水残留在煤样中的质量,对不同煤种一定吸附瓦斯压力在注入不同压力水的条件下,煤体瓦斯解吸规律的差异进行分析。结果表明：(1) 不同煤种在同等吸附瓦斯压力条件下,沟通孔隙率越大,煤体瓦斯解吸能力越强;(2) 相同煤种煤体瓦斯的解吸能力与吸附瓦斯压力大小有关,吸附压力越大,解吸能力越强;(3) 根据煤的孔径分布规律和注水后煤中水的含量,计算出不同注水压力下水进入到煤体的临界孔隙尺度,该值直接影响煤体瓦斯的解吸能力,即临界孔隙尺度越小,解吸率越低;(4) 通过数据拟合得出煤体瓦斯的解吸率与水进入到煤体的临界孔隙尺度符合Langmuir型规律的函数关系式。     

煤吸附/解吸瓦斯变形特征及孔隙性影响实验研究

煤吸附/解吸瓦斯的力学响应特征是煤与瓦斯突出机制研究中的重要问题。利用煤体吸附/解吸变形试验系统,对取自开滦矿区赵各庄矿9号煤层的原煤样品进行不同吸附压力下的吸附/解吸变形观测,配合高压压汞实验和液氮吸附实验研究煤样吸附解吸变形存在差异的原因。实验结果显示:煤吸附/解吸瓦斯产生的膨胀/收缩变形呈各向异性,卸压初期煤样收缩变形较快,之后变形速率减缓,变形需要很长时间才能稳定;吸附压力越大,瓦斯解吸时煤样的收缩变形越显著;煤的微孔含量和孔隙连续性是影响其吸附解吸变形量、解吸变形速率和残余变形量的主要因素。     

吸附不同气体对煤岩渗透特性的影响

注CO2或者CO2/N2混合气强化煤层气开采以及进行CO2封存时,气体的吸附/解吸会影响煤岩的渗透特性。采用自行研制的煤岩三轴渗流装置进行恒定有效应力、不同气体压力条件下,煤岩吸附纯CO2,CH4,N2以及不同配比的CO2/N2混合气体对渗透特性影响的试验研究,以探讨煤岩在气体压力以及吸附作用下渗透特性的变化规律。结果表明:(1)气体组分固定的条件下,煤样渗透率随气体压力的增加呈负指数减小。(2)相同气体压力条件下,煤样吸附气体后渗透率都有不同程度的下降,且下降幅度跟吸附气体的组分有关,吸附纯CO2下降的幅度最大,吸附CH4次之,吸附N2最小;吸附CO2/N2混合气时,其中CO2组分浓度越高,煤样渗透率越低,但当N2量达到一定比例时,煤样渗透率会得到改善。(3)气体压力加卸载过程得到的煤岩渗透率–气体压力关系曲线存在滞后现象,这与气体在煤岩中的吸附/解吸曲线滞后有关,因此煤岩渗透率跟压力路径有关。试验结果对于煤矿瓦斯抽采以及CO2或烟道气注入煤层后的储层渗透率的预测与控制具有重要指导意义。     

单轴应力–温度作用下煤中吸附瓦斯解吸特征

 利用自主研发的深部煤岩温度–压力耦合瓦斯解吸试验系统,对鹤岗南山矿煤样进行单轴应力–温度作用下吸附瓦斯运移过程。该试验系统通过对煤样施加不同应力和温度,促使煤中原生吸附瓦斯解吸,模拟煤体变形中吸附瓦斯解吸–释放过程。试验中分别在恒温和升温条件下对煤样依次进行单轴破坏和施加围压,实时监测逸出气体压力、流量,抽样检测气体成分和浓度。研究结果表明煤体在单轴压缩破坏过程中出现气体逸出压力降低导致气体回流现象;对破裂煤样施加围压后短时间内排出大量高浓度气体。试验结果证实温度升高是诱发煤样中吸附瓦斯大量解吸因素之一,而煤体内是否存在大量贯通裂隙是影响瓦斯运移的重要因素。     

