瓦斯压力对煤体吸附-解吸变形特征影响试验研究

以松藻煤电公司渝阳煤矿8#突出煤层原煤试样为研究对象,开展了不同瓦斯压力条件下的煤体吸附-解吸变形试验。研究结果表明:含瓦斯煤体吸附-解吸变形动态曲线可划分为抽真空压缩变形阶段I、吸附膨胀变形阶段II、解吸收缩变形阶段III等3个阶段;煤体的吸附-解吸变形具有明显的各向异性特征,但横纵向变形量比值随时间和压力变化不明显,趋于定值;含瓦斯煤体体积变形随吸附/解吸压力的增大呈线性增加,吸附/解吸时间越长,线性斜率越大;含瓦斯煤体吸附-解吸变形不可逆,残余变形量随气体压力增加而增大,且纵向变形对煤体残余体积变形贡献相对较大。     

煤体吸附-解吸瓦斯变形特征实验研究

在煤层瓦斯抽放过程中,煤体瓦斯处于吸附-解吸状态,煤体发生膨胀和收缩。利用自主设计的煤体变形实验装置,分析了杜儿坪煤矿原煤在不同方式下吸附-解吸全过程中变形特征。实验结果表明：煤体变形量随着瓦斯压力的增加而增大,垂直层理方向变形量大于平行层理方向变形量;煤体在一次加压吸附实验中分为变形下降阶段、变形快速上升阶段和变形平稳上升至稳定阶段3个阶段;等梯度加压吸附-降压解吸过程中,0→0.5 MPa阶段变形量最大;等梯度加压吸附煤体变形量大于一次加到目标压力值的吸附煤体变形量,且等梯度解吸煤体残余变形量较大;煤体吸附-解吸变形可分为充气下降阶段、吸附快速上升阶段、吸附变形平稳上升至平稳阶段、解吸变形快速下降阶段和解吸平稳下降至稳定阶段。     

逆断层区域煤体孔隙结构及瓦斯吸附解吸特征研究

为了研究逆断层对煤体孔隙结构和瓦斯吸附解吸特征的影响,以贵州新春煤矿1503回采工作面为研究对象,选取与逆断层不同距离煤体煤样分别开展扫描电镜试验低温液氮吸附试验,得出煤体距离逆断层越近,受逆断层构造影响越严重,煤样孔容、比表面积提高,在相对压力0.4～0.5的区域低温液氮吸附回归曲线内存在轻微的拐点,说明煤样中存在丰富的墨水瓶孔;通过研究与逆断层不同距离煤体瓦斯吸附解释规律,得出瓦斯解吸量均随着平衡压力的升高而增大,在相同解吸平衡压力下,距离逆断层最近的煤体结构被改造越强烈,瓦斯吸附性能相对最强,瓦斯吸附量和吸附速率越大,并且解吸能力也相对越强。     

不同温度下型煤吸附解吸变形规律的研究

采用自主研制的高压瓦斯煤岩吸附-解吸测试系统,进行了型煤在不同温度条件下的吸附-解吸变形全过程试验,对型煤吸附与解吸瓦斯产生变形进行了研究。研究结果表明,型煤在不同温度条件下随时间的变形曲线具有相同的变化规律,即先后经历快速膨胀变形、缓慢膨胀至平衡变形、卸压瞬时膨胀变形、快速收缩变形、缓慢收缩至平衡变形5个阶段;型煤的吸附膨胀和解吸收缩曲线均具有朗格缪尔方程和幂函数方程特征;型煤在吸附过程中的膨胀变形具有各向异性,在解吸过程的收缩变形具有各向同性,解吸平衡的残余体应变与温度呈负相关。     

