受载煤样瓦斯解吸规律实验研究

为了查明受载煤样瓦斯解吸规律,自行设计了受载煤岩恒压瓦斯吸附解吸实验装置,进行了不同轴压和瓦斯压力条件下柱状煤样瓦斯解吸实验,分析了轴压和瓦斯压力对瓦斯解吸的影响,并根据瓦斯解吸经验公式,对实验结果进行了拟合。研究结果表明:在相同轴压条件下,瓦斯压力越高,煤样瓦斯解吸量越大,解吸速率越快;在相同瓦斯压力下,轴压越高,煤样瓦斯解吸量越大,解吸速率越快;轴向受载煤样瓦斯解吸规律符合艾黎公式,式中m值能够表征煤体内部孔裂隙发育程度。随着轴压增加,微裂隙逐渐发育,m值逐渐减小。     

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。     

卸围压速率和瓦斯压力对原煤力学和渗流规律的影响

深部煤炭开采过程中,由于工程扰动,地应力发生复杂变化,由此导致煤岩力学性质、渗透率特性等随之改变。基于此,进行了煤样在轴压一定,不同卸围压速率、不同瓦斯压力条件下的流固耦合试验。研究了煤样在不同应力卸围压速率、瓦斯压力作用下的力学和渗流特性;分析了三轴卸围压和不同瓦斯压力条件下原煤的变形、强度、力学参数变化规律;揭示瓦斯的分阶段演化特性。结果表明：随着围压卸载速率、瓦斯压力的不断增加,煤样破坏时的变形、塑形平台逐渐增强;煤样的变形模量、侧向变形系数及破坏时的有效围压均随着卸围压速率、瓦斯压力的增加而逐渐降低;轴压加载阶段,由于原生裂隙被压密,渗透率逐渐降低,在围压卸载阶段,由围压卸载引起的原生孔隙裂隙扩张、高偏应力差引起的煤样新生裂隙导致裂隙总量增加,渗透率逐渐增大。     

含瓦斯煤多场耦合渗流解吸实验系统的研发及应用

为了改进含瓦斯煤多场耦合条件下的基础实验研究,自主研发了含瓦斯煤多场耦合渗流解吸实验系统,主要由恒压自动充气吸附单元、煤样瓦斯“面扩散”渗流解吸装置、瓦斯抽采单元、应力加卸载单元、非接触式应变测量单元、声发射监测单元、多参监测单元和实验系统管理软件组成;并应用该系统进行了煤体甲烷吸附解吸实验和含瓦斯煤受载过程中应力-应变-渗透规律研究。研究表明：煤体的吸附和解吸均符合指数函数,解吸率先快速增大后缓慢增加最终达到了平衡状态;同一时刻,随着粒径的减小,煤体吸附平衡时间越短、解吸率和解吸总量越大;含瓦斯煤应力-应变-渗透过程呈阶段特性,煤体渗透率在压密阶段快速降低;弹性变形阶段应变快速增大,渗透率缓慢降低并达到最小值;屈服阶段渗透率缓慢增加,峰后软化阶段渗透率快速增大。     

卸围压作用下煤岩破断及渗透特性

利用含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置,进行了不同气体压力作用下煤岩卸围压作用的瓦斯渗流实验。实验结果显示,渗透率变化呈现阶段性特点,全过程可以分为3个阶段：阶段I,渗流减小阶段;阶段II,稳定渗流阶段;阶段III,加速渗流阶段。采用Kozeny-Carman方程描述渗透性与孔隙度的关系,研究煤岩变形与瓦斯渗流的关系,建立了卸围压煤岩变形与渗透率的相关性模型。理论分析表明：在阶段I,外部压力和孔隙压力的变化是引起煤样渗透率发生变化的主要原因,在阶段II和阶段III,外部压力成为主导;在破坏后阶段,渗透率增长1个数量级,变化十分明显。由于理论计算结果与实验曲线较为接近,模型反映了不同瓦斯压力下加载煤岩变形与渗透率变化的基本特征。     

