煤吸附解吸气体变形的力学模型研究

针对煤吸附/解吸气体过程中变形随时间变化的力学行为,对煤体孔隙度方程的隐函数求导,将具有时变性的孔隙度方程引入有效应力系数中,由此建立煤吸附/解吸气体变形问题的力学模型。模型的数值计算结果表明:煤样吸附/解吸气体产生膨胀/收缩变形,变形随时间的增加而增大,直到气体在煤中吸附/解吸达到平衡,煤样的变形才稳定不变;气体压力对煤样的吸附/解吸变形平衡时间及平衡变形量产生影响,气体压力越大,吸附/解吸变形平衡所用的时间越短,平衡时煤样体积应变越大;煤样吸附变形与气体吸附性相关,吸附性更强的CO2气体比CH4气体促使煤样产生更大的膨胀变形。模拟结果与以往实验研究结论一致,证明建立的力学模型能反映煤吸附/解吸气体的变形特征。     

单轴应力–温度作用下煤中吸附瓦斯解吸特征

 利用自主研发的深部煤岩温度–压力耦合瓦斯解吸试验系统,对鹤岗南山矿煤样进行单轴应力–温度作用下吸附瓦斯运移过程。该试验系统通过对煤样施加不同应力和温度,促使煤中原生吸附瓦斯解吸,模拟煤体变形中吸附瓦斯解吸–释放过程。试验中分别在恒温和升温条件下对煤样依次进行单轴破坏和施加围压,实时监测逸出气体压力、流量,抽样检测气体成分和浓度。研究结果表明煤体在单轴压缩破坏过程中出现气体逸出压力降低导致气体回流现象;对破裂煤样施加围压后短时间内排出大量高浓度气体。试验结果证实温度升高是诱发煤样中吸附瓦斯大量解吸因素之一,而煤体内是否存在大量贯通裂隙是影响瓦斯运移的重要因素。     

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。     

水分对煤体瓦斯吸附及径向渗流影响试验研究

 为了解水力化钻孔周围煤体瓦斯径向渗流特性,利用自行研制的径向瓦斯渗流试验系统,对青东煤矿突出煤层试样,进行干燥煤样、液态水润湿煤样、吸附瓦斯后高压注水煤样的等温解吸及径向稳态渗流试验。结果表明：(1) 相同平衡压力下,高压注水煤样等温吸附量高于干燥煤样,均显著高于液态水润湿煤样的吸附量。(2) 随含水率增加液态水润湿煤样等温吸附量逐渐降低,呈对数函数关系,得出各系数随吸附压力变化的拟合函数。(3) 相同覆压下,高压注水煤样瓦斯渗透率显著高于干燥煤样渗透率,液态水润湿煤样渗透率略低于干燥煤样渗透率;且液态水润湿煤渗透率随含水率增加而降低,在低瓦斯压力阶段尤为显著。根据试验结果分析水分对径向瓦斯渗流特性的影响机制,并指出水力化钻孔径向瓦斯流动经过原始解吸渗流区、压力水抑制解吸渗流区、液态水自然润湿解吸渗流区3个区域。     

气肥煤与焦煤的孔隙分布规律及其吸附–解吸特征

 采用山东微山菜园矿的气肥煤和山西古交马兰矿的焦煤作为煤样,分别进行压汞试验,测定煤的孔径分布,了解各孔径段孔容、比表面积的分布规律;并且对所采集的两种煤样分别进行平衡水煤样的CH4/CO2混合气体的吸附–解吸试验,从孔隙结构方面分析深部煤层煤对瓦斯吸附的影响。研究结果表明,焦煤比气肥煤具有更为复杂的孔隙结构,具有更丰富的小孔和微孔;煤中微孔的分布决定煤的吸附能力,吸附最有效的孔隙半径是在10 nm以下;焦煤对CH4/CO2二元混合气体的吸附能力强于气肥煤的吸附能力;探讨分析CO2/CH4吸附能力的差异性是导致试验中高压阶段CH4/CO2二元混合气体吸附量小于低压时的现象发生的主要原因。研究煤的孔隙分布规律及其吸附–解吸特征,可以从微观层次揭示深部煤层煤吸附瓦斯的聚气能力,探寻煤吸附–解吸瓦斯的特征和机制,丰富煤吸附瓦斯理论,对煤与瓦斯突出的防治和煤层气资源的开发均具有重要意义。     