温度效应对煤层瓦斯吸附解吸特性影响的实验研究

对煤体瓦斯吸附解吸扩散过程进行了理论分析,根据Clausius-Clapeyron方程计算煤体在不同温度下的吸附热值,利用菲克定律求解煤体瓦斯在不同温度下的扩散系数和动力学扩散参数,研究其与温度之间的关系,并利用阿伦尼乌斯修正式计算得到煤体瓦斯解吸过程的活化能。研究结果表明,煤体瓦斯吸附量随着吸附温度的升高而降低,初始有效扩散系数及动力学扩散参数与瓦斯解吸温度呈正相关关系,利用阿伦尼乌斯修正式,计算得到实验煤样瓦斯解吸扩散活化能为2. 71 kJ/mol。从吸附热力学、解吸动力学,以及分子活化能3个方面研究了温度效应对瓦斯吸附解吸特性的影响,可为工程实践提供一定的基础理论支撑。     

含瓦斯煤体渗吸水变形特征实验研究

为了研究含瓦斯煤体渗吸水变形特征,利用自主设计搭建的承压瓦斯自然吸水实验系统,开展煤体在0.5、1.0、1.5、2.0 MPa瓦斯吸附平衡压力下的自然渗吸水实验。实验结果表明:气体吸附阶段,瓦斯压力越大,煤体横、纵变形量越大,纵向变形量约为横向变形量的2倍;自然渗吸阶段,煤体横、纵变形量均大于同一瓦斯压力下单纯气体吸附过程,实验系统环境压力值小幅升高,压力上升最大值为0.013 MPa,表明水渗吸同时存在瓦斯解吸过程;卸压泄水阶段,不同瓦斯压力下煤体的含水率分别为0.98%、1.05%、1.51%、2.24%,体应变和初始瓦斯压力二次相关,煤体体应变残余变形值较大,表明水渗吸作用后含瓦斯煤体变形的不可逆性和破坏性。     

含瓦斯型煤吸附/解吸特性研究

为解决煤层瓦斯含量测定不准的问题,采用型煤对其不同温度下的吸附/解吸特性进行测试研究。研究结果表明:随着温度的降低,型煤的吸附常数a、b值迅速增大;同一温度下,型煤的解吸量随着时间的增大而逐渐增加,吸附平衡压力越大,其解吸量越大;型煤的解吸量Q与时间t、温度T及压力p满足Q=((Cp+D)T+ep+f)t~((hp+g)T+mp+n)的关系,式中:C、D、e、f、h、g、m均为拟合参数。     

煤体循环吸附-解吸变形规律的试验研究

在井下煤炭开采和瓦斯抽采过程中,伴随着瓦斯的吸附-解吸,煤体会产生变形效应。采取试验方法,利用自主研发设计的煤体循环吸附-解吸变形测试试验装置,分析了煤体循环吸附-解吸CO_2气体的变形规律。试验结果表明:煤体在循环吸附-解吸下的变形呈现出各向异性的特点,但在平行层理和垂直层理2个方向上的变化趋势一致。随着循环次数的增加,各次吸附导致的煤体最大变形量增大10%左右。在同一次吸附-解吸中,垂直层理方向煤体的变形速率比平行层理方向的快。在1 MPa压力条件下,煤体的残余变形量与循环次数呈线性关系,即:ε_(rd)=kn-a。随着试验的进行,煤体结构内损伤增多,煤体强度降低。     

煤低压吸附瓦斯变形试验

在瓦斯抽采和煤炭开采过程中,始终伴随着煤对瓦斯的吸附和解吸,煤吸附瓦斯发生膨胀变形,解吸瓦斯发生收缩变形。利用自制的吸附解吸试验装置,测试了煤在低压吸附瓦斯过程中煤体变形规律。试验结果表明：煤样在同一瓦斯压力下的吸附变形分为快速增长、缓慢增长、平衡3个阶段;煤体吸附瓦斯膨胀变形呈各向异性,垂直层理方向和平行层理方向的变形整体变化趋势呈现一致性;在等梯度加压吸附过程中,随着吸附瓦斯压力的不断增大,煤样吸附膨胀变形梯度值逐渐呈增大趋势;一次加压吸附煤膨胀变形量小于等梯度加压吸附至相同吸附压力值时的累积变形量。     

