力热耦合作用下煤岩吸附及渗透特性的试验研究

利用等温吸附试验仪器与含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,为模拟深部煤层瓦斯开采过程,分别进行不同温度下等温吸附试验与孔隙压力升高的渗流试验,建立考虑过剩吸附量修正的吸附模型并修正吸附膨胀模型,探究力热耦合作用下煤岩吸附与渗流变化规律。结果表明:瓦斯吸附量在不同温度下随瓦斯压力升高均呈增大趋势,随温度升高吸附量逐渐降低。在高压下需考虑过剩吸附量造成的误差,修正的Langmuir模型比原模型计算结果精度更高;建立了考虑温度与过剩吸附量修正的吸附变形模型与吸附膨胀模型,煤岩吸附应变随孔隙压力升高而减小,且温度越高应变变化量越小。随孔隙压力升高,煤岩渗透率及吸附膨胀与滑脱效应导致的渗透率变化量均呈下降的趋势,且随温度升高3者逐渐增加;吸附膨胀是引起煤岩渗透率减小的主要因素,吸附膨胀与滑脱效应对渗透率的贡献率随孔隙压力升高逐渐下降,其贡献率均随温度升高逐渐增加。     

黔北地区页岩孔隙结构特征及水渗流演化规律研究

为探究页岩孔隙结构特征以及水渗流演化规律,以黔北地区牛蹄塘组页岩为研究对象,首先采用低温液氮吸附试验以及高压压汞试验分析页岩内部微观孔隙结构特征,然后在恒定围压、轴压条件下利用三轴渗流装置进行了不同有效应力条件下的三轴渗流试验,探讨页岩有效应力与渗透率之间的关系,建立了考虑孔隙结构和压缩特性联动影响的页岩渗透率模型,并通过与初始渗透率受应力状态下的页岩渗透率模型对比分析验证其合理性。结果表明:黔北地区牛蹄塘组页岩是一个从微孔到大孔的连续分布体系,5种页岩的吸附-脱附等温曲线其类型与IUPAC分类中的Ⅳ型最为接近而且进汞-退汞曲线形态近似,大孔的类型以一端封闭的不透气孔为主,中孔则以两端开放的毛细孔等开放型孔为主,微孔主要以细颈广体孔和墨水瓶孔为主;页岩孔径分布复杂,含有大量的微孔和中孔,其中微孔和中孔提供了大部分孔比表面积,而大孔则是孔体积的主要贡献者;在相同围压、轴压条件下,页岩渗透率随着有效应力的增大呈逐渐减小的趋势,且渗透率和有效应力呈指数函数关系;考虑孔隙结构和压缩特性联动影响的页岩渗透率模型计算曲线与渗透率试验所测的数据基本吻合,且能很好反映恒定围压、轴压条件下有效应力与渗透率之间的变化关系。     

煤岩孔裂隙结构分形特征及渗透率模型研究

为探究煤岩孔裂隙结构与渗透特性的联动关系,采用扫描电镜、偏光和分形等手段分析煤岩孔裂隙结构分布特征,利用自主研发的出口端正压三轴渗流装置,开展恒定有效应力条件下孔隙压力升高的渗流试验。基于分形理论,考虑煤岩表面孔隙分布情况对煤岩渗透率的影响机理,建立考虑孔裂隙分形特征的煤岩渗透率模型,通过试验验证其合理性,对煤岩孔裂隙下分形维数和渗透率耦合进行定量分析。研究结果表明:①六盘水矿区煤岩表面含有一定数量的孔隙和裂隙,其中四角田7号煤层孔裂隙发育情况最好,具有2条清晰的宽度较大的裂隙,并伴有大量交叉微裂隙及孔隙发育,煤岩结构破坏严重;②通过盒维数法可得煤岩孔裂隙分布具有明显的分形特征,且煤岩孔隙率与分形维数呈正相关关系;③恒定有效应力条件下,煤岩渗透率随孔隙压力升高呈现先急剧降低后趋于平缓的趋势,受孔裂隙结构影响,在相同的孔隙压力下煤岩渗透率存在明显差异。煤岩表面孔裂隙结构越复杂其分形维数越大,有助于瓦斯运移,渗透率呈上升趋势;④考虑孔裂隙分形特征的煤岩渗透率模型计算值与实测值吻合度较高,与前人研究成果相比,无论理论机理的适用性还是对试验点的匹配方面都更加适用,且能较好地反映孔隙压力与渗透率的联动关系。     

