含瓦斯煤剪切破裂过程细观演化

运用自主研发的煤岩细观剪切实验装置,开展了不同成型压力条件下含瓦斯煤剪切破裂过程研究。研究含瓦斯煤剪切破裂过程中微细观裂纹的开裂、扩展、贯通演化规律,对比分析成型压力对含瓦斯煤抗剪强度及剪切破裂最终形态的影响。研究发现:随成型压力增加含瓦斯煤密实度增大,抗剪强度增大;剪切破裂过程裂纹扩展速率与开裂位置偏离预定剪切面距离有关,预定剪切面上剪应力大扩展速率快,偏离预定剪切面扩展裂纹受力减小,扩展速率低,甚至会终止扩展而不能贯通;裂纹扩展形态与成型压力有关,成型压力小,密实度低,抗剪强度低,裂纹容易扩展,剪切带范围小,成型压力大,密实度高,抗剪强度高,裂纹不容易扩展,剪切带范围大;含瓦斯煤剪切破裂过程左侧固定右侧受剪切荷载作用,容易形成雁行排列,为实现最终贯通,破坏雁行排列之间会有张拉牵引裂纹产生。     

褐煤热破裂的显微CT实验

采用μCT225kVFCB型高精度显微CT试验系统并配以微型气氛炉,研究了内蒙古平庄褐煤热破裂随温度的变化关系。研究结果表明,褐煤在100 ℃左右时,大裂隙(>800 μm)占主导地位;200 ℃左右时,中等裂隙（100~400 μm）占主导地位;300 ℃之后微裂隙（<100 μm）占主导地位;热破裂的阈值为300 ℃左右;在300 ℃之前孔隙裂隙的产生发展主要是因为热破裂,300 ℃之后,微裂隙和孔隙的产生主要是因为煤体发生热解化学反应,油气逸出,固体骨架逐渐转变为半焦体。     

基于CT扫描的原位加载煤细观变形及裂隙演化特征研究试验

为了分析高瓦斯煤细观破坏特征，在寺河煤矿3^#煤层取样并进行加载条件下的分阶段CT扫描。选定感兴趣区，结合三维数字图像相关法，获取了煤样微米级三维位移场与应变场，然后对裂隙演化特征进行定量分析，得出结论：矿物质、原生裂隙对煤的破坏形态作用不同，裂隙影响新生裂隙扩展形态，而矿物质则易产生应力集中，导致进一步破坏；应力作用下，煤内部应变存在压缩应变和膨胀应变，煤内部应力状态复杂；裂隙密度、裂隙体积和裂隙表面积可作为表征煤破坏程度的指标。     

基于显微CT的构造煤渗流孔精细表征

利用显微CT技术对重庆市中梁山南矿构造煤的渗流孔进行了精细定量表征。研究发现：构造煤孔隙直径一般小于10 μm,但不同类型构造煤的孔隙分布特征有着明显差别。随着构造变形的增强,煤的孔隙数量、面孔隙度逐渐增大。原生-碎裂煤的孔隙以原生孔为主;碎裂煤脆性破坏加剧,角砾孔增加;碎粒煤碎粒孔和微裂隙发育,平均孔径加大;鳞片煤受到强烈剪切作用,煤颗粒在脆性破碎的基础上,同时具有韧性变形特征,包括局部揉皱和粉末状糜棱质,充填部分孔隙,造成平均孔径下降。构造煤孔隙三维建模表明,随着应力作用的增强,构造煤的孔隙度、孔比表面积、孔体积及最大连通孔隙团不断增高。     

热冲击下冷却温度对花岗岩细观破裂的影响研究

从细观角度出发,借助高精度显微CT技术,以构建三维空间数字岩芯为基础,对花岗岩加热到相同温度后在相同冷却介质中急剧冷却到不同温度的细观演化过程进行研究,从热冲击后花岗岩的裂隙长度、宽度、和深度上进行具体分析,探究高温热冲击作用下冷却温度对花岗岩细观特性的影响。研究结果表明,花岗岩的热冲击作用随其在水中的冷却温度升高而变化明显。在水中冷却温度为100℃时,花岗岩热破裂最剧烈,说明在花岗岩热冲击破裂过程中,其破裂程度不仅与花岗岩的初始加热温度有关,还与其在水中急剧冷却的温度有关。此外,花岗岩热破裂后产生的孔隙—裂隙网络,会大大降低花岗岩的致密性,进而有助于增大地热开发中的热交换面积,有利于储层改造。     