煤与瓦斯突出发生前后煤层温度演化规律研究

为研究煤与瓦斯突出发生前后煤层温度演化规律,利用多场耦合煤矿动力灾害物理模拟试验系统,开展了气-固耦合条件下的煤与瓦斯突出物理模拟试验,并监测了突出发生前后的煤层瓦斯压力与温度.研究表明:在突出发生之前,煤层在吸附瓦斯过程中煤体温度随着瓦斯压力的增大而逐渐升高,煤层在达到吸附平衡后,煤体温度上升了2.6℃,位于煤层中心位置处的煤体温度明显高于边缘位置处;突出发生后,距离突出口较近的断面内煤体温度会出现突降现象,断面中心位置处温度下降量明显较大,而在距离突出口较远的断面,温度变化趋势与之相反;突出过程为热力学多变过程,煤体温度降低是由游离瓦斯膨胀做功和吸附瓦斯解吸造成的,煤体温度下降量和瓦斯膨胀能随着瓦斯解吸量的增加而增大.     

温度场变化对高压注水煤体瓦斯解吸量影响规律研究

通过不同温度条件下煤与瓦斯吸附、解吸实验,研究了煤与瓦斯吸附、解吸的微观机理,重点分析了高压注水对煤体瓦斯吸附、解吸的影响规律.利用具有压力控制单元和温度控制单元的煤样吸附解吸实验系统,测定煤样在不同温度下瓦斯的解吸量,通过吸附压力降低曲线计算出了吸附速率.     

不同温度及注水压力条件下瓦斯解吸特性实验

为了研究高压注水后含瓦斯煤体的恒温及升温解吸规律,采用自主研制的吸附-注水-加热-解吸成套实验系统,针对不同条件下含瓦斯煤体的解吸特性,从沁水煤田古城煤矿和高河煤矿现场取样,进行了相应的实验研究,得出含瓦斯煤体在不同注水压力、不同吸附压力和不同温度条件下,其解吸特性的变化规律。实验结果表明:相同吸附压力下的未注水自然解吸,高河煤样的解吸率高于古城煤样;随着注水压力的增加,恒温条件下含瓦斯煤体的解吸率呈非线性规律衰减,当到达一定高的注水压力时,衰减会趋于稳定;升温可以有效促进注水后含瓦斯煤体的解吸,并且随着注水压力的增加,加热的促进作用越明显。     

河南省中-高煤阶构造变形煤甲烷吸附/解吸特征研究

煤体变质程度和变形结构不同,其对甲烷的吸附/解吸能力及特征也不同,通过对河南典型矿区5种中高煤阶构造变形煤的等温吸附/解吸试验研究,结果表明:中-高煤阶弱脆性构造变形煤的甲烷吸附能力随着煤变质程度的增加而增大;甲烷吸附量增量随着压力升高逐渐减小趋近于0,且甲烷吸附量增量随变质程度的增加而增大。单位压力段内甲烷解吸量随压力降低呈幂函数增大趋势,且变质程度越高,单位压力段内甲烷解吸量越大。不同类型构造变形煤单位压力段解吸量随压力降低呈单调递增的对数函数,且甲烷解吸量随着构造变形程度的增强而增大。     

型煤吸附不同气体变形规律研究

为了探讨型煤吸附不同压力下的CH_4、N_2以及CO_2的变形特征,利用自行研发的高压瓦斯煤岩吸附-解吸测试系统,对型煤在吸附这3种气体过程中的变形规律进行了研究。结果表明:型煤在不同压力下吸附不同气体的过程都包含抽真空变形、吸附膨胀变形和解吸附压缩变形等3个阶段,且吸附3种气体的膨胀变形规律相似,其轴向变形与环向变形均随时间的增大而逐渐增大;吸附膨胀变形过程中的应变-时间关系都符合Langmuir方程形式;在相同温度和吸附质压力条件下型煤对3种气体的吸附膨胀变形由大到小依次为CO_2、CH_4、N_2;型煤吸附这3种气体膨胀变形过程中的环向应变要大于轴向应变,且随着压力的增大2个方向的变形差异增大。     