含瓦斯煤多级式卸围压变形破坏及渗透率演化规律实验

以重庆松藻煤电有限责任公司的典型煤与瓦斯突出矿井--打通一矿7号煤层为研究对象,利用自行研制的“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置”,进行了不同初始围压和不同瓦斯压力组合条件下,含瓦斯煤多级式卸围压变形破坏及渗透率演化规律实验研究。研究结果表明：开始卸围压后,煤岩并不是立即被破坏失稳,而是维持在σu1一段时间,经历n级卸围压作用后才会失稳;在煤样失稳前,每一级卸围压过程中煤样的变形和渗透率变化速度都是不一样的,均呈加速增大的趋势;在每一级围压恒定阶段,随着围压的降低,煤岩的蠕变速度和渗透率也均是加速增大的;卸围压阶段比围压恒定阶段变形和渗透率增大速度快得多;无论是卸围压过程还是恒定围压阶段,围压降低引起的横向变形的变化速度均大于轴向变形的变化速度。     

饱和水含瓦斯煤气水两相渗流特性试验研究

通过恒温条件下饱和水煤样气水两相渗透率的测定试验,研究了含瓦斯煤样气水两相渗透特性规律。利用自主研发的三轴瓦斯渗流试验系统,测定随着含水饱和度变化,煤样在围压和瓦斯压力的不同组合情况下的渗流量,得到气水两相渗透率与含瓦斯煤含水饱和度之间的关系,揭示了饱和水含瓦斯煤气水两相渗透特性的一些新的认识:1随着含水饱和度的减小,水的渗透率不是一直减小的,而是整体呈现出随着煤样含水饱和度的减小而减小的趋势,但在开始阶段有一段比较大的波动,渗透率先减小后增大,出现一个波峰,然后再逐渐减小,且很快减到极小的程度;2水对瓦斯的渗透性有较大的抑制作用,在饱和水状态下瓦斯气体几乎不能通过煤样,但在高含水饱和度条件下,瓦斯的渗透率不一定接近于0;3随着瓦斯压力的增大,气水等渗点右移。     

应力对煤岩瓦斯渗透率影响的数值分析

为探讨外载应力对煤岩瓦斯渗透率和原煤中瓦斯微观流动状态的影响规律,开展了不同应力加载条件下的原煤瓦斯渗流特性的实验研究,利用离散元分析软件UDEC中的可压缩流体模块,对受载含瓦斯煤的渗透特性进行了数值模拟并进行了实验验证。研究结果表明,实验结果和数值模拟结果吻合度较高;快速压实阶段,此阶段煤岩所受应力小于7.5 MPa,小于煤岩强度,煤岩的瓦斯渗透率随应力增大而减小;线弹性阶段,此阶段煤岩所受应力介于7.5~15.1 MPa之间,煤岩中原生裂隙闭合量不显著,瓦斯渗透率随应力增大不明显;塑形变形阶段,此阶段煤岩所受应力大于煤岩强度15.1 MPa,煤岩内部产生次生裂隙,并且裂隙宽度随应力的增加而增大,煤层中出现流量较大的裂隙,瓦斯渗透率随应力增大而迅速增加。     

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。     

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。     

淮南矿区典型煤岩体全应力—应变渗透性表征试验

煤岩体是一种多孔介质,地下开挖使岩体的应力状态发生改变,导致岩体的力学性质和渗透性质发生改变,围岩应力状态和渗流场特性是获取储层瓦斯气、评价或计算矿井涌水量、防突水危害等具体工程问题的理论基础和科学依据。通过对淮南矿区煤岩进行三轴压缩全过程渗透性试验,分析了煤岩变形破坏全过程以及不同围压和瓦斯压力下的瓦斯渗透特性。得出煤岩全应力—应变曲线与煤岩瓦斯渗透率—全应力应变曲线之间的对应关系。结果表明:在微型裂隙闭合和弹性变形阶段,煤样渗透率随应力增大而减小,进入屈服阶段后,渗透率达到最小值并在峰值后呈持续增大之势;固定瓦斯压力作用下,煤样应力峰值随着围压的增加而逐渐增大,煤样渗透性与围压关系呈指数函数变化规律,且表现出应变滞后的特点;固定围压作用下,渗透率与瓦斯压力关系呈“V”字型走势,即在扩容阶段煤岩样渗透性达到最佳。     