不同热破裂温度下煤岩的孔裂隙演化特征研究

为了研究不同温度下煤页岩的细观孔隙结构,对经过20、100、300、500℃热破裂温度下的煤岩试样进行微米CT扫描试验,基于阈值分割算法得到了三维孔隙重构模型,并分析了孔隙率、孔喉尺寸参数和孔隙连通度的量化指标随温度变化的关系。结果表明,利用CT扫描技术获得煤岩的二维切片,经过重构可得到三维孔隙结构模型;表征孔隙含量的孔隙率与温度呈指数型函数关系;最大孔喉长度L和平均孔喉半径R随温度上升的增速呈先慢后快的特点;煤页岩的孔隙连通度随环境温度的升高保持初期迅速上升,在中期缓慢上升,到后期有所下降的变化。     

含孔软煤试样破坏过程的细观裂纹损伤演化机制

细观裂纹的损伤累积是造成抽采钻孔孔周形成大面积裂隙漏气通道的主要原因之一。孔周细观裂纹的损伤累积表现为孕育、稳定发展及快速发展3个阶段。为探究孔周松软煤体在不同阶段的损伤演化和裂纹扩展特征,开展含孔软煤试样单轴压缩破坏过程中的细观裂纹损伤规律研究。将石膏与水以质量比7∶3混合制成类软煤含孔方形试样,进行单轴压缩试验并采用数字散斑相关测量方法(DSCM)获取试样表面全场变形。基于此,提出了利用DSCM系统确定即时泊松比的方法,并将其用于计算细观裂纹密度以及松软煤体受荷载作用时的细观裂纹损伤本构关系的建立。结果表明：(1)基于DSCM技术,可以准确、可靠的求得含孔软煤试样的泊松比。(2)细观裂纹损伤的孕育和稳定发展阶段,细观裂纹密度增长缓慢,试样表面未出现明显的宏观裂纹。损伤的快速发展阶段,细观裂纹密度呈现指数式的增长,此时远离孔边的区域产生了明显可见的宏观裂纹。(3)弹性阶段微裂纹扩展十分缓慢,塑性阶段微裂纹扩展速率加快,应力峰值点是微裂纹扩展加速的突变点。(4)建立了松软媒体受荷载作用时的损伤演化模型,即时泊松比可以体现松软煤体细观损伤的非弹性等力学效应。     

高温水蒸汽作用后长焰煤细观结构的显微CT研究

利用显微CT技术研究了不同高温水蒸汽作用下长焰煤试样的细观结构。研究表明:热解温度低于300℃时,自由水及气体的散失造成裂纹的产生,当热解温度高于300℃时,有机质热解形成了相互贯通的裂隙网络,且孔裂隙主要在有机质内形成;热解分为3个阶段,300℃之前煤样缓慢热解,孔裂隙缓慢增加;300～500℃之间为热解加剧阶段,煤样孔隙率增加明显;热解温度高于500℃时,热解最为充分,煤样孔隙率急剧增加;550℃热解温度作用后,煤样的体孔隙率达到32.35%,较25℃下煤样的体孔隙率提高了9.82倍;300℃是热解阈值点,热解温度高于阈值点时,不同层理面发育良好,形成相互贯穿形成了孔隙网络,加快了热解作用,为热解产物提供了运移通道。     

瘦煤热破裂规律显微CT试验

由太原理工大学和中国工程物理研究院应用电子学研究所共同研制的μCT225kvFCB型高精度(μm级)CT试验分析系统,对7 mm瘦煤从18 ℃到600 ℃高温下的热破裂过程进行了显微观测和分析,发现瘦煤在100 ℃时有微裂隙出现;200 ℃时煤样中裂隙长度增加了30%左右;当温度达到300 ℃时煤样中有大量裂隙和孔隙产生并贯通,热破裂阈值在300 ℃附近;400 ℃到500 ℃时裂隙进一步扩展连通产生裂隙带;600 ℃时煤样中裂隙长度减小,同时产生了很多新的裂隙和孔隙;随温度的升高,7 mm瘦煤的裂隙发展规律为：微裂纹的出现、发展、贯通,最后裂纹继续发展;煤样的最大裂隙长度具有随着温度的升高先减小后增加最后减小的规律;煤样的孔裂隙率从常温到500 ℃具有先降低后增加再降低到600 ℃达到最大的特点。     

