导电溶液浓度对高压电脉冲煤体致裂增透效果影响实验研究

为检验溶液浓度对高压电脉冲煤体致裂增透效果的影响,采用水溶液和浓度分别为0.5 mol/L、1.0 mol/L、1.5 mol/L、2.0 mol/L的NaCl溶液作为导电介质,运用高压脉冲放电系统对相似煤样进行水中放电致裂实验,并采用超声波检测技术分析致裂效果。实验结果表明：采用水作为导电溶液时放电压力峰值为1.26 MPa,而采用NaCl溶液作为导电介质时放电压力峰值明显提升,采用NaCl溶液实验后煤样的首波声时差也高于水溶液实验后煤样的首波声时差,煤样的内部裂隙改造效果更为显著,表明导电溶液的加入可以优化煤样的导电性能;随着导电溶液的浓度增大,放电压力峰值越大,高压电脉冲在一定浓度的NaCl溶液中放电,能够提高电能转化为等离子通道能量的利用率,导电溶液浓度增加可以加强煤样的导电性,优化高压电脉冲放电致裂增透效果;但随着浓度继续升高,相较于1.5 mol/L NaCl溶液,2.0mol/L NaCl溶液放电压力峰值仅由2.20 MPa提升到2.25 MPa,两者首波声时差的变化也不大,煤样的致裂情况相仿,此时煤样对各导电离子的吸附量达到饱和状态,煤样吸附离子的数量基本维持不变,因此...     

基于空气环境下的高压击穿电热致裂煤体实验研究

利用搭建的高压击穿电热致裂煤体试验系统,以贵州林华煤矿的无烟煤为研究对象,研究了在空气环境下高压击穿电热致裂煤体的可行性,并对高压击穿电热致裂煤体的宏观和微观特征进行了研究。实验结果表明,在针-针电极下,空气介质的击穿场强为18.0~18.3 k V/cm,煤体的击穿场强为0.3~0.8 k V/cm,无烟煤的击穿场强小于空气的击穿场强。在相同条件下,各个煤样的击穿电压和破坏特征均不相同,击穿电压在20~41 k V,煤样主要有3种破坏类型。高压击穿电热致裂煤体过程中,等离子体通道位置的煤样呈现出烧灼状态,形成了大量裂隙和孔隙。同时,等离子通道周围煤体在高温条件下发生氧化反应,形成了新的氧化产物。     

高压甲烷与二氧化碳吸附对煤体官能团特性的影响研究

为了研究高压甲烷与二氧化碳吸附对煤体官能团特性的影响,选取长焰煤和无烟煤两种煤样,进行了2、4、6 MPa压力等级下甲烷与二氧化碳的吸附处理,并利用傅里叶红外光谱(FTIR)分析了煤吸附气体前后官能团的变化,结果表明:长焰煤中含氧官能团明显多于无烟煤,但对于两种煤样而言,不论是吸附何种压力的甲烷还是二氧化碳,吸附前后煤中官能团的分布并没有出现明显的变化,没有任何新的吸收峰出现,或原有的吸收峰消失,这说明在通常的试验条件与现场环境中,在煤吸附甲烷与二氧化碳的过程中并没有发生化学吸附,煤吸附甲烷与二氧化碳可以认定为纯物理吸附。     

NaCl溶液对电脉冲致裂煤体孔隙结构影响的实验研究

利用搭建的高压电脉冲致裂煤体增渗实验系统,对蒸馏水和不同浓度NaCl溶液浸泡后的贵州林华无烟煤进行电脉冲击穿实验,并结合扫描电镜、能谱分析和压汞分析等测试方法,研究了不同浓度NaCl溶液处理后,电脉冲击穿煤体的孔隙结构变化特征。实验结果表明,煤体在NaCl溶液浸泡的过程中,大量的导电离子Na+和Cl-进入煤体内部的原生孔隙裂隙,有效的改善了煤体的导电性,与蒸馏水浸泡的煤体相比,NaCl溶液浸泡的煤体在电脉冲击穿后破碎的程度更充分。同时,随着NaCl浓度的增加,电脉冲击穿煤体的比表面积、孔容、孔径以及孔隙度均有一定程度的增加,特别是大孔和中孔孔容增加显著,孔隙的连通性变好,有效地改善了煤体孔隙结构。     

