构造煤裂隙及渗流孔隙分形特征研究

构造煤的孔裂隙系统对煤层气吸附、运移以及瓦斯突出均具有控制作用,选取淮北朱仙庄矿12块不同变形类型构造煤进行显微镜观测和压汞测试,并利用分形方法对样品裂隙系统、渗流孔孔隙系统及二者的关联性进行研究,结果表明:样品显微裂隙信息维数分布于1.2~1.9,孔隙分形维数分布于2.6~3.0;随着煤体变形程度增强,显微裂隙分形维数Dl线性增大,渗流孔隙分形维数Dk在脆性变形阶段变化不大,脆-韧性和韧性变形阶段呈线性减小。Dl增大,样品渗流孔孔容和比表面积呈指数增大,平均渗流孔孔隙直径减小,渗流孔发育程度提高,渗透性增强。孔隙分形维数随裂隙分形维数增大呈抛物线形式减小,以Dl=1.6为界,可根据Dl值将变形环境分为小于1.6的脆性变形环境以及大于1.6的脆-韧性/韧性变形环境。     

煤层中瓦斯渗流规律的技术研究

针对目前煤炭开采逐步转化为深部开采,瓦斯问题也日趋严重的现状,以预制裂隙煤体为研究对象,进行了三轴加载压缩试验和三轴渗流试验,研究了不同裂隙面积煤体在应力作用下的力学特性与渗流规律。试验结果表明：不同裂隙面积煤体在应力加载下的应力变化曲线基本趋于一致,试样在加载压缩阶段、压密阶段与弹性阶段几乎密不可分,在围压加载阶段已经完成试样的压密;根据测得的压力梯度与流速拟合结果发现,裂隙渗流有明显的非线性特征;随着有效围压的增大,渗透率K逐渐减小,非达西渗流因子β增大;随着裂隙面积的增加,渗透率K逐渐减小,非达西渗流因子β也逐渐减小。     

淮北朱仙庄矿构造煤孔隙结构及其分形表征研究

基于压汞法对淮北朱仙庄矿的构造煤孔隙发育特征进行了研究,采用Menger海绵模型对样品的渗流孔和扩散孔发育特征进行了研究。研究结果表明:构造对孔隙结构的改造作用随着孔隙尺度的减小而减弱,煤体结构变形增强,大孔和中孔的孔容增幅显著,过渡孔孔容有一定程度的增加,微孔孔容变化很小,孔隙结构变得复杂;分形维数对构造煤孔隙结构特征和煤体变形特征具有良好的表征作用,随着煤体变形增强,分形维数呈增大趋势,脆性变形阶段分形维数缓慢增大,样品分形差异逐渐变大,韧性变形阶段,分形维数显著增加,样品分形差异性相对减小。随着分形维数的增加,样品的孔容和孔隙度呈指数增大趋势;渗流孔的孔容比呈负指数形式减小,扩散孔的孔容比线性增大,分形维数D3.1时渗流孔所占比重高,随分形维数增大扩散孔孔容所占比重逐渐超过渗流孔;渗流通道增多,气体吸附能力增强,煤储层的渗透率往往减小。     

不同粗糙度裂隙渗流特性数值模拟研究

岩石裂隙粗糙度对其渗流特性有重要影响。以巴顿十条标准轮廓线为基础,采用COMSOL数值模拟软件建立粗糙单裂隙渗流模型,开展不同粗糙度裂隙渗流特性研究工作,监测渗流过程中渗流速度的变化,并通过立方定律的修正式对渗透率进行计算,与此同时观测裂隙通道内的应力变化情况。研究结果表明:裂隙粗糙度对渗流速度影响较大,随着粗糙度系数(JRC)值的增大,裂隙渗流的最大流速和平均流速都在逐渐减小;裂隙渗流过程中有涡流场产生,且随着粗糙度的增大涡流场愈发紊乱,而涡流场会影响速度场的变化;岩石裂隙的渗透率随着JRC值的增大而增大,且呈对数函数递增趋势;裂隙通道内的最大压力受裂隙粗糙度的影响起伏波动较大,在JRC值为8～10时,最大压力达到最小值;裂隙通道内的最小压力随着JRC值的增大而呈现出逐渐减小的趋势。     