褐煤热损伤过程中的孔裂隙细观特性研究

利用高温气体加热设备,对褐煤进行不同温度的加热处理,通过电镜扫描观察到其表面的破坏形式,利用高精度的CT对试样进行X射线扫描,从宏观方面得到其破坏形式的同时对CT图像进行二值化处理,得到不同温度段褐煤的孔隙率以及裂纹的长度以及宽度。结果表明:温度作用下,褐煤固体颗粒之间产生热应力使得有机质得到热解的现象称为热破裂;热破裂效应在温度高于200℃后作用明显,200℃以下,褐煤孔裂隙演化主要是因为内部自由水及气体散失导致,200℃以后,热破裂占据主导作用,孔裂隙发育增幅变大,孔隙率较常温状态下增加了6.83%;热损伤低温阶段,褐煤破坏以细长裂隙为主,当温度高于200℃后,破坏形式以不规则的椭圆形为主。     

螺旋溜槽块煤防破碎技术在焦作矿区的应用

针对煤炭市场块煤价格持续上扬和焦作矿区煤质特性以及运输转载环节的实际情况,提出将螺旋溜槽应用于井下原煤仓的思路。介绍了该技术的原理、输送装置的设计、工程技术特点、应用效果及取得的经济效益。     

冲击倾向性煤体的三点弯曲动态断裂实验

采用三点弯曲冲击断裂实验装置和分布式多火花高速摄影系统对冲击倾向性煤体内裂纹扩展过程进行了观测,分析了裂纹扩展速度、动态裂纹扩展摸式和裂纹扩展的非稳定性.研究发现：冲击倾向性煤体内裂纹扩展具有高度的非线性特征;煤体的非均质性和不连续性对动态裂纹扩展模式和裂纹扩展速度有较大影响.实验结果解释了由放炮等震动诱发冲击地压灾害的滞后突发机理.     

静态膨胀剂膨胀开裂突出煤层的测试研究

通过实测某矿井1235运输巷M3突出煤层的静态膨胀开裂效果,获得了抽放孔内壁静态膨胀力及膨胀开裂裂隙内窥图,现场验证了静态膨胀开裂突出煤层的可行性。现场实测得出:随着膨胀孔内静态膨胀剂水化反应发展,临近膨胀孔的抽放孔内壁产生逐步增大的静态膨胀力并达到峰值,随后静态膨胀力逐步减小并最终消失;同一钻孔直径测试方案中,方案Ⅰ产生静态膨胀力的峰值最大,三种不同钻孔直径测试方案中,Ф94 mm膨胀孔产生的静态膨胀力峰值最大;本次测试条件下,合理的孔间距与钻孔直径比值μ=14~15;相同的μ值测试方案中,随着钻孔直径增大,抽放孔内壁膨胀开裂效果呈明显上升趋势。     

煤热解焦油催化裂解和乙烷水蒸气重整耦合提高焦油品质

本文旨在通过在炭基催化剂上发生的煤焦油原位催化裂解与乙烷水蒸气重整过程耦合以提高轻质焦油产率。以平朔煤(PS)为煤样,利用常压固定床反应器在氮气以及乙烷水蒸气混合气氛下进行焦油提质实验,并使用半焦(Char),活性炭(AC)以及活性炭负载金属钴和镍(Co/AC,Ni/AC)作为提质催化剂,对比考察催化剂种类和反应气氛对提质过程中焦油及气体产物的影响。同时,为了解提质过程所得焦油产物的组成和性质,利用模拟蒸馏,GC-MS等表征手段对焦油进行检测分析。结果表明,活性炭负载Ni催化剂(Ni/AC)可催化乙烷水蒸气重整反应,产生的·CH x,·C 2H x,·H等小分子自由基可与焦油催化裂解产生的自由基结合,避免焦油过度裂解。与未加催化剂得到的平朔煤热解焦油相比,采用Ni/AC使轻质焦油(沸点低于360℃馏分)的质量分数和产率分别提高54.3%和52.4%,同时焦油中BTEXN(苯、甲苯、乙苯、二甲苯和萘)等芳烃组分产率明显提高;乙烷水蒸气混合气氛下(耦合过程)比同条件氮气下的焦油产率和轻质焦油产率分别提高38.1%和35.3%,焦油中C2~C3烷基取代苯和C1~C2烷基取代酚的相对含量有明显提高,说明乙烷和水蒸气被活化并参与了焦油形成过程。煤热解焦油的原位催化裂解的总体效果是将焦油中重质组分转化为轻质焦油和热解气,其提质效果与催化剂的活性组分密切相关,且反应气氛在煤焦油的形成过程中具有重要作用。     