超声热效应促进煤层瓦斯解吸扩散数值模拟

以声场声能转化为热能,提高煤层系统的温度,改善系统的解吸-扩散为基础,将煤样假设为含有大孔隙和微孔隙基质的双重孔隙结构,引入温度对微孔隙扩散系数的影响,提出了利用温度梯度扩散模型建立超声热效应促进煤层瓦斯解吸-扩散的热平衡方程和物质平衡方程,应用Matlab工具实现了声场促进煤层瓦斯解吸扩散的数值模拟。对有无超声作用下,煤层瓦斯解吸-扩散的数值模拟分析得出：超声热效应可以明显地提高煤样的温度,增大微孔隙扩散系数,提高大孔隙游离气的动态百分数,降低微孔隙中吸附气的动态百分数。为超声波促进煤层瓦斯解吸－扩散,     

CO2驱替煤层CH4试验研究

 通过对大煤样试件(100 mm×100 mm×200 mm)进行注CO2驱替煤层CH4试验,较真实地模拟在煤层中储存CO2以及驱替开采煤层气的过程。研究发现：CH4在煤体中渗透率与体积应力呈负指数相关规律;煤体对CO2的渗透率高于对CH4气体的渗透率2个数量级以上;随体积应力及驱替压力的不同,单位体积煤体可储存17.47～28.00体积CO2,CO2/CH4置换体积比可达7.03～13.91;在恒定体积应力及驱替压力条件下,CO2注入、CH4置换、产出均能够平稳进行;2种不同煤层CH4含量条件与驱替置换方式下,产出气体中初期CH4含量高达20%～50%,随时间延续产出气体中CH4含量有所下降,但仍能持续保持在10%～16%;驱替压力、驱替速度、注入倍数、煤层CH4含量、储层结构及其渗透性等因素共同决定着CO2/CH4驱替置换效果;在CO2注入煤体进行置换吸附期间,受气体吸附解吸、煤基质自身变形等因素影响,煤体会发生膨胀现象。该研究成果对CO2煤层处置及驱替置换开采煤层气实践具有重要理论意义与指导价值。     

CO2相变致裂煤的纳米孔隙尺度改造效应

为探讨不同CO₂相变致裂压力对纳米孔隙的尺度改造效应及其对瓦斯(煤层气)运移的影响，开展120,150,185 MPa作用下的CO₂相变致裂煤体实验，综合采用高压压汞、低温液氮吸附、低温CO₂吸附孔隙结构参数测试方法，分析CO₂相变致裂后煤的大孔(>50 nm)–介孔(2～50 nm)–微孔(<2 nm)结构演化特征。结果表明：CO₂相变致裂对大孔和介孔具有扩孔效应；致裂后，大孔平均孔径与孔容大幅度增大，孔表面积降低；介孔平均孔径增大，孔表面积明显降低；孔隙连通性明显增强。CO₂相变致裂过程时间极短，高压气体优先选择裂隙和大尺度孔隙进行扩展，延伸至微孔时，衰减的压力不足以改造具有化学性质的微孔。CO₂相变致裂在大孔–介孔尺度的扩孔效应，随致裂压力的增大而增强；不同变质、变形程度煤的大孔–介孔–微孔发育存在差异；因此，研发“高致裂压力–长作用时效–大能量”的CO₂相变致裂器，有助于进一步增强CO     

煤吸附解吸气体变形的力学模型研究

针对煤吸附/解吸气体过程中变形随时间变化的力学行为,对煤体孔隙度方程的隐函数求导,将具有时变性的孔隙度方程引入有效应力系数中,由此建立煤吸附/解吸气体变形问题的力学模型。模型的数值计算结果表明:煤样吸附/解吸气体产生膨胀/收缩变形,变形随时间的增加而增大,直到气体在煤中吸附/解吸达到平衡,煤样的变形才稳定不变;气体压力对煤样的吸附/解吸变形平衡时间及平衡变形量产生影响,气体压力越大,吸附/解吸变形平衡所用的时间越短,平衡时煤样体积应变越大;煤样吸附变形与气体吸附性相关,吸附性更强的CO2气体比CH4气体促使煤样产生更大的膨胀变形。模拟结果与以往实验研究结论一致,证明建立的力学模型能反映煤吸附/解吸气体的变形特征。     