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。     

气肥煤与焦煤的孔隙分布规律及其吸附-解吸特征

采用山东微山菜园矿的气肥煤和山西古交马兰矿的焦煤作为煤样,分别进行压汞试验,测定煤的孔径分布,了解各孔径段孔容、比表面积的分布规律;并且对所采集的两种煤样分别进行平衡水煤样的CH4/CO2混合气体的吸附-解吸试验,从孔隙结构方面分析深部煤层煤对瓦斯吸附的影响.研究结果表明,焦煤比气肥煤具有更为复杂的孔隙结构,具有更丰富的小孔和微孔;煤中微孔的分布决定煤的吸附能力,吸附最有效的孔隙半径是在10 nm以下;焦煤对CH4/CO2二元混合气体的吸附能力强于气肥煤的吸附能力;探讨分析CO2/CH4吸附能力的差异性是导致试验中高压阶段CH4/CO2二元混合气体吸附量小于低压时的现象发生的主要原因.研究煤的孔隙分布规律及其吸附-解吸特征,可以从微观层次揭示深部煤层煤吸附瓦斯的聚气能力,探寻煤吸附-解吸瓦斯的特征和机制,丰富煤吸附瓦斯理论,对煤与瓦斯突出的防治和煤层气资源的开发均具有重要意义.     

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。     

高温条件下煤对CO_2的吸附解吸特性实验研究

为了研究煤在不同环境温度下对CO_2的吸附解吸特性,为利用天然煤层的强吸附性进行CO_2封存或用CO_2驱替煤层瓦斯等技术提供基础依据,针对内蒙古榆林葫芦素煤矿和河南焦作方庄煤矿煤样,在自主研制的高温气体吸附解吸设备上进行定容吸附解吸实验,研究煤样在高温条件下对CO_2的吸附解吸特性。结果表明:在相同温度条件下,同种煤样随着粒径的减小,吸附量逐渐变大,温度越高,吸附量越低,当吸附温度达到150℃左右时,不同粒径煤样的吸附量基本一致;不同粒径煤样,解吸量都随着温度的上升而增加,温度越高,初始时刻累积解吸量的增加也越快;随着时间的增加,解吸速度慢慢减小,最后达到解吸平衡;煤样解吸率随着温度的上升而变大,随着粒径的减小而逐渐增大;当温度上升到150℃以后,不同粒径煤样的解吸量和解吸率趋于一致;同一煤样在相同条件下解吸速度在最初阶段达到最大值,随着解吸的进行,解吸速度迅速衰减,最后趋于同一个值;同一煤样粒径越小,初始时刻的解吸速度越大;同一煤样温度越高,初始时刻的解吸速度越快。     

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。     

煤体吸附瓦斯膨胀变形效应的试验研究

为了探讨煤体吸附瓦斯产生膨胀变形效应这一特有的力学行为,利用自行研发的含瓦斯煤岩细观力学试验系统,进行不同瓦斯压力下的吸附膨胀变形试验。试验结果表明:(1)同一煤样在不同瓦斯压力下随时间的变形曲线具有相同的变化规律,煤样的应变变化率随时间逐渐减小,直至一个相对稳定值;(2)煤样的吸附膨胀变形呈各向异性,垂直于层理方向和平行于层理方向的应变整体变化趋势呈现一致性,但由于煤体内部裂隙分布差异,垂直层理方向的变形值明显大于平行层理方向;(3)煤体瓦斯吸附量与体应变量呈现较好的线性关系,以此建立考虑温度、水分、灰分和各向异性等因素的吸附膨胀变形计算方程;(4)利用吸附变形应力与制约吸附变形量的线性关系,以及吸附变形量与瓦斯压力的关系得出吸附膨胀应力计算方法;(5)煤体的吸附膨胀变形具有不可逆性,且吸附气体压力越大,其残余变形值也越大。煤体的膨胀变形效应具有重要的工程应用价值,可作为煤层突出危险性测定的辅助指标,以及应用于煤层透气性的研究。     

