煤储层特征对瓦斯解吸影响

作为一种非常规储层,煤储层特征对瓦斯解吸特性具有显著影响。基于低温液氮吸附法并结合电镜扫描(SEM),针对霍尔辛赫等5个典型煤储层结构特征进行了定量分析。在此基础上,分析煤储层结构参数对煤体瓦斯解吸的影响。     

电化学改性对贫煤瓦斯吸附解吸特性的影响

电化学方法应用于强化煤层瓦斯抽采的效果主要取决于工程设计与参数选取的合理性。采用实验室实验的方法,用H2SO4、Na2SO4和NaOH 3种电解液分别对贫煤进行电化学改性,对改性前后煤样的瓦斯吸附解吸特性进行了测试,并通过低温液氮吸附测试和红外光谱测试分析了改性对贫煤煤样孔隙结构和表面基团的改变。结果表明:未改性煤样的饱和吸附量为30.03 mL/g,Langmuir压力为0.88 MPa,最终解吸率为83.20%;经H2SO4、Na2SO4和NaOH 3种电解液电化学改性后,煤样的饱和吸附量分别为23.70、26.67、32.79 mL/g,煤样的Langmuir压力分别为1.15、1.05、0.80 MPa,煤样的最终解吸率分别为90.10%、87.84%和81.71%;用H2SO4电解液电化学改性后的贫煤,比表面积最小,平均孔径最大,含氧官能团数量最多,故抑制瓦斯吸附、强化瓦斯解吸的效果最好。     

构造煤瓦斯解吸特征及对煤与瓦斯突出的影响

通过改进的煤样瓦斯解吸装置,精确测定了不同平衡压力下构造煤与原生煤的恒温瓦斯解吸量与解吸速度数据,分析了构造煤的瓦斯解吸特征。实验结果表明:构造煤的瓦斯解吸量具有明显的分段特征,其初期瓦斯解吸量更大,第1 min内瓦斯解吸量可达120 min总解吸量的31.55%～38.07%,远高于同条件原生煤的10.94%～14.24%;构造煤的初始解吸速度可达10.11～15.75 mL/(g·min),是同条件下原生煤的的1.72～2.32倍,构造煤的初期解吸特征主要由第1 min内的解吸特性控制。通过现场数据分析了钻屑瓦斯解吸指标K_1随构造煤平均厚度变化情况,两者呈线性关系且显著正相关,说明在构造煤发育区域煤与瓦斯突出危险性显著增加。     

煤孔隙结构对钻屑瓦斯解吸指标敏感度的影响

为研究新疆榆树岭煤矿下₅煤层低瓦斯含量、高瓦斯压力的赋存对煤层钻屑瓦斯解吸指标敏感度的影响,采用恒温瓦斯放散试验、低温液氮吸附法测定榆树岭下₅煤层煤样及端氏3号煤层煤样瓦斯吸附规律及孔隙构成,总结分析不同变质程度煤样的孔隙结构特征、瓦斯解吸速率对钻屑解吸指标准确性的影响。结果表明：瓦斯解吸扩散速率受煤的变质程度及孔隙结构的影响较大,低阶气煤前10 min内的瓦斯解吸速率整体趋势平稳,端氏高阶无烟煤在前4 min瓦斯解吸速率较快,后6 min瓦斯解吸速率趋势平稳;榆树岭煤钻屑瓦斯解吸指标K₁与瓦斯压力相关性较钻屑瓦斯解吸指标Δh₂差,而端氏煤钻屑瓦斯解吸指标K₁与瓦斯压力相关性优于钻屑瓦斯解吸指标Δh₂;Δh₂更适合作为低阶煤突出预测指标,K₁作为高阶煤突出预测指标较适用。     

构造煤与原生结构煤孔隙特征及瓦斯解吸规律试验

为了研究卧龙湖矿8煤层构造煤与原生结构煤孔隙特征及瓦斯解吸规律,分别采用压汞法和解吸试验对4组煤样进行试验研究。试验结果表明:构造煤中孔和大孔孔容所占比例高于原生结构煤,构造作用对煤的中孔和大孔有明显的改造效果,而且可能产生新的微孔和小孔;构造煤微孔和小孔的比表面积和分别占总比表面积的98.85%和98.74%,原生结构煤微孔和小孔的比表面积和分别占总比表面积的99.52%和99.37%,表明微孔和小孔决定煤的比表面积,构成煤层瓦斯的主要吸附空间;同时构造煤瓦斯解吸能力显著强于相同煤阶的原生结构煤,原因在于构造煤含有较多的中孔和大孔,为瓦斯的运移提供了通道。构造作用对煤的孔隙结构改造进而影响煤的解吸性能,增加了煤与瓦斯突出的危险性。     