基于低温液氮吸附法的陕南中低煤级煤孔隙结构特征

为研究陕南中低煤级煤的孔隙结构特征,采用低温液氮实验测定6个煤样(Ro,max为0.66%～1.58%)的比表面积、孔体积、孔径分布等参数,对吸附回线进行分类,并讨论煤变质程度与煤中微孔孔隙发育特征的关系,计算孔隙结构的分形维数。结果表明:孔隙类型主要为微孔和小孔;BET比表面积与微孔孔容正相关,且随煤变质程度增大而减小;L1型和L2型孔隙系统主要为一端封闭的不透气性孔,但L2型孔隙系统存在部分墨水瓶孔和少量开放性孔;L3型孔隙系统由2部分组成,在较小孔径范围(<4nm)以一端封闭的不透气性孔为主,在较大孔径范围(> 4nm)以两端开口的开放性孔和墨水瓶孔为主;吸附回线存在滞后环的分形维数较不存在滞后环的分形维数要高,微孔孔隙表面粗糙度较高、结构复杂、具有较强的非均质性。     

水分对煤体瓦斯吸附及径向渗流影响试验研究

 为了解水力化钻孔周围煤体瓦斯径向渗流特性,利用自行研制的径向瓦斯渗流试验系统,对青东煤矿突出煤层试样,进行干燥煤样、液态水润湿煤样、吸附瓦斯后高压注水煤样的等温解吸及径向稳态渗流试验。结果表明：(1) 相同平衡压力下,高压注水煤样等温吸附量高于干燥煤样,均显著高于液态水润湿煤样的吸附量。(2) 随含水率增加液态水润湿煤样等温吸附量逐渐降低,呈对数函数关系,得出各系数随吸附压力变化的拟合函数。(3) 相同覆压下,高压注水煤样瓦斯渗透率显著高于干燥煤样渗透率,液态水润湿煤样渗透率略低于干燥煤样渗透率;且液态水润湿煤渗透率随含水率增加而降低,在低瓦斯压力阶段尤为显著。根据试验结果分析水分对径向瓦斯渗流特性的影响机制,并指出水力化钻孔径向瓦斯流动经过原始解吸渗流区、压力水抑制解吸渗流区、液态水自然润湿解吸渗流区3个区域。     

煤的变质程度、孔隙特征与渗透率关系的试验研究

以贵州六盘水矿区中高变质程度的原煤为对象,利用TESCAN VEGA II型自带能谱扫描电镜、ASAP2020型比表面微孔分析仪,对煤样的内外部孔隙特征进行研究;借助自主研制的三轴渗流装置,进行不同瓦斯压力条件下含瓦斯型煤的三轴渗流试验。结果表明：(1) 煤的变质程度与内外部孔隙特征呈正相关关系,变质程度越高,原煤的分形维数越高,原煤的吸附量和孔容也越大;(2) 原煤的内外部孔隙特征与渗透率呈正相关关系,内外部孔隙越发育,渗透率越大;(3) 在恒定平均有效应力和温度条件下,随瓦斯压力的增大,渗透率先急剧降低,而后降低趋势渐缓,且渗透率与瓦斯压力服从指数分布关系。研究结果对贵州六盘水矿区瓦斯灾害的防治和煤层气的开发利用具有一定的理论指导意义。     

低渗煤储层气体滑脱效应试验研究

 在千米深度下赋存煤层气的煤层是致密的多孔介质,煤层的渗透率低,对于致密的多孔介质渗流,滑脱效应十分显著,而滑脱效应又可以增加煤储层的渗透性能。采用试验研究的方法对吉林和阜新两地的低渗煤样进行滑脱试验,研究围压和孔隙对煤层气滑脱效应的影响,分析不同围压和孔隙水压力下滑脱渗透率对气体渗透率的影响,找到滑脱效应对不同低渗储层气测渗透率的有利影响的围压范围,验证低渗煤样中气体滑脱效应存在的普遍性。对弄清煤体内部结构特性和煤层气在煤层中的滑脱流动机制,实现低渗储层煤层气工业化开采具有一定的理论价值。     