块煤含水率对其吸附性影响的试验研究

 为研究地下水对煤吸附性影响,针对潞安屯留煤矿3#煤层,进行大块煤样在干燥及含水状态下的吸附特性研究,试验发现：(1) 采用定容吸附时,瓦斯压力随时间衰减具有对数关系,衰减系数随含水率增大而降低;(2) 瓦斯吸附量与吸附时间之间为幂指关系;(3) 煤的瓦斯吸附量与含水率之间具有线性关系,二者之间关系与粉煤的研究结果不同。     

两种含瓦斯煤样变形特性与抗压强度的实验分析

 介绍型煤煤样和原煤煤样的制作过程,设计含瓦斯煤样的三轴实验方法和步骤。利用自行研制的三轴蠕变瓦斯渗流装置和材料实验机组成含瓦斯煤样三轴压缩实验装置,对型煤煤样和原煤煤样进行含瓦斯三轴实验,获得大量不同围压和不同瓦斯压力条件下的实验数据;根据实验结果系统地研究含瓦斯煤样两种煤样在三轴应力条件下的变形特性和抗压强度。研究结果表明,围压和瓦斯压力对含瓦斯煤样的变形特性和抗压强度都有一定程度的影响;型煤煤样和原煤煤样的变形特性和抗压强度具有规律上的共性,但是其力学参数存在显著差异;弹性模量和泊松比在含瓦斯煤样的变形过程中不是定值,而是动态变化的,且2种煤样的弹性模量差别很大,泊松比也不相等;相同载荷条件下型煤煤样的变形比原煤煤样的要大得多,其形状改变也比原煤煤样的大。研究结果对进一步认识含瓦斯煤样的力学性质具有一定的意义。     

煤层瓦斯渗流非线性运动规律实验研究

以焦作矿区赵固二矿采集加工的原煤煤样为研究对象,利用自主研制的含瓦斯煤热–流–固–力耦合实验装置,在考虑吸附变形量、孔隙气体压缩量和温度膨胀变化量的基础上,对煤样渗透率与有效应力之间的变化关系以及煤样中瓦斯运动规律进行实验研究,建立受载煤体渗透率与有效应力关系方程及描述煤层瓦斯非线性渗流规律的运动方程。研究结果表明:(1)渗透率随有效应力增大而呈非线性递减关系,具有负指数变化规律;(2)在围压和轴压固定情况下,研究不同孔隙压力梯度下瓦斯渗流规律,得到瓦斯渗流速度在煤体变形作用下呈现非线性特征,同时将所建方程与实验数据进行拟合,由相关度可知,实验结果与拟合结果相一致,表明所建立的运动方程与研究方法是合理的。     

静水压力对原煤瓦斯解吸影响的试验研究

 运用自主研制的煤岩热流–固–耦合试验系统,以原煤为研究对象,进行不同静水压力条件下煤体瓦斯解吸试验。基于物理假设,以理想气体状态方程为桥梁,分析密闭环境中解吸瓦斯压力的变化规律。研究结果表明：随着静水压力的上升,封闭系统中煤体瓦斯压力升高0.277%～0.750%。煤中瓦斯压力的变化量δP由两部分组成：孔裂隙压缩引起瓦斯压力的变化量δPV和瓦斯解吸引起瓦斯压力的变化量δPd。随着静水压力的上升,瓦斯解吸引起的瓦斯压力变化量所占总瓦斯压力变化的比例 减小,煤体中瓦斯解吸压力所占初始瓦斯压力的比例ω增大,煤与瓦斯突出等煤矿动力灾害也越容易发生。     