中低阶煤孔隙结构特征及其对瓦斯解吸特性影响

煤的孔隙结构是影响瓦斯储存和运移的重要因素。为了进一步研究中低变质程度煤瓦斯解吸特性,选取6组阜康矿区煤样进行压汞试验和瓦斯解吸试验。通过绘制进退汞曲线、统计各孔径段孔隙结构特征以及绘制瓦斯解吸曲线,着重分析了煤的孔隙形态、孔容、孔比表面积和体积分形维数及其对瓦斯解吸量及解吸速率的影响。结果表明：试验煤样均存在不同比例的开放孔,大孔主要以开放孔为主,中孔和小孔主要以半封闭孔为主,微孔主要以封闭孔为主;煤样孔容以微孔和大孔贡献为主,比表面积以微孔贡献为主。通过绘制瓦斯解吸曲线和解吸速率散点图,发现瓦斯解吸量随解吸时间先快速增加后趋于稳定值,进而拟合发现,中低阶煤瓦斯解吸曲线可采用1/Q=m/t^0.75+n表示,拟合度在0.995以上,其中参数m为与瓦斯解吸速率相关的参数,参数n为解吸体积常数,系数0.75可能与煤变质程度有关,后期可对不同变质程度的煤样解吸曲线进行分析,解吸速率随解吸时间呈指数式递减。将不同孔径段孔隙结构特征与解吸特性参数拟合发现,在瓦斯解吸初期,大孔中的瓦斯优先被解吸,随着孔径的减小,优先率逐渐降低。中大孔分形维数介于2.879 1～2.991 5...     

煤的孔隙分布对其吸附解吸特征的影响

为了研究煤的孔隙分布规律对其吸附解吸特征的影响,对干燥煤样进行了压汞实验和等温吸附解吸实验。结果表明,煤的吸附解吸过程具有不可逆性和解吸过程的滞后性,滞后的主要原因是实验煤样孔径为100 nm以下的孔隙比较发育,容易形成毛细凝聚;煤样中孔隙的比表面积主要被过渡孔和微孔所占据,微孔的比表面积占总表面积比例分别为68.82%和72.96%,这决定了煤的吸附能力。     

构造煤与原生结构煤孔隙结构及瓦斯解吸特征对比研究

为了研究构造煤的孔隙结构对瓦斯解吸特征的影响,选取了发耳煤矿和青龙煤矿的煤样,进行了压汞试验和瓦斯解吸试验,对构造煤和原生结构煤的孔隙结构及解吸特征进行了对比分析,结果表明:原生结构煤中的大孔和中孔的孔容含量约占总孔容的12.81%～12.19%,构造煤中的大孔和中孔的孔容含量约占总孔容的69.85%～82.15%,原生结构煤和构造煤的孔比表面积占比较高的都是微孔和小孔,表明构造煤结构变化主要体现在大孔和中孔的孔容占比增加;构造煤的初期瓦斯解吸速度和瓦斯解吸量明显大于原生结构煤,主要原因是构造煤的大孔和中孔的孔容含量增加,使瓦斯有了更多的渗流通道和储存空间,增加了瓦斯解吸速度。     

应力对含瓦斯煤解吸特征影响的试验研究

深部开采时地应力的升高和剧烈开采的扰动,容易在采掘工作面形成应力集中区,从而导致应力主导型的突出事故和冲击-瓦斯复合动力灾害发生。为了探索深部开采时应力对含瓦斯煤解吸及涌出特征的影响规律,提高矿井瓦斯灾害治理的精准性,以焦作矿区九里山矿无烟煤为研究对象,利用煤岩三轴渗流-吸附-解吸试验装置进行了不同应力状态下煤样的等温解吸试验和恒吸附压力下的应力解吸响应试验,分析了应力作用对煤的解吸涌出特征的影响规律。研究结果表明:应力直接影响含瓦斯煤的解吸能力,决定应力集中区煤层瓦斯的涌出特征;在吸附等量瓦斯气体的情况下,煤的瓦斯解吸累积量、解吸初始速率均随着应力增加逐渐增大,解吸速率衰减指数随应力增加变化不大但呈现逐渐减小趋势,应力作用促进了煤样的瓦斯解吸;通过恒吸附压力下煤样对不吸附性气体(He)和吸附性气体(CH_4)应力解吸响应的对比试验,验证了应力作用会明显诱导煤样的解吸行为,导致相同条件下煤样的吸附能力降低;研究结果阐明了应力对含瓦斯煤解吸涌出特征的影响,揭示了应力对煤基质瓦斯解吸的诱导作用,对深部开采煤层瓦斯灾害的防治和煤层气的开采具有理论和工程实践意义。     