可控微波场对煤体的孔隙结构及瓦斯吸附特性的影响

采用容量法、低温氮吸附法和压汞法,分别开展了无可控微波场作用和可控微波场作用后的煤样的甲烷等温吸附实验与孔隙结构特性测定实验,分析了可控微波场作用后煤体的甲烷吸附量、比表面积与孔径分布的变化规律。结果表明,可控微波场作用后的煤样的甲烷吸附曲线仍很好地遵守Langmuir 方程,且可控微波场作用后煤样的甲烷吸附量小于无微波场作用的煤样;微波场作用对煤的孔隙结构与甲烷吸附特性的影响不随微波场的消失而消失,且随着微波场作用时间与功率的增加呈非线性变化;微波场的电磁辐射热效应与微波场的选择性作用特性引起的煤体损伤效应的综合作用改变了煤体的孔隙结构,影响了煤体的瓦斯吸附能力。     

高压电脉冲对烟煤微观孔隙结构的影响作用

煤体微观孔隙结构特征对瓦斯解吸流动至关重要,本文利用高压脉冲放电碎煤实验系统,对山西红柳煤矿的烟煤进行高压电脉冲击穿实验,结合扫描电镜和液氮吸附法分析煤样击穿前后孔裂隙的表面形态特征和孔结构的分布特征.同时在分形理论的基础上,应用盒子覆盖法分析了扫描电镜图像的分形特征,结合FHH方程计算了击穿前后煤样孔隙的液氮吸附分形...     

天然煤体吸附甲烷的非均匀特征研究

为了寻求非均匀势阱煤体甲烷吸附量精准评价的方法,依据朗格缪尔吸附动力学过程,对存在非均匀势阱的天然煤体吸附甲烷特征进行了理论分析与实验研究。研究结果表明:在煤与甲烷吸附平衡状态,煤中甲烷分子倾向于吸附在势阱较深的吸附位置上,不同深度势阱的覆盖率符合以吸附压力与温度为参数的Logistic(S型)曲线规律;天然煤样的朗格缪尔参数a均随吸附压力增加呈增大趋势,朗格缪尔参数b随吸附压力的增加呈减小趋势;不同种类的天然煤样吸附势阱分布的差异性,导致不同吸附压力下的朗格缪尔参数a与b的不同;基于朗格缪尔方程的天然煤体甲烷吸附量计算值在低吸附压力下偏高,在高吸附压力下偏低;利用非均匀势阱等温吸附量计算方法可以使煤中甲烷吸附量的计算误差大幅降低。     

液氮作用下煤体孔隙演变对吸附解吸特性的影响

为研究液氮作用下煤体孔隙演变规律和液氮处理次数对甲烷吸附解吸特性的影响,以山西阳泉无烟煤为例,进行了液氮作用下孔隙演变的压汞试验和一系列吸附解吸试验。结果表明:(1)煤样经4次液氮处理后,不同尺度的孔隙数量均有不同程度的增加,其中液氮处理对大孔数量增加的贡献最大,液氮致裂增透归因于3个原因:孔隙连通,孔裂隙扩展,孔裂隙增生;(2)随着液氮处理次数的增加,液氮处理对甲烷最终吸附量的影响不断减弱,低吸附压力下Freundlich公式能够较好地描述甲烷的等温吸附;(3)改进的Lagergren吸附动力学公式能够更加准确的描述吸附量随时间的变化,煤吸附气体的时间效应几乎不受液氮处理次数的影响,液氮冻融损伤煤体能够促进煤中甲烷的解吸扩散渗流,煤样在液氮处理4次后解吸收益达到最佳。研究结论对原位煤层液氮致裂改性,增产煤层气工艺提供了理论依据。     

