煤层瓦斯运移机制的关键参数表征

 煤层的瓦斯扩散系数、浓度流动系数、初始运移强度系数和衰减系数,是煤体孔隙结构和煤质特性的力学表征。为研究煤层瓦斯运移机制,量化煤层瓦斯运移能力,依据Fick扩散理论和质量守恒方程,建立了描述煤体瓦斯浓度与扩散速率的计算模型,采用变量分离法进行数学求解,并通过数据迭代方法获取煤体内瓦斯的扩散系数和表面浓度流动系数;通过室内4种煤样瓦斯运移实验数据比较发现,煤体瓦斯质量增量与运移时间成负指数关系,且随煤阶升高而增大;瓦斯运移速度和衰减系数取决于煤的吸附能力和煤质组分,且煤种之间差异明显;渗透率与扩散系数成线性关系,与流动系数成二次函数关系,且随煤阶升高整体呈增加趋势。     

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,     

高压注水对煤体瓦斯解吸特性影响的试验研究

 为了研究高压水作用后的煤层瓦斯解吸特性,依据地面水力压裂煤层抽采煤层气的方案和工艺,设计一系列含瓦斯煤体注水后的解吸特性试验,说明实际状态下的含瓦斯煤体在受到高压水的长期作用后解吸能力及规律的变化。试验装置采用自主研制的吸附–注水–解吸成套设备,分阶段地进行吸附、高压注水和解吸试验,对于不同煤种同等吸附压力下、相同煤种不同吸附压力下的块状原煤进行自然解吸和不同压力下的高压注水解吸试验,以获得不同条件下试验煤体的瓦斯解吸规律。结果表明：(1) 在相同吸附平衡压力下,试验用1–1#贫煤的自然解吸率为56.17%,略高于试验用2–1#无烟煤的51.50%,与矿井实际的条件相同;(2) 水对含瓦斯煤体的解吸特性影响较大,等压注水后的1–1#,1–2#和2–1#煤体的瓦斯解吸率分别为40.15%,47.17%和 27.09%,只有自然解吸时的50%～70%,无烟煤的影响最大,较高瓦斯吸附压力下的贫煤影响最小;(3) 随着注水压力的增加,最终解吸率逐渐呈非线性的规律衰减,在注水压力达到一定极值后解吸率会保持稳定;(4) 解吸的时间效应与注水有关,自然解吸在较快时间内可以达到平衡,而注水后的解吸达到平衡的时间有不同程度的增加。     

抽采瓦斯过程中煤层温度演化规律的物理模拟试验研究

 煤层瓦斯作为一种非常规天然气,对其进行开发利用具有一举多得的功效,越来越受到各国重视。为了研究煤层瓦斯解吸过程中煤层温度的演化规律,利用自主研发的多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统,开展了不同初始瓦斯压力和不同地应力水平下抽采瓦斯的物理模拟试验。研究结果表明：(1) 煤层瓦斯解吸吸热导致煤层温度下降,且温度和流量具有很好的相关性,都表现出在抽采初期下降较快,后期下降缓慢,其中温度随时间的下降量符合对数函数关系;(2) 距抽采钻孔越近,瓦斯解吸速度及温度下降越快、温度下降量越大,且垂直钻孔方向的温度梯度大于平行钻孔方向的温度梯度;(3) 初始瓦斯压力越大,瓦斯解吸速度及煤层温度下降越快、温度下降量越大,而地应力越大,瓦斯解吸速度及温度下降越慢、温度下降量越小,表明初始瓦斯压力对解吸过程中煤层温度的影响效果较地应力更加显著。     

深部低透气性首采层煤与瓦斯气固耦合模型

立足于消除煤层渗透及扩散特性对于煤与瓦斯气固耦合模型的干扰,在分析首采煤层所处应力状态特点的基础上,建立更符合煤体的孔隙裂隙二重介质特性的修正的P-M渗透率模型,提出考虑解吸–扩散效应及Klinkenberg效应的煤与瓦斯气固耦合模型,详细阐述多物理场之间的耦合作用关系。应用该模型模拟分析深部首采层顺层钻孔预抽消突过程中煤层瓦斯压力及渗透率的演化规律。模拟结果表明,Klinkenberg效应对低渗透煤层瓦斯运移的促进作用显著,并随着瓦斯压力减小促进效果增大;煤体绝对渗透率的动态变化是骨架压缩效应及基质收缩效应的竞争结果,瓦斯压力开始减小时,骨架压缩效应首先起主导作用,渗透率减小,瓦斯压力持续降低时,基质收缩效应逐渐取代其成为主导作用,渗透率增大。     