压力条件对煤体微观孔隙模型水渗流的影响

以大柳塔煤矿长焰煤为研究对象,采用X射线三维显微镜对矿芯煤样进行扫描,并应用三维重构技术及图像的灰度分割技术得到煤体的微观孔隙模型,在此模型的基础上构建了煤体的有限元网格模型,并利用Fluent有限元软件模拟了不同压力下微观孔隙模型的水渗流情况,得到了煤体微观孔隙内的速度及压力分布规律。结果表明:同一压力条件下,沿着水渗流方向,煤体孔隙受到的压力逐渐降低;沿孔隙中央-孔壁方向,速度呈现出由大变小直至为0的规律。不同压力条件下,同一方向通道的水渗流轨迹没有明显变化,但随着压力梯度不断增大,水渗流的整体速度明显增大,最大平均速度均出现在压力入口附近12~18μm之间。不同压力、通道条件对水渗流规律的影响明显。     

抽采钻孔孔周煤体渗流阻力分布特征试验研究

瓦斯抽采钻孔孔周煤体的孔隙结构变化是影响其渗流阻力的重要因素之一。为研究钻孔孔周粉碎区和裂隙区煤体渗流阻力的演化特征,采用稳态渗流法,研究了三轴压实状态下初始孔径大小对破碎煤样内部孔隙压力的影响规律,并对渗透过程中试样分层界面对孔隙结构属性参数的影响进行了分析。结果表明：单一孔径试样在同一渗流速度下,随着孔径的增加,渗透状态逐渐由层流过渡到紊流,渗流阻力由黏滞阻力为主发展成惯性阻力为主,双重孔径组合试样最小孔径大小是影响孔压梯度变化的先决条件;双重孔径组合煤体平均颗粒粒径介于0.1～1.025 mm,孔喉比分布在2～4,且渗透压降随孔喉比的增加呈二次曲线规律增长;孔径大小的变化对渗透率的影响较大,随着初始孔径的增大,其影响瓦斯通过煤体的能力增强;单一孔径试样与双重孔径组合试样非达西流因子分别与粒径的倒数和粒径差的倒数呈线性关系,且随着非达西流因子的增加,非达西渗流效应越来越明显,说明非达西流β因子增长趋势受孔径大小的影响,且孔径大小突增导致流体与渗透骨架的相对接触面积减小,非达西流β因子进一步增加;可见,在瓦斯运移过程中,钻孔孔周煤体的破碎程度与煤层渗透性具有良好的一致性,结合渗透率与...     

孔隙结构控制下的煤体渗透实验研究

煤层为典型的双重孔隙介质体,其渗透能力受孔隙和裂隙结构参数控制。通过建立描述煤体孔隙和裂隙渗透率统一数学模型,将煤体内气体渗流分为孔隙控制型、裂隙控制型和孔隙-裂隙联合控制型3类;借助6组煤样气体渗流实验数据和孔隙裂隙的测试统计,讨论了不同孔隙特征的渗透率差异原因。研究发现,孔隙和裂隙的结构参数决定了煤体的压缩系数和孔渗指数,进而决定了其渗流类型,影响煤体渗透率敏感性的关键因素是裂隙的密度和尺度,微孔中的气体分子受范德华力影响导致渗透率的应力敏感性几乎无法体现。     