瓦斯压力对煤体吸附特性及结构影响实验研究

为深入研究煤体在不同压力条件下吸附瓦斯特性及煤体孔隙结构变化特征,利用核磁共振(NMR)技术对煤体吸附瓦斯进行实验研究。实验结果表明:实验煤样的微小孔峰面积中大孔峰面积裂隙峰面积,表明煤样的微小孔最为发育,煤体孔径以微小孔为主,空隙之间的连通性不强,瓦斯不易流通;随着压力的增加,当瓦斯压力达到一定程度后,煤体会产生新的孔隙,微小孔隙相连通构成了微孔或者中孔,中孔相互连通形成了裂隙,为下一步解吸瓦斯的流通提供了条件,出现瞬时的瓦斯快速解吸;煤样瓦斯吸附解吸特征按照峰值前后分为上升阶段、变化剧烈阶段和基本不变阶段,总体规律上,煤体瓦斯吸附量随着瓦斯压力的增大而增加;在不同的瓦斯压力作用下,核磁共振T_2谱图核磁信号幅度发生显著变化,T_2谱图分布面积与瓦斯压力呈线性关系逐渐增长,即煤体孔隙度随瓦斯压力增加而增加。     

煤体灰分与挥发分对煤吸附甲烷性能的影响实验研究

为研究煤体灰分、挥发分对煤吸附甲烷性能的影响,运用高容量吸附装置测定同一煤矿不同灰分、挥发分煤样的等温吸附曲线和吸附常数a、b值,并运用SPSS多元线性回归软件进行分析。实验结果表明:不同灰分、挥发分煤样的等温吸附曲线符合Langmuir方程,且二者对于煤吸附甲烷性能均有一定的影响。煤灰分不变时,吸附常数a值随挥发分的增大而线性递增,吸附常数b值随挥发分的增大而线性递减;煤挥发分不变时,a值随灰分的增大而线性递增,b值随灰分的增大而线性递减。研究结果为准确测定煤层瓦斯含量、瓦斯压力等参数提供了一定的理论依据。     

微波辐射降低硬煤冲击倾向性试验研究

如何有效地改变煤岩体物理力学性质是冲击地压防治领域亟待解决的关键难题,而微波致裂弱化法是解决这一难题的新途径。为探究微波致裂弱化法降低硬煤冲击倾向性的实效性,采用自主研制的微波辐射试验装置与C46.106型MTS电液伺服试验机,开展了煤体微波致裂弱化试验,研究了微波辐射对煤体的动态破坏时间、冲击能量指数、弹性能指数、单轴抗压强度和纵波波速的影响规律,确定了降低煤体冲击倾向性的最优微波参量范围;在此基础上,研究了微波辐射下冲击倾向煤体的损伤致裂效应,分析了微波对煤体的热效应、煤体损伤因子与微波参量之间的变化关系,揭示了煤层巷道微波致裂弱化防冲机理。结果表明:(1)微波致裂弱化法能有效降低或消除煤体冲击倾向性。煤体微波致裂后,煤样峰值强度大幅下降,应力-应变曲线峰后段应力降增多,使峰前积聚的总能量降低且分级释放,煤体由脆性向塑性转变;同时,煤样载荷-时间曲线峰后段表现出多台阶、分级跌落的特征,煤体积蓄的弹性能减少,从而导致煤体各项冲击倾向指标均有不同程度降低。(2)微波辐射对煤体的减冲效果表现为能量阈值现象,而在微波能量恒定条件下高功率-短时间的能量组合更有利于煤体减冲。(3)微波对煤体内各矿物的选择性热效应使煤体产生热破裂,表现为煤样表面出现多条纵向裂缝以及与之垂直的分支裂隙。(4)煤样冲击倾向性与煤样纵波速度存在显著相关性。微波能量及其辐射强度越大,煤体纵波波速降幅越大,则煤体冲击倾向性越小。(5)煤巷微波致裂弱化防冲机理在于,通过增大冲击地压发生的临界塑性软化区半径,引起巷道围岩高应力区向深部转移,提高巷道围岩塑性软化区对弹性区释放能量的耗散能力;同时,煤体峰后软化模量显著降低,导致冲击地压发生的临界载荷增大,从而降低巷道发生冲击地压的可能性。     

温度对煤吸附性能的影响

为了研究温度对煤体吸附甲烷性能的影响,采用WY-98B型吸附常数测定仪,选取了含气量较高矿井的3种煤样,进行了不同温度下吸附甲烷的等温线测试,并据此拟合出了温度与Langmuir吸附常数a的曲线方程.利用计算煤表面能的方法,推导出了温度与Langmuir吸附常数b的关系.实验及计算结果表明：随着吸附温度的升高,煤体吸附甲烷量变小,压力越大这种变化趋势越大;Langmuir常数a随温度的增大而减小,吸附量越大的煤样,其吸附常数a随温度变化的剧烈程度越大;Langmuir常数b与温度的关系依赖于吸附温度T、吸附平衡时的压强p_t以及煤自身物理性能所决定的常数k;在一定温度范围内,温度对吸附常数的影响可以用具体的函数关系式表示.     