瓦斯抽采过程中的煤层透气性动态演化规律与数值模拟

 为了研究煤层瓦斯抽采过程中的煤体渗透性变化规律,基于Kozeny-Carman方程,利用表面物理化学与含瓦斯煤的有效应力理论,建立考虑有效应力变化、瓦斯解吸和煤基质收缩效应的煤层渗透率动态变化模型,并结合数值模拟分析煤层瓦斯抽采过程中煤体透气性动态演化规律。研究结果表明：(1) 所建立的煤层渗透率动态演化模型能较好地描述煤层瓦斯抽采过程中的煤体透气性动态演化规律。(2) 煤体渗透率与煤体孔隙压力之间呈现出“V”字型变化趋势,低瓦斯压力阶段煤基质收缩效应占主导地位,煤层渗透率随瓦斯压力降低而增大;高瓦斯压力阶段有效应力作用占主导地位,煤层渗透率随瓦斯压力降低而减小。(3) 从煤层内部逐渐接近抽采钻孔过程中,煤层瓦斯压力较高时,煤体渗透率先减小后增加;煤层瓦斯压力较低时,煤体渗透率不断增大。研究结果可以为我国煤矿瓦斯治理和煤层瓦斯抽采提供理论支撑,具有指导性意义。     

高瓦斯低透气性煤层不同瓦斯抽采方式的研究

煤层的瓦斯抽采是避免煤矿瓦斯灾害发生的根本防治措施。根据瓦斯解吸理论,提出通过水力割缝及水力冲孔技术,在煤体中人为再造裂隙,增大煤体在空气中的暴露面积,同时形成瓦斯流动通道,达到加快瓦斯解吸,提高瓦斯抽放效果的目的。本文以水力割缝及水力冲孔进行机理分析为基础,根据在阳泉矿区某煤矿回风巷中进行现场实验,对普通钻孔抽放瓦斯、水力冲孔抽放瓦斯以及高压水力割缝抽放瓦斯三种方案进行比较。实验结果表明,相对于高瓦斯矿井中通常采用的普通钻孔抽放瓦斯,水力割缝技术瓦斯抽放量提高了4.11-4.34倍,水力冲孔技术瓦斯抽放量提高了0.46-0.56倍。水力冲孔对提高瓦斯抽放速度作用不明显。     

煤体双重孔隙瓦斯双渗流模型及无因次解算

 考虑瓦斯在煤层中的解吸、放散与渗流,利用达西定律分别描述煤基质与裂隙内的瓦斯运移,以煤基质与裂隙之间的传质通量为桥梁,发展煤体双重孔隙瓦斯双渗流模型,推导无因次模型,并运用有限差分法进行编程解算。结果表明：瓦斯压力、含量在裂隙内的下降速度要远大于煤基质;基质空间内瓦斯压力及含量的分布具有非均匀性及非稳态性;增大裂隙渗透性或煤层瓦斯压力,或减小煤壁表面瓦斯压力,均能导致瓦斯涌出速度的增大;煤体游离瓦斯含量对瓦斯涌出速度影响较小。结合潘一矿煤层瓦斯参数,对比模拟结果和实测数据,验证了煤体双重孔隙瓦斯双渗流模型的正确性。     

煤中瓦斯包分布特征研究

利用红外热成像手段,对不同压力下煤吸附解吸甲烷过程中瓦斯包演化过程进行了观察,并评估其吸附特征与在煤中的分布规律。研究表明:煤中存在不同尺度与甲烷吸附能力的瓦斯包,吸附/解吸甲烷时,煤中瓦斯包比邻近区域具有更明显的升温/降温现象;吸附压力越大,煤样吸附平衡时间越短。通过图像处理的方法对不同吸附压力条件下的红外热像图中的瓦斯包区域进行提取,可有效计算其甲烷吸附特征。计算表明,随着吸附压力升高,煤体瓦斯包中甲烷集中程度降低。在微米尺度下,煤中瓦斯包分布具有分形特征,且分形维数均在1.95~2.00之间。随着吸附压力升高,瓦斯包中甲烷集中程度降低,不同尺度的瓦斯包均发生了连通演化。     