基于低温液氮浸溶处理的淮南矿区松软中阶煤孔隙特征

为了研究低温液氮浸溶处理对淮南矿区中阶煤孔隙结构及其分形特征影响,采用不同液氮浸溶时间处理煤样,通过压汞法和液氮吸附法对煤体的孔隙结构加以测定,结合分形理论从多角度分析不同浸溶时间下煤体孔隙的发育规律及其尺度特征。结果表明：随着液氮浸溶时间的增加,煤体总孔容由198.089×10-3 cm3/g上升至371.553×10-3 cm3/g,总比表面积则由4.984m2/g下降至4.496 m2/g,效果显著;煤体吸附孔减小,渗流孔增加,吸附孔的孔隙连通性增加形成更大级别的孔隙,逐渐向渗流孔转变;渗流孔分形维数和吸附孔分形维数与液氮浸溶时间呈现负线性相关,液氮浸溶对于渗流孔分形维数比对吸附孔分形维数的影响程度更为显著;渗流孔分形维数和吸附孔分形维数随着液氮浸溶时间的增大逐渐降低,表明了煤体内部孔隙随着液氮浸溶时间的增大结构复杂程度降低,孔隙之间的贯通性增强,煤体孔隙度和渗透性的增加;综合分形维数随着煤体平均孔径和总孔体积的增加而减小,随着总比表面积的增加而增加,随着液氮浸溶时间的增加,煤体综合分形维数下降,煤体的吸附能力有所减弱,渗流能力有所增强,有助于提升淮南矿区低渗煤层煤层气抽采效果。     

岩体孔隙-裂隙双渗流数值模拟研究

为了研究岩体孔隙-裂隙双重介质渗流过程中速度变化、压力分布和不同形状裂隙影响的规律,采用COMSOL数值模拟软件对不同断裂形状的多孔介质块进行了渗流数值模拟,得到了裂隙速度场、基质块孔隙压力场和不同形状路径渗流影响的规律。结果表明:随着压力差的增大,沿裂隙路径上速度场发展最快,裂隙成为主要的渗流途径;基质块孔隙压力梯度分布均匀,压力分布在断裂的基质块中是连续的,但等压面的弯曲表明了裂隙和孔隙的不同流动状态;裂隙形状影响着流动特性,4种类型裂隙出口边界通量的大小关系为:圆角135°夹角90°夹角45°夹角,模拟结果有助于可视化地研究双重介质的渗流规律。     

含瓦斯煤Forchheimer型非达西渗流实验研究

针对目前非达西渗流在含瓦斯煤三轴应力状态下研究较少的问题,基于Forchheimer型非达西渗流理论,采用自行研制的含瓦斯煤准三轴渗流试验装置,研究了2个煤矿的贫煤煤样在不同围压、轴压条件下Forchheimer型非达西渗流特性并计算了相关参数。研究结果表明,三轴应力状态下煤样中瓦斯气体流速随瓦斯压力梯度的变化而出现明显的Forchheimer型效应。相同介质和流体下,瓦斯压力和三轴应力状态成为煤体瓦斯渗透规律的主要影响因素。不同围压、轴压条件下,瓦斯渗透速度会随瓦斯压力的增大而增大,但其渗透速度的增大速率最终会趋于恒定。相同围压下,非达西渗流因子β随轴压的增大而增大,且β越大,压力梯度与渗流速度之间的非线性关系越明显,而非达西渗透系数K值会有减小的趋势。     

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。     

含裂隙煤体瓦斯渗流规律的LBM数值模拟

通过模拟外力驱动渗流以及部分填充多孔介质的剪切渗流,验证了广义LBM模型可以对含有裂隙的煤体内瓦斯渗流规律进行模拟研究;裂隙内的流速明显高于在煤基质内的流速,定量研究了渗流速度和流量随着裂隙宽度增加的变化规律;而在裂隙宽度相等的条件下,煤体渗透率越低则流速和流量的提高越显著;与顺流向的裂隙相比,垂直流向裂隙的存在对提高渗流速度及流量的影响相对较为有限。模拟结果表明：裂隙的存在,尤其是在渗透性较差的煤层中,对提高瓦斯抽放的效果更为明显;而对于不同方向的裂隙,则应该重点关注与瓦斯流动方向相同或大体相同的裂隙分布。     