采空区浸水失水煤样低温氧化规律研究

为研究邻近采空区浸水失水煤样低温氧化过程的煤自燃规律,在对原煤和浸水失水煤样进行工业分析的基础上,利用扫描电镜和红外光谱分析原煤和浸水失水煤样的微观结构和官能团变化规律。结果表明:室温25℃时,浸水失水煤样长期浸泡在水中,煤体吸水溶胀发生破裂,孔隙结构由紧实变为松散,孔隙增大,与氧接触面积增大,吸附氧的能力增强,1 800 cm-1附近含氧官能团(C=O)峰值变强,加速煤样的低温氧化进程,煤样失水过程中水分带走部分无机物质,水分微增,但孔隙率增大,随着温度的升高,两煤样含氧官能团增加,低温氧化过程加快,浸水失水煤样的氧化速度较原煤快。     

预氧化对煤表面关键官能团影响的实验研究

为探讨氧化后煤表面关键官能团的演化规律,对六家褐煤、四台褐煤、同忻烟煤和白芨沟无烟煤进行了预氧化处理,预氧化温度为50、120、200℃,预氧化时间为6 h;采用傅里叶变换红外光谱仪对原始煤样和预氧化煤样进行红外光谱测试,获得氧化前后煤表面关键官能团的变化规律。结果表明:预氧化过程不会改变煤样官能团种类,只会改变其含量大小;预氧化温度越高,在初次氧化过程中参与反应的-OH官能团数量越多;200℃预氧化6 h后,六家褐煤预氧化煤样中-OH官能团含量较原始煤样下降51.43%,说明预氧化过程对变质程度低的煤种影响更大;同一煤种的各预氧化煤样,随着预氧化温度的升高-CH_2-、-CH_3和-C=O官能团数量较原始煤样都呈现出先升高后下降的趋势;其中,预氧化温度为50℃的预氧化煤样中-CH_2-、-CH_3和-C=O官能团数量较原始煤样升高,而预氧化120℃和200℃的预氧化煤样中-CH_2-、-CH_3和-C=O官能团数量较原始煤样降低;当再次发生氧化时,50℃预氧化煤样较原始煤样生成CO、CO_2、C_2H_4和C_2H_6等气体初始温度更低、生成量更大,120℃和200℃预氧化煤样则相反。     

静电场对煤样吸附瓦斯的影响研究

为研究静电场对瓦斯吸附作用的影响,运用EST802静电发生器对不同煤样分别施加0、4、8、12、16 k V的恒定电压,然后采用WY-98B吸附常数测定仪测定各煤样的瓦斯吸附量及Langmuir吸附常数a、b值。得出:在相同实验条件下,加场前后煤样瓦斯吸附量随电压升高而增加,b值相对a值变化明显,且呈增大趋势;对于不同煤阶不同破坏类型煤样受静电场影响程度上有:中高变质的烟煤大于无烟煤,软煤大于硬煤,且煤岩组分对含瓦斯煤样的电场响应程度影响较大。     

准南煤田乌东矿区主采煤层热动力学特性研究

采集新疆准南煤田乌东矿区主采煤层煤样,采用电镜扫描、X-射线衍射、原位红外光谱分析及热重分析等手段,对不同粒级的煤样及将0.15～0.18mm粒级的煤样在50～500℃范围内,以间隔50℃分别加热后进行实验测试。结果表明:煤样中孔隙与裂隙数量随煤样加热温度的升高而增多;不同粒径煤样的煤化度相差不大;经历不同加热温度的煤样,其煤化度随温度升高呈现波动变化(煤化度在450℃时最大,350℃时最小);煤样煤化程度越高,其芳香微晶结构越发育,煤越易自燃。随粒径减小,煤样的OH—官能团减少,CH—官能团增加;随经历的加热温度升高,煤样的OH—官能团、—CH2—CH3官能团减少,CH—官能团增加;不同含氧官能团随煤样经历的加热温度升高呈先增加后减少的趋势。实验煤样的特征温度随煤样粒径减小总体呈降低趋势;随煤样经历的加热温度升高,特征温度T1、T2无明显变化,T3、T4增大,T5则减小;实验煤样反应活化能随粒径减小总体呈现减小趋势;随经历的加热温度升高,实验煤样反应活化能则呈波动变化。     