煤岩结构多尺度各向异性特征的SEM图像分析

 多孔介质微、细观结构的非透明一直是阻碍深入认识深部条件下岩体损伤及煤与瓦斯突出机制的难题。为此,基于小波多分辨分析,提出一种复杂孔隙介质微、细观结构的可视化及多尺度、各向异性的精细描述方法。为验证方法的可行性,对不同地区的6种煤岩试样进行扫描电镜观测;应用小波多尺度变换、图像分割、以及图像重建技术对煤样的SEM图像进行“亚像素”尺度分析;利用小波细节系数重建煤基质的水平、垂直、对角占优的微观孔隙图像;计算微孔的孔喉、孔穴随特征尺度的分布密度,以及微孔与节理的孔隙度与分形维数。用小波多分辨分析方法分割的宏观孔隙具有微米量级,微孔具有纳米尺度。各煤样的宏观裂隙的孔隙度与分维数均大于微观孔隙;孔喉特征尺度分布均具有相似的单峰形式,峰值点决定流体运移的阻力;孔穴的特征尺度分布呈现出单峰、或多峰形态,代表流体的储存能力。研究成果为深入认识复杂孔隙结构对岩体非线性力学行为的影响,提供几何边界、结构参数基于显微图像分析的可行方法。     

块煤含水率对其吸附性影响的试验研究

 为研究地下水对煤吸附性影响,针对潞安屯留煤矿3#煤层,进行大块煤样在干燥及含水状态下的吸附特性研究,试验发现：(1) 采用定容吸附时,瓦斯压力随时间衰减具有对数关系,衰减系数随含水率增大而降低;(2) 瓦斯吸附量与吸附时间之间为幂指关系;(3) 煤的瓦斯吸附量与含水率之间具有线性关系,二者之间关系与粉煤的研究结果不同。     

煤样粒径对煤与瓦斯突出影响的试验研究

 煤与瓦斯突出是发生在煤矿井下生产中的一种极其复杂的地质动力现象,严重威胁着煤矿安全生产。以由不同煤粉粒径压制而成的型煤为研究对象,采用偏光分析软件、应变控制式三轴仪,对型煤物理力学性质进行研究。并在此基础之上,应用煤与瓦斯突出模拟试验台进行不同粒径条件下的煤与瓦斯突出模拟试验,以探索研究煤粉粒径对煤与瓦斯突出特性的影响规律。研究结果表明,煤样粒径影响型煤的物理力学性质进而对煤与瓦斯突出产生明显的影响效果。具体表现在：煤样粒径越小,型煤表面孔隙结构的分形维数越大,其对瓦斯的吸附特性越好,同时其力学强度也越高;突出模拟试验表明,煤样粒径越小,煤与瓦斯突出发生的强度越大,吸附过程中吸附的瓦斯量也越大,但是煤与瓦斯突出过程中的破碎效果则越不明显。     

长焰煤热解过程中孔隙结构演化特征研究

随着煤热解温度的升高,煤孔隙结构和数量发生剧烈变化。为研究其变化规律,以长焰煤为研究对象,应用压汞法分别对300℃～600℃常规热解和600℃高温蒸气热解固体产物的孔隙结构参数进行测定和分析,计算不同热解温度下的孔隙分形维数,详细比较2种不同的热解方式下固体产物的孔隙特性。研究结果表明:(1)常规热解条件下,总孔隙体积和孔隙率随温度的演化表现为:黑岱沟煤先减小后增大,温度高于500℃后增长的速率较大,而子长煤先增大后减小再增大,增长速率最大的区段是300℃～400℃;比表面积随温度的演化表现为:黑岱沟煤一直增加,而子长煤持续减小。(2)常规热解条件下,长焰煤孔隙体积分布以中孔和大孔为主,温度超过300℃时,大孔占绝大多数;而比表面积的分布以微孔和过渡孔为主。(3)高温蒸气热解条件下,长焰煤热解固态产物的孔隙体积分布以中孔和大孔为主,大孔占主导地位,子长煤表现更为明显,大孔比例达99.91%;孔隙比表面积分布表现为:黑岱沟煤以微孔和过渡孔为主,而子长煤以大孔为主。(4)高温蒸气热解固体产物表现出更为优良的渗透性能,与注入惰性气体相比,注入高温蒸气是煤层原位热解工艺实施的最佳方法。在煤层原位热解工艺实施过程中,该研究可为煤体孔隙结构随温度变化问题提供科学依据和理论指导。     