基于压汞、低温N_2吸附和CO_2吸附的构造煤孔隙结构表征

我国煤层受多期次构造运动影响构造煤普遍发育,构造煤孔隙大小分布尺度较广(毫米～纳米级),孔隙结构较为复杂。不同尺度的孔隙结构控制着煤层气的吸附-解吸(孔隙表面)、扩散(纳米级孔隙)与渗流(微米～毫米级孔隙)等过程,是影响煤层气储存与运移的重要因素。为研究构造煤不同尺度孔隙结构的分布特征与演化规律,在潞安矿区采集4种破坏类型煤样,利用压汞法、低温N_2吸附法及CO_2吸附法分别测试了煤样的孔隙分布特征,对比分析了各测试方法的优势孔径段,提出利用CO_2吸附法表征构造煤微孔(2 nm)、低温N_2吸附法表征介孔(2～50 nm)、压汞法表征大孔结构(50 nm)的孔隙结构多尺度联合表征方法。实验结果表明所采煤样的孔容和孔比表面积均主要分布在微孔阶段,在0. 6 nm左右时的孔隙孔容量和孔比表面积达到最大,其中微孔容占总孔容的70%以上,微孔孔比表面积占总孔比表面积的99%以上,煤中孔容和孔比表面积分布存在微孔大孔介孔的规律。分析构造煤孔隙特征与煤体破坏类型的关系,随煤破坏程度增加,孔容和孔比表面积逐渐增高,大孔孔容比及介孔孔容比逐渐增大,微孔孔容比逐渐减小;孔容增幅主要体现在大孔阶段,比表面积增幅则主要体现在微孔阶段。其中大孔演化主要受控于角砾孔、碎粒孔及摩擦孔等外生孔,介孔演化受控于煤的大分子堆叠结构及分子间距,微孔演化主要受控于煤中芳香层片大小及排列方式。     

煤粉在支撑裂缝中的运移与沉积规律

针对煤储层压裂过程中易产生大量煤粉问题,应用LD-1A导流能力测试系统进行了支撑裂缝中不同流速、不同煤粉含量的流体流动物模实验,分析了流体在变流速、恒流速和间断流动下,煤粉在支撑剂充填层中的运移、沉积及产出规律。实验表明:煤粉运移具有一定的临界流速,不同条件下,临界流速差别较大,在20~40目石英砂支撑裂缝中,过60目煤粉临界流速可达5.20 cm/min,而过140目煤粉临界流速为2.01 cm/min;流体流速、支撑剂粒径、煤粉粒径、煤粉含量、排采制度等多重因素共同控制煤粉产出量;煤粉容易沉积在支撑裂缝中堵塞支撑剂构建的孔隙,对支撑裂缝导流能力的伤害严重。压裂后有效排出煤粉,可减小堵塞伤害;排采过程中控制流体流速,有利于减少煤粉运移及产出。     

矿石形状对浸堆结构及渗流场影响机制

为了研究筑堆矿石形状对堆内结构和渗流速度场分布的影响,选取了相同级配下的球团制粒矿石与普通原矿石进行柱浸实验。利用核磁共振成像(MRI)技术非接触地获取内部饱和结构,通过图像处理与统计研究了矿石形状与孔隙分布的关系,并利用Navier-Stokes方程模拟了相同压力和入渗速度下矿石形状对渗流速度场的与优势流分布影响。结果表明,饱和状态下的内部孔隙并不都服从正态分布,制粒矿石间孔隙分布更为均衡,服从正态分布,μ=2.0mm,原矿石间孔隙分布不服从正太分布,在8.00～11.00mm间缺失,最大当量直径为11.39mm;制粒矿石间速度场分布更加均匀,孔隙间无明显优势流,原矿石间速度场分布不均衡,存在贯穿结构的优势流和较大浸出盲区,出口边界表现为流场叠加状态;提出矿石形状均匀系数K可以有效描述矿石形状对内部孔隙和渗流的影响机制,K值小,孔隙分布均衡,渗流速度场分布均衡;K值大,容易产生大孔隙,连通成为优势流的通道,致使流场分布不均衡。     