储层温度下甲烷的吸附特征

通过对煤样处理,用低温氮气吸附法对其进行表征,采用自行研制的吸附装置,在不同温度（25,40,55 ℃）、不同压力(0~3.5 MPa)下进行甲烷吸附实验,以研究储层温度下甲烷在不同孔结构煤样上的吸附特征。采用Langmuir方程对数据拟合,得出孔结构的变化对甲烷吸附起着重要作用。处理后煤样的比表面积、孔容和微孔含量增加,导致煤样甲烷吸附量变大;随着吸附温度的升高,甲烷吸附量变小,压力越大这种变化趋势越明显;Langmuir饱和吸附量随温度的增大而减小。选用Polanyi吸附势理论拟合数据,结果表明：对于同一吸附体系,吸附特性曲线是惟一的,与吸附温度无关。处理后煤样的吸附势和吸附量增加,由此可见孔结构是吸附性能变化的重要影响因素。     

不同温压作用下煤体对甲烷吸附量及其变形的试验研究

基于温度和压力会影响煤体对甲烷吸附的这一特性,研究了煤体在不同温度和压力下对甲烷的吸附量和吸附过程中煤体的变形量,结果表明：随着温度的增加,煤体对甲烷的吸附量减小,升温对煤体的吸附能力起抑制作用|吸附甲烷后的标准煤样的轴向变形量与温度呈负相关关系,而与孔隙压呈正相关关系。在同一温度下,随着孔隙压力的增大,甲烷在煤体中的吸附量几乎呈线性关系增大|当温度为80℃时煤体发生显著的压缩变形。     

不同pH值对酸化改性煤样瓦斯吸附特性的影响实验研究

为了探究选择合适的酸液对煤体进行改性增透,开展了不同pH值酸液改性煤样的吸附特性实验研究。通过采集焦煤煤样,制备了原煤及不同pH值酸化改性煤样8组试样,分别对试样进行了工业分析和物理参数测试,进而开展了等温瓦斯吸附实验。实验结果表明:相对于原煤试样而言,酸化改性在不改变煤样挥发分的情况下能减小煤样的灰分;改性试样的真密度与原煤煤样的真密度差别不大,而视密度都略有减小;随着压力的增大,改性煤样的瓦斯吸附能力明显大于原煤煤样,吸附常数a随着pH值的增大(pH=1除外)而减小,吸附常数b随着pH值的增大总体上呈减小趋势。研究表明:对于特定煤层选择合适的pH值溶液进行改性,可改变煤体的孔隙结构从而增加煤体的吸附能力,实现煤层增透效果。     

浸水程度对煤自燃特性影响研究

煤矿开采过程中,地下水流入煤层裂缝,煤体受到不同程度水量浸泡,其自燃特性受到影响不利于矿井防灭火工作。为研究不同浸水程度煤体自然特性,对唐山矿0250煤层煤样进行水浸煤制作,对不同浸水程度煤样进行程序升温、低温液氮吸附、傅里叶红外光谱实验。得出实验结果：随着浸水程度的提高,比表面积下降,大孔比例增加,耗氧速率和CO、CO2产生率提高;脂肪烃基团含量降低,芳香烃和含氧官能团含量增大。实验结果表明：浸水导致煤体小孔向大孔转化,孔隙与裂隙的连接性增强,导致煤体与氧气接触面积增大,有利于对氧气的物理吸附;浸水促进过氧络合物的生成,有利于对氧气的化学吸附;随着浸水量的增加,羟基（-OH）含量提高,煤体在低温氧化阶段表现出氧化特性越明显,羰基（C=O）、羧基（-COOH）含量增加,导致煤体氧化燃烧阶段氧气消耗量、耗氧速率及CO、CO2产生率提高;浸水促进了煤体内官能团的相互转化。