封闭体系中煤体升温解吸的热力学特性研究

气体在煤中吸附解吸取决于其压力和温度,气体解吸量随温度升高和压力降低而有所增加。在封闭体系中,温度升高造成煤体解吸量增加,并引起体系压力变大,但同时抑制解吸。吸附态气体和游离态气体相互转化时,伴有能量交换。为研究煤体升温吸附/解吸的热力学特性,依据实际气体状态方程、玻尔兹曼能量分布理论以及两能态模型,得到了吸附热的数学表达式,并在物理实验基础上加以验证。实验结果表明:封闭体系内温度升高,升温促进解吸和加压促进吸附同时作用直至动态平衡,其中温度对解吸的促进作用要强于压力对解吸的抑制作用,体系整体表现为解吸作用;两能态模型能较准确地反映吸附热与温度和压力的变化关系,且吸附热是温度和压力的函数,其值与初始平衡条件有关,初始压力越大,吸附热越小,解吸时间越短,更易达到平衡。     

割缝预抽后煤瓦斯吸附特性的变化特征

为了研究割缝预抽后煤瓦斯吸附特性的变化特征,以杨柳煤矿10煤层7个煤样为研究对象,采用甲烷等温吸附实验测定煤样的Langmuir方程吸附常数a和b,通过压汞实验和低温液氮吸附实验的有机结合,表征煤样孔径分布和比表面积的变化.结果表明:(1)随着煤样与割缝孔距离的增大,吸附常数α呈逐渐增大的趋势,而吸附常数b的变化趋势则相反,但与甲烷等温吸附曲线的曲率变化趋势一致.(2)随着煤样与割缝孔距离的增大,煤样孔径分布发生显著的变化,吸附孔孔容比从33.27％增大到55.38％,比表面积从7.254 m2/g增大到9.856 m2/g.(3)割缝预抽后,煤样参数曲线(Langmuir方程吸附常数、吸附孔孔容比和比表面积)的变化幅度均呈现出平缓→急剧→平缓的趋势,具有有界性和非线性的特征,符合Boltzmann方程.割缝预抽后煤瓦斯吸附特性的变化存在明显的分区特征:变化显著区(小于1.8 m)、变化过渡区(1.8～4.5 m)和变化不显著区(大于4.5 m).(4)割缝预抽后煤体瓦斯压力下降,有效应力增大,进而控制煤体的吸附特性.研究结果可以为煤层水力割缝增透实践提供可靠的基础理论支撑.     

静水压力对原煤瓦斯解吸影响的试验研究EI北大核心CSCD

运用自主研制的煤岩热流–固–耦合试验系统,以原煤为研究对象,进行不同静水压力条件下煤体瓦斯解吸试验。基于物理假设,以理想气体状态方程为桥梁,分析密闭环境中解吸瓦斯压力的变化规律。研究结果表明：随着静水压力的上升,封闭系统中煤体瓦斯压力升高0.277%～0.750%。煤中瓦斯压力的变化量δP由两部分组成：孔裂隙压缩引起瓦斯压力的变化量δPV和瓦斯解吸引起瓦斯压力的变化量δPd。随着静水压力的上升,瓦斯解吸引起的瓦斯压力变化量所占总瓦斯压力变化的比例ψ减小,煤体中瓦斯解吸压力所占初始瓦斯压力的比例ω增大,煤与瓦斯突出等煤矿动力灾害也越容易发生。     

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。     

湖南典型煤体瓦斯放散初速度规律研究

通过实验,研究了郴耒煤田和涟邵煤田的煤样吸附压力对瓦斯放散初速度的影响,实验过程中保持温度不变,调整吸附的瓦斯压力,测定瓦斯放散初速度,指出瓦斯放散初速度是判断瓦斯突出危险性的指标之一,在瓦斯放散的过程中,瓦斯放散量与时间并不成正比,而是存在一定的突变现象,掌握好瓦斯放散的时间点对有效预防瓦斯突出有重要的意义。