荥巩煤田二_1煤瓦斯吸附解吸特征及其对煤与瓦斯突出的影响

实验研究了荥巩煤田主要生产矿井煤吸附瓦斯Langmuir参数和瓦斯放散初速度,分析了煤层瓦斯吸附解吸特征及其对瓦斯突出区域分布的影响。结果表明,荥巩煤田煤层具有很强的能力和很高的瓦斯解吸速度,这些特征使得荥巩煤田瓦斯突出区域具有低瓦斯压力、高瓦斯含量的特点。经过与焦作矿区的参数对比,初步确定了荥巩煤田非突出危险区域评价参数为瓦斯压力<0.6 MPa,瓦斯含量<10.0 m3/t。     

中低煤阶煤孔隙特征及对瓦斯放散特性的影响

为了研究中低煤阶煤孔隙特征及其对瓦斯放散特性的影响,对采集的中低煤阶长焰煤、气煤、焦煤和1/3焦煤4个煤类共计14组样品进行了煤工业分析、煤岩分析、液氮吸附和瓦斯放散初速度测试,结合分形理论研究了中低煤阶煤比表面积、孔容和孔隙分布特征及其瓦斯放散特性。结果表明:中低煤阶煤孔比表面积孔径分布主要以小孔和微孔为主,孔隙形态为以一端开口的孔为主,含有少量两端开口的孔,部分样品含有少量墨水瓶形孔。中低煤阶煤孔隙具有较好的分形特征,孔比表面积、孔容与分形维数具有明显的对数关系。中低阶煤瓦斯放散初速度较小,瓦斯放散初速度随着分形维数增大而减小,随着平均孔径的增大而增大。随着各孔径段孔容积、孔比表面积含量增加瓦斯放散初速度均呈负对数减小趋势,各孔径段比例和煤孔隙形态类型的细微变化对瓦斯放散初速度的影响不大。     

电位梯度对电化学改变贫煤瓦斯吸附解吸特性的影响实验研究

选用3种电位梯度分别对东曲矿贫煤进行电化学改性实验,对改性前后的煤样进行瓦斯吸附解吸测试,并通过低温液氮吸附测试和红外光谱测试分析改性前后煤样孔隙结构和表面基团的变化。结果表明:未改性贫煤煤样的饱和吸附量为30.030 mL/g,煤样的Langmuir压力为0.876 MPa,最终解吸率为83.204%,经1、2、4 V/cm 3种电位梯度电化学改性后,煤样的饱和吸附量分别降低为29.239、28.329、26.667 mL/g;Langmuir压力分别升高为0.932、1.042、1.048 MPa;最终解吸率分别提高84.235%、85.541%和87.840%;电位梯度越大,改性后煤样的比表面积越小,平均孔径越大,含氧官能团数量越多,故抑制瓦斯吸附、强化瓦斯解吸的效果越好。     

脉冲超声对煤的孔隙结构及瓦斯解吸特性影响的实验研究

为探究脉冲超声对煤体孔隙结构及瓦斯解吸特性的影响,利用全自动压汞仪和自主研发的脉冲超声激励煤吸附解吸瓦斯实验系统,分析不同脉冲次数超声激励前后煤体孔容、比表面积及瓦斯解吸量变化,研究脉冲超声激励对煤体孔隙结构特征及瓦斯解吸的影响。实验结果表明：随着脉冲超声次数增加,中大孔孔隙连通程度明显增大,微小孔孔隙连通程度无显著变化,仍以半封闭孔和封闭孔为主;各孔径段孔容和比表面积均有所增加,其中中大孔孔容与微小孔比表面积增加最为显著;脉冲超声激励后的煤体具有明显分形特征,且分形维数随脉冲次数的增加呈下降趋势;脉冲次数增加,煤体瓦斯解吸量增多,解吸速率加快,且最大解吸量、最大解吸速率与脉冲次数均呈线性正相关关系。实验表明脉冲超声使煤体原生孔隙得到有效改善,孔隙之间相互连通,促进了瓦斯解吸。     