构造煤的成因—属性分类

为了研究原生煤和构造煤的吸附扩散特性,采用甲烷吸附装置和解吸装置对2种煤样进行了实验。结果表明,构造煤的极限甲烷吸附量是原生煤的1.18倍,并且在相同甲烷吸附压力下构造煤的吸附能力强于原生煤。当甲烷吸附平衡压力为0.74 MPa和2 MPa时,构造煤的固定扩散系数分别是原生煤的7.3倍和4.5倍,表明构造煤的初始气体扩散能力远高于原生煤。2种煤样的时变扩散系数都随着解吸时间的推移先快速降低后趋于稳定。构造煤的扩散衰减系数在0.74 MPa和2 MPa气体平衡压力下分别达到了96.6%和95.8%,远大于原生煤的扩散衰减系数38.1%和45.7%。

     

采动裂隙椭抛带动态演化及煤与甲烷共采

为研究采动覆岩裂隙演化及其中瓦斯的运移规律,通过物理相似模拟及数值模拟发现,煤层开采后采动覆岩裂隙形态可用椭抛带来表征。基于岩层控制关键层理论,建立了考虑采高及第一亚关键层与煤层顶板间距的采动裂隙椭抛带动态演化数学模型。运用环境流体力学,传质学,渗流力学,采动岩体力学等理论,得到采动煤体应力与卸压瓦斯渗流,纵向破断裂隙区瓦斯升浮,以及横向离层裂隙区瓦斯扩散等方程,构建出椭抛带中卸压瓦斯渗流-升浮-扩散综合控制模型。分析了椭抛带卸压瓦斯抽采机理,提出相应的煤与甲烷共采技术。通过山西天池煤矿抽采卸压瓦斯的现场实践,说明采动裂隙椭抛带是卸压瓦斯的储运区,将瓦斯抽采系统布置其中,可取得良好效果。     

煤油共处理生成沥青性质研究

本实验以煤和石油渣油(1:1)为主要原料，进行共处理反应研究.概述了进行该反应在不同条件下反应产物的性质评定，指出由于温度、反应时间等实验条件的不同，重质产物的性质存在着很大的差别. 随着反应温度的变化，催化裂化油浆与兖州煤共处理的重质产物族组成呈规律性的变化，重质产物性质与高等级道路沥青近似，由此试验可看出，重质产物有望用于制备高等级道路沥青.     

高瓦斯煤层干胀致裂增透技术试验研究

瓦斯抽采是煤矿瓦斯灾害治理的关键,煤层结构改造是瓦斯抽采的核心问题,干胀致裂是实现煤层结构改造的有效途径.本文提出一种煤层干胀致裂增透技术,利用自制的干胀致裂试验系统,采用低密度泡沫混凝土相似材料来模拟煤岩体,开展了干胀致裂物理试验,得到了有围压、无围压两种条件下煤岩体相似材料的致裂规律和致裂效果.结果表明:无围压条件...     

煤岩静爆致裂微震活动规律及频谱演变特征

利用静态破碎剂对原煤试件进行静爆致裂,通过煤岩动力灾害实验模拟系统(ZDKT-1型)实时监测该破裂过程中的微震信号,以模拟研究煤岩静爆致裂增透过程中微震活动规律及频谱演变特征。研究发现:(1)受煤岩层理影响,煤岩静爆致裂后除纵向裂纹外还存在横向裂纹,但纵向裂纹多于横向裂纹;(2)静爆致裂可分微裂、膨胀压传递及劈裂3个阶段;随着进程发展,微震幅值趋于走强,尾波愈发明显,频域变宽(但主频降低),且主震、尾波频域差异较大;可通过微震幅值、尾波发育及频谱特征评估煤层静爆致裂增透进程;(3)微震事件阵发性明显,且幅值及能量呈强弱相间分布;微震计数与总裂纹面积正有关,可通过微震事件数评价煤层致裂增透效果。