吸附作用对煤体瓦斯渗透规律的影响

运用自制的瓦斯渗透率测试装置,从吸附压力、吸附压差、吸附温度3方面研究了吸附作用对含瓦斯煤体中瓦斯渗透率的影响,同时试验模拟得出了瓦斯抽采渗透率的变化规律。结果表明:同一煤样随着吸附压力的增大,吸附量的增加,渗透率降低。相同吸附压力下,随着吸附温度的升高,渗透率降低。煤层抽采瓦斯以后压力下降,渗透率提高,与模拟试验得出的规律一致。     

基于红外测温的煤体瓦斯吸附-解吸过程温度变化特征研究

应用红外测温摄录仪分别对不同压力、不同变质条件下的煤体瓦斯吸附-解吸过程中温度变化进行测量,将红外数据进行小波滤噪后拟合出瓦斯吸附-解吸特征函数曲线。分析得出结论:不同平衡压力下吸附过程中升温趋势符合指数函数关系,解吸过程中降温趋势符合对数函数关系;煤体变质程度也会影响吸附-解吸过程中温度变化特征,煤体变质程度越大,吸附-解吸造成的温度变化幅度越大。拟合函数△T=K(1-et/b)参数K表征了吸附-解吸所引起的煤体温度变化最大值,温度变化最大值与煤体瓦斯解吸量成线性正相关。     

应力约束下煤体吸附解吸瓦斯变形特性的试验研究

利用YKDPump70精密驱替泵,对原煤尺寸(ф50 mm×100 mm)试件,进行了恒温恒压(20℃,18 MPa)条件下,CH_4在无烟煤中的吸附解吸试验,对CH_4在吸附解吸过程中煤体的变形特征进行了测量分析。主要结果为:在整个吸附解吸过程中,煤体的径向变形与轴向变形随时间的变化规律是相似的,并在同一吸附压力下,煤体的吸附膨胀变形量大于解吸收缩变形量,煤体存在一定的残余变形。在不同的吸附压力下,解吸量与煤体轴向应变、径向应变随时间的增大而增大,最终趋于稳定状态,并且二者的变化规律基本一致,呈对数形式增长。在18 MPa体积应力约束条件下,持续12 h的CH_4解吸过程中,煤体轴向应变、径向应变ε与CH_4解吸量q成线性关系,即ε=aq+b,式中:a、b为拟合常数。     

不同抽采条件煤体瓦斯流量物理模拟试验

借助自主研发出口端负压的三轴渗流设备,以贵州玉舍1#煤层型煤试件为研究对象,开展了不同抽采条件下瓦斯流量物理模拟试验,试验得出在出口气压从大气压降低到负压过程中,煤体中瓦斯流量持续升高,负压对煤体中瓦斯流动起促进作用,各种温度条件下煤体中瓦斯流量随抽采管径增大而增加。     

力热耦合作用下煤岩吸附及渗透特性的试验研究

利用等温吸附试验仪器与含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,为模拟深部煤层瓦斯开采过程,分别进行不同温度下等温吸附试验与孔隙压力升高的渗流试验,建立考虑过剩吸附量修正的吸附模型并修正吸附膨胀模型,探究力热耦合作用下煤岩吸附与渗流变化规律。结果表明:瓦斯吸附量在不同温度下随瓦斯压力升高均呈增大趋势,随温度升高吸附量逐渐降低。在高压下需考虑过剩吸附量造成的误差,修正的Langmuir模型比原模型计算结果精度更高;建立了考虑温度与过剩吸附量修正的吸附变形模型与吸附膨胀模型,煤岩吸附应变随孔隙压力升高而减小,且温度越高应变变化量越小。随孔隙压力升高,煤岩渗透率及吸附膨胀与滑脱效应导致的渗透率变化量均呈下降的趋势,且随温度升高3者逐渐增加;吸附膨胀是引起煤岩渗透率减小的主要因素,吸附膨胀与滑脱效应对渗透率的贡献率随孔隙压力升高逐渐下降,其贡献率均随温度升高逐渐增加。     

煤体吸附瓦斯与煤体变形量的关系研究

采用自主研制的由放置试样的装置、压力加载装置和变形测定装置组成MDS-200型煤岩三