高温损伤后岩石动态损伤本构模型

为了研究高温损伤后岩石动态本构模型,通过组合建模的方法,引入裂隙体,并与损伤体串联,经理论推导,最终建立了高温后岩石全过程动态本构模型。随后开展了25~600 ℃温度处理后的花岗岩动力冲击试验。研究结果表明:随着温度升高,花岗岩动态峰值应力减小,弹性模量则先增大后减小;核磁共振测试结果能够定量描述高温引起岩石内部孔隙以及孔径分布,T2谱面积随温度升高呈现指数增长规律;试验结果验证了高温损伤后岩石动态损伤本构模型的适应性,理论计算结果与试验数据相关性达0.98以上;裂隙体参数a和b控制了应力应变曲线压密段的曲线形状,且曲线对参数a更为敏感。     

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。     

考虑水分影响的煤岩渗透率模型及演化规律

在开采环境的不断变化过程中,煤岩通常处于气-水共存的状态。为了探究水分与煤岩渗透率之间的反应机制,利用等温吸附装置和含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,分别进行不同含水条件下的等温吸附试验和孔隙压力升高的渗流试验。基于水膜与孔裂隙表面的相互作用及水膜之间分离压的影响,并且考虑压缩变形及滑脱效应对煤岩渗流的贡献率,构建考虑水分影响的渗透率模型,进而分析不同含水条件下煤岩吸附与渗流变化规律。研究结果表明:① 在不同含水条件下,煤岩瓦斯吸附量随孔隙压力增大而增大,而随含水率增大,瓦斯吸附量呈减小趋势。同时,吸附变形随着煤岩的吸附作用而变化。② 煤岩中的水分易在孔裂隙表面形成吸附性水膜占据气体渗流的通道,并且气态和液态水分子会制约瓦斯流动,因而瓦斯流量随含水率增大而减小。当煤岩含水率恒定时,渗透率随孔隙压增大先减小后趋于平缓;恒定孔隙压力条件下,渗透率随含水率增大显著减小。③ 考虑压缩变形、吸附变形、水分和孔裂隙间水膜对裂隙宽度的影响,构建了考虑瓦斯和水分耦合作用的渗透率模型,而且煤岩渗透率计算值与实测数据基本保持一致,可以较好的表征含水煤岩的渗透率变化规律。     

考虑温度、孔隙压力影响的煤岩渗透性演化机制分析

为探究煤层气抽采过程中温度与孔隙压力对煤岩渗透特性变化的影响,以贵州黔北煤田原煤为研究对象,利用自主研发的出口端正压三轴渗流装置,通过控制进出口气体压力分别设定3个不同压差条件,开展不同温度下改变孔隙压力的渗流试验。在当前典型的SD模型基础上结合温度引起的吸附变形、热膨胀和滑脱效应的作用,新建考虑温度和恒定外应力条件下的渗透率模型。通过试验与模型对比验证其合理性,并对有无考虑滑脱效应的渗透率计算值进行了定量分析。结果表明:①渗流试验过程中,煤岩渗透率随孔隙压力升高而降低,其渗透率下降量受温度升高影响呈现降低趋势;孔隙压力升高,煤岩渗透率受温度影响的敏感程度逐渐降低。②在试验的各孔隙压力点下,温度升高使得煤岩渗透率降低;在各温度状态下,煤岩渗透率随压差增大呈现降低趋势。③经定量分析后发现修正模型较其他两个模型更加符合试验结果,且修正模型的滑脱因子随温度升高而增大,从理论方面验证了模型的合理性。④考虑滑脱效应的煤岩渗透率曲线比不考虑滑脱效应的渗透率曲线更加符合试验结果。在不同温度条件下,前者的渗透率计算值大于后者的计算值。随孔隙压力升高,滑脱效应引起的渗透率变化量逐渐降低。