基于核磁共振和低温氮吸附的煤层酸化增透效果定量表征

针对某些煤储层中的孔隙和裂隙被方解石、白云石等矿物或杂质堵塞致使煤层渗透率降低的问题,提出一种煤层酸化增透方法。利用核磁共振(NMR)和低温氮吸附实验表征了煤样酸化前后的比表面积、孔隙体积、孔隙度、渗透率、孔径分布及核磁成像等特性参数,分析了酸化作用下煤的细观结构变化规律。测试结果表明,煤样经酸化处理后,饱和水状态的NMR信号量增加,残余水状态的NMR信号量降低,T_2谱的中大孔峰(T_220 ms)的变化较大,NMR所表征的总孔隙度、有效孔隙度、渗透率均增加,残余孔隙度、T_2截止值降低;低温氮吸附所表征的比表面积和总孔隙体积均增加,且主要集中增加在10 nm左右的孔隙,但高煤阶煤增加不明显。NMR图像直观地反映了煤样酸化前后内部孔隙结构的变化特征,为揭示酸化增透的微观演变过程提供了新的手段。煤样初始孔隙越发育或孔隙裂隙中可溶性矿物质越多,所表征的特征参数变化越大,酸化增透效果越好。     

基于瓦斯流态的抽放半径确定方法

根据雷诺数把瓦斯从煤层中产出的流态划分为4类：扩散、低速非线性渗流、线性渗流和高速非线性渗流.在线性渗流区可采用达西定律计算抽放半径;在低速非线性渗流区可根据储层压力和启动压力梯度确定抽放半径.采用该方法对安阳红岭煤矿抽放半径进行了计算,计算结果与现场实测结果一致.     

水沙混合物裂隙渗流特性分析

水沙在裂隙或破碎岩石中的渗透特性具有复杂性,研究水沙裂隙渗流特性对于揭示突水溃沙机理具有重要意义。利用自制的水沙裂隙渗流试验仪器,通过改变沙粒径、浓度等因素进行水沙渗透试验,获得水沙在裂隙中流动的滞后性特征。通过水沙裂隙渗流试验,得到了岩石裂隙中水沙渗流速度-压力梯度滞环曲线,分析了滞环曲线的特征,简单解释了滞后现象的原因。得到其渗透压力梯度与渗流速度在一个循环周期内形成了一条封闭滞后曲线,根据曲线的是否有交叉和往返曲线的距离分为4种变化类型;随沙粒径和沙浓度增大,曲线由Ⅰ型向Ⅳ型转化。滞后性指标用最大滞后量G_p和滞环面积S描述,随沙粒径和浓度增大,这两者均呈增大趋势,但增幅并不同步。进一步,利用ANSYS Fluent软件进行水沙裂隙渗流场的数值模拟,获得了在不同因素影响下渗流场的变化规律。数值模拟结果表明,粗糙裂隙流场物理量随时间波动;粗糙裂隙中水沙流动受壁面约束作用,表现出流场物理量空间分布的随机性。模拟结果显示裂隙中水沙渗流场不稳定,渗流场的压力损失与沙粒径呈反向变化。裂隙横截面上水沙流体时均速度和湍动能分布受沙粒径和沙体积浓度影响很大,表现为极值点的位置偏移。此研究可以为进一步研究浅埋煤层突水提供参考。     

低渗煤层液态CO_2相变定向射孔致裂增透技术及应用

如何实现深部煤层瓦斯的高效抽采是保障我国煤炭企业安全生产的重要问题,而低透气性煤层瓦斯储层增产改造则是其中的核心技术和热点问题。为解决低透气性煤层瓦斯高效抽采技术难题,研究提出了地应力条件下优势射孔致裂方向的确定方法及低渗煤层液态CO_2相变定向射孔致裂增透技术,现场试验及应用研究形成了液态CO_2相变定向射孔致裂增透网格式瓦斯抽采方法。研究表明:孔壁破裂压力受钻孔方位角、倾角影响具有明显的方向性,并确定了试验区液态CO_2相变定向射孔优势致裂方向;该技术可有效增加煤样孔隙度、孔径、比表面积、可见孔比例等,改善煤岩体内孔隙结构及渗流能力,提高瓦斯抽采纯流量9~12倍,降低煤层瓦斯抽采流量衰减系数92%;现场试验及PFC2D数值模拟研究确定了该技术的影响半径为9~13 m;应用表明液态CO_2相变定向射孔致裂增透网格式瓦斯抽采方法,可有效预防低透气高突煤层巷道掘进期间的瓦斯超限问题,提高巷道掘进速度4~5倍。