含瓦斯煤岩三维蠕变特性及蠕变模型研究

 研究含瓦斯煤岩的三维蠕变特性是理解煤与瓦斯突出孕育过程中瓦斯和煤岩相互作用关系的重要方面,而目前含瓦斯煤岩三维蠕变特性的研究很少,因此需要进一步深入研究含瓦斯煤岩的三维蠕变特性。基于这一认识,采用自行研制的含瓦斯煤岩蠕变实验装置,对取自重庆松藻煤矿的煤样进行含瓦斯煤岩三轴蠕变试验。研究结果表明,含瓦斯煤岩的三轴蠕变特性具有明显的蠕变规律。在含瓦斯煤岩三维蠕变特性的基础上,通过改进西原模型的参数,建立改进的西原模型,由此推导出含瓦斯煤岩三维应力状态下的蠕变方程,并通过拟合得到蠕变方程中的各个参数。利用含瓦斯煤岩的蠕变试验结果,对三维蠕变方程进行验证,发现理论结果与试验数据有着很好的一致性。研究结果表明,由改进的西原模型推导出的含瓦斯煤岩三维蠕变方程能真实反映含瓦斯煤岩的蠕变特性。     

三维应力下煤与瓦斯突出模拟试验研究

 煤与瓦斯突出实质是开采扰动下含瓦斯煤体在三维应力作用下突然发生的力学失稳破坏,严重威胁着煤矿安全生产。以典型高瓦斯矿井-阜新孙家湾煤矿突出煤粉压制而成的型煤为研究对象,利用自主研制的煤与瓦斯突出仪,进行煤层埋深－600 m,在轴压、围压、孔隙压三维应力条件下煤与瓦斯突出模拟试验,以探求煤与瓦斯突出规律。试验再现煤与瓦斯突出孔洞口小腔大、突出煤粉分布具有分选性等突出特征现象,验证煤与瓦斯突出模拟仪的可靠性。通过对试验结果分析,划分6个突出区域,得到以下新认识：突出煤粉质量分布具有区域性特征,存在煤粉质量极值区和均值区。突出试验现象表现为瓦斯–煤气固两相射流特征,为引入射流理论研究煤与瓦斯突出机制提供新思路。突出煤粉量极大值区域位于突出中远区,是瓦斯–煤气固两相射流突出破坏能量的耗散阶段区域。不同粒径突出煤粉分布具有明显的波动分布特性。煤粉质量极大值区以较小粒径煤粉为主,煤粉质量极小值区以较大粒径煤粉为主,突出末端区域以较小粒径煤粉为主。指出高压瓦斯是突出发生的动力源和煤体粉碎粉化的破坏源,煤与瓦斯突出能量释放具有波动性特征。试验结论对煤与瓦斯突出的机制认识具有重要参考价值。     

聚丙烯纤维混凝土喷层支护技术及其在顾桥矿区的应用

根据聚丙烯纤维混凝土结构力学原理，研究聚丙烯纤维混凝土喷层在煤矿锚喷巷道支护中适用性。结合淮南顾桥矿区典型锚喷巷道工程，完成聚丙烯纤维混凝土喷层的合理配比及抗拉、抗压、抗剪等指标的室内试验。与素混凝土喷层相比，聚丙烯纤维混凝土喷层中的应力分布较均匀，有较好的让压能力。工业性试验表明，聚丙烯纤维混凝土喷层抗拉强度高、韧性好、回弹量低、工艺简单等特点，具有较高的推广应用价值。