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。     

低频振动对煤样解吸特性的影响

 为研究低频振动对煤样解吸瓦斯性能的影响,研制瓦斯吸附解吸激振与测试系统。试验结果表明,在低频振动作用下,随着频率降低,解吸量和解吸速度增大,衰减速度越快;煤样瓦斯的解吸强度、衰减系数随时间变化逐渐减小。采用瓦斯解吸速度和振动理论的相关知识分析试验结果,认为低频扰动会导致煤的孔隙性减弱、渗透率降低、扩散速率减慢,不利于瓦斯分子的解吸。扰动作用下,吸附伴生分子虽然获得脱附能,但由于扩散速率的减慢,解吸速度很慢,解吸量小;无扰动作用时,煤样原有的孔隙性没有改变,虽然吸附伴生分子没有获得脱附能,然而由于渗透率较大,扩散速率相对较大,解吸速度相对有振动作用时反而较快,解吸量大。因此,低频振动使煤样的孔隙性减弱,增大分子的平均自由程,导致分子在煤样中扩散变慢,同时在运动层面上由于形成数层细小的孔隙层,增加煤样内部的吸附位,从而减缓瓦斯在煤样中的解吸。     

功率超声影响的煤中甲烷气促解规律实验研究

 功率超声激励促解煤层甲烷气是一种不受储层地质条件和气源特性限制,具有普遍应用价值的增采技术。通过CT观测实验,对超声波作用下煤样不同尺度裂隙发展规律进行深入分析,从微观上揭示功率超声促解机制。在对比促解实验测定结果的基础上,研究功率超声作用煤样解吸量变化规律。研究结果表明：CT观测实验很好地证明了超声的机械震碎作用;在功率超声激励作用下,煤样裂隙条数显著增多,贯通裂隙增多且单条裂纹最大宽度显著增大;超声波作用后煤中甲烷气的解吸量有显著提高,建立超声声强参数影响的煤中甲烷气解吸量随解吸时间变化的修正公式。由修正公式拟合结果可知：煤中甲烷气饱和吸附后的解吸量 和 均随孔隙压力的增加而增大,相同孔隙压力下的甲烷气饱和吸附解吸量 大于无超声作用时的解吸量 ,其原因在于在功率超声的声场强度影响下,煤质点的动能和位能增加,煤表面甚至基质内部吸附的甲烷更容易脱附变成游离态,从而达到煤层甲烷气促解作用。     

Analysis of coupled gas flow and deformation process with desorption and Klinkenberg effects in coal seams

Coupled gas flow and solid deformation in porous media has received considerable attention because of its importance in pneumatic test analysis, contaminant transport, and gas outbursts during coal mining. Gas flow in porous media is quite different from liquid flow due to the large gas compressibility and pressure-dependent effective permeability. The dependence of gas pressure and gas desorption on gas permeability has a significant effect on gas flow, but has been ignored in most previous studies. Moreover, solid deformation has a direct impact on the porosity, which also leads to desorption or sorption of methane in the coal seam. In this study, a coupled mathematical model for solid deformation and gas flow is proposed and is implemented using a finite element method. The numerical code is used to solve the gas flow equation with Klinkenberg effect, and is validated by comparison with available analytical solutions. Then, it is used to simulate the coupled process during gas migration in a deformable coal seam. The numerical results indicate that the desorption and Klinkenberg effects and mechanical process effect make a significant contribution to gas flow in the coal seam. Without considering the desorption and Klinkenberg effects and the coupling action of mechanical process, the gas pressure in the coal seam would be underestimated.     

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。     

煤/瓦斯突出过程中煤介质局部化破坏的损伤机理

提出了一种煤／ 瓦斯突出过程中煤介质失效破坏局部化的损伤机理的数值分析模型。模型的理论基础是将损伤力学与煤层中瓦斯气迁移的理论通过局部化处理相结合。模型中考虑了气体流动,瓦斯吸附,煤介质的变形及煤层中损伤的发展与传播间的相互影响。该模型被用于有限元分析。通过数值模拟阐述了以局部化损伤模型为基础的煤／ 瓦斯突出机理。     

抽采长度对煤层气开采效果的影响分析

 运用自主研发的多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统,开展三维应力状态下煤层气开采物理模拟试验,分析不同抽采长度条件下煤储层内气体压力参数的动态演化规律。研究表明：不同抽采长度条件下,气体压力都是从钻孔中心周围开始下降的;抽采前期气体压力下降显著,随着抽采时间的延伸,各测点气体压力值变化速率减小;随着抽采长度的增加,气体压力梯度较大的区域明显扩大,同时会提高瓦斯的解吸速率,抽采效率提高。抽采断面上的等压线则以钻孔为中心,呈圆环状分布,气体主要是汇流至抽采钻孔,层面流场中等压线则以钻孔为对称轴呈漏斗形分布。抽采长度对突出危险消除区域出现时间影响不大,但随抽采长度增加,消除突出危险性所需时间减少;由于应力集中区应力大、解吸速率慢,消除突出危险性抽采所需时间较其他区长。研究成果可为现场合理布置抽采钻孔,提高抽采效率以及确定合理的抽采时间提供一定的理论依据。