沁水盆地煤储层孔隙分形特征及其对瓦斯吸附的影响

为研究煤孔隙分形特征及其对瓦斯吸附特性的影响,针对沁水盆地8个煤样开展了低温液氮吸附试验,采用FHH分形理论探讨了煤表面孔隙分形特征,测试了各煤样的瓦斯吸附常数a、b值,并分析了孔隙分形维数对煤体瓦斯吸附的影响。研究结果表明,煤表面孔隙在不同压力段具有不同的分形特征,D1和D2分别代表煤表面微孔、中孔及大孔的分形特征。随变质程度的升高,D1与R0呈现出良好的线性正相关关系,而D2随R0的增加则呈现出先快后慢的抛物线变化。煤体瓦斯吸附特性与煤表面孔隙分形特征密切相关,分形维数D1、D2数值越大,a值越大,煤体瓦斯吸附能力也就越强;分形特征对吸附常数b值的影响较小。     

构造煤瓦斯解吸初期特征实验研究

利用自制的煤样瓦斯解吸试验装置,在恒温30 ℃、不同压力、不同粒度条件下,研究平顶山和鹤壁的原生结构煤和构造煤的瓦斯解吸初期速度和解吸量,分析构造煤瓦斯解吸初期的影响因素,建立构造煤瓦斯初期解吸数学模型。实验结果表明：与原生结构煤相比,构造煤瓦斯解吸初期速度更大,其初始解吸速度为1.23~4.20 mL/(g·min),是相同实验条件下原生结构煤的1.36~2.84倍,尤其在前1 min内差别较大;构造煤瓦斯解吸量是一条单调递增的幂函数曲线,0~10 min的瓦斯解吸规律具有分段性,可分为快速解吸段、缓慢解吸段和平稳解吸段,构造煤前10 min瓦斯解吸量可达1 h内解吸总量的60%。分析认为构造煤中大孔和过渡孔的发育程度决定了构造煤瓦斯初期特征;构造煤瓦斯解吸初速度随粒度的减小而增加,但是在极限粒度以下煤粒度对瓦斯初期解吸速度影响较小;瓦斯解吸初速度与吸附平衡压力呈幂指数关系;构造煤瓦斯解吸初期曲线符合文特式。     

瓦斯压力对低透性煤吸附-解吸特性及孔隙分布的影响

为了从微观的角度探究瓦斯压力对深部低透性煤层吸附-解吸特性及孔隙分布的影响,采用低磁场核磁共振技术(NMR),开展深部低透性煤不同瓦斯压力下的吸附-解吸试验。试验发现：瓦斯吸附态、游离态和自由态下,T₂谱幅值积分与瓦斯压力呈现较好的线性关系,其拟合结果R²均大于0.973 48,微观自由态瓦斯在瓦斯压力等于3.739 MPa处瓦斯的吸附-解吸出现了迟滞效应。不同瓦斯压力下,孔径类型分布差距较大,煤样内部孔隙分布主要是小孔占据大部分,而中孔和大孔所占比列较小。研究结果对深部低透性煤矿资源开采具有一定的指导意义。     

不同变质程度煤孔隙结构分形特征对瓦斯吸附性影响

为研究不同变质程度煤孔隙结构分形特征及其对瓦斯吸附特性的影响,通过压汞试验测试了9组不同变质程度煤样孔隙结构,利用Menger海绵模型分析了不同变质程度煤孔隙结构分形特征,结合煤样吸附常数,研究了孔隙结构分形特征对瓦斯吸附特性的影响。研究结果表明,煤孔隙在不同孔径段具有不同的分形特征,渗流孔分形维数D_1和吸附孔分形维数D_2均随变质程度的增加呈线性增大。煤孔隙分形特征对瓦斯吸附特性具有一定的影响,渗流孔分形维数D_1与吸附常数b呈良好的线性关系,与极限吸附瓦斯量a的关联性不大,表明渗流孔分形维数D_1对吸附瓦斯速率影响较大,对吸附能力影响较小;吸附孔分形维数D_2与极限吸附量a呈正相关关系,与吸附常数b关联关系不明显,说明吸附孔分形维数D_2对瓦斯吸附能力影响较大,对吸附瓦斯速率影响不明显。     

低煤阶煤纳米孔特征及其对吸附解吸影响

以不同煤体结构低煤阶煤样为例,采用低温N2吸附和冰点CO2气体吸附试验,分析了煤储层的纳米级孔隙结构特征;结合现场解吸试验,分析了不同煤体结构煤储层的含气量和解吸速率;从煤储层纳米级孔隙结构层面分析了不同煤体结构煤的吸附解吸控制机理。结果表明:碎粒结构煤的超微孔较原生结构煤发育,碎粒结构煤的自然解吸时间显著短于原生结构煤;常压下甲烷气体吸附在墨水瓶形等复杂超微孔内难以解吸,当通过高温和粉碎煤样后超微孔内的吸附气解吸,呈现出残余气碎粒结构煤大于原生结构煤。