卸压开采地面钻井抽采的数值模拟研究

卸压开采地面钻井抽采是煤与瓦斯共采的关键技术之一,是提高瓦斯采出率确保高瓦斯突出煤层安全高效开采的重要措施。在现有研究的基础上,综合岩体渗透率与应力的指数关系、岩体渗透率与塑性裂隙发育情况的关系以及采空区内破碎岩体压实过程中渗透率的变化情况,运用FLAC3D内嵌的FISH语言对渗流模式进行二次开发。结合淮南某矿卸压开采地面钻采的实际地质条件,运用所建模型模拟了卸压抽采过程中围岩渗透率的变化情况,掌握了被保护层、采空区以及钻孔周围渗透率的分布情况。在此基础上进行了钻采瓦斯的渗流计算,在验证地面瓦斯抽采效果的同时掌握了卸压抽采瓦斯的渗流路径：认为被保护层瓦斯除了直接涌入抽采钻井,大部分瓦斯首先渗流至邻近岩体,再通过层间岩体涌入瓦斯抽采钻孔。通过淮南某矿卸压抽采过程中的抽采实测数据以及邻近工作面裂隙带实测数据验证了数值模型的正确性。     

考虑煤渗透性变化的抽采渗流耦合模型研究及应用

为揭示煤岩变形对煤层瓦斯抽采渗流特性的影响,开展了煤层瓦斯抽采气固耦合问题研究。首先,考虑煤吸附解吸变形、孔隙压力及渗透性变化对瓦斯抽采的影响|然后,根据达西定律,建立以有效应力及吸附应变为耦合媒介的煤层瓦斯渗流和煤岩变形气固耦合方程|最后,以沙曲矿24208工作面为工程背景进行抽采煤层位移、吸附应变和瓦斯渗流数值模拟,并对比分析煤层瓦斯压力、煤层渗透率和瓦斯抽采量的耦合效应。结果表明：抽采后钻孔周围煤体位移呈增大趋势,煤体因瓦斯解吸收缩变形,距抽采孔越近应变量越大|抽采初期煤层瓦斯压降梯度大|煤层渗透率随抽采时间呈增大趋势,距孔越近增幅越大|初期钻孔瓦斯抽采量较大但降幅较快,后趋于稳定,对比发现模型抽采量计算结果与实际抽采数据较为一致。     

新景矿3号煤层渗透率对有效应力敏感性实验分析

利用KDZS-Ⅱ型煤体瓦斯瞬时解吸及渗流特性测试仪在0.31、0.61 MPa气体压力条件下,开展了新景矿3号煤层渗透率对有效应力敏感性实验分析。结果表明:新景矿3号煤层渗透率对有效应力具有极强的敏感性,煤层渗透率随有效应力增加而降低,二者之间具有良好的负指数幂函数关系;相同气体压力和有效应力下各煤样试件的渗透率变化不同且分异现象显著;煤样试件的渗透率大小与孔隙度、裂隙方向密切相关,煤样试件裂隙方向平行于轴线方向、孔隙度大时,煤样试件的渗透率相对较大;煤样试件的裂隙方向垂直于轴线方向、孔隙度较小时,煤样试件的渗透率相对较小。     

煤层注水抑制瓦斯涌出机理研究

在RMT-150B岩石力学伺服试验机的基础上,设计了一套测试煤样启动压力梯度和渗透率的实验装置,分别测试了煤样在不同含水饱和度状态下的启动压力梯度和渗透率。实验结果表明,随着含水饱和度的增大,渗透率逐渐降低,启动压力梯度逐步增大,渗透率越低的样品对含水饱和度越敏感,从理论上解释了煤层注水抑制瓦斯涌出的原因。     

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。     

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。     

煤层气产能影响因素及开发技术研究

煤储层中气体分子在承压状态下处于吸附—解吸的动态平衡,随着产层打开和压力降低,气体通过解吸、扩散、渗流产出,形成产能。笔者结合生产井数据,分析了渗透率、含气饱和度、临界解吸压力和压裂缝半长对产能的影响。中国煤层具有低压、低渗、低饱和度等特点,致使储层驱动能量不足,在自然条件下气体解吸、渗流困难,所以必须采用有效的开发增产技术。与常规天然气储层相比,煤层气储层更容易受到损害,在进行开发时采取欠平衡钻井、氮气泡沫压裂等储层保护增产技术对于单井产量的提高至关重要。各地区煤储层特征差异显著,在开发时要对不同的开发手段进行适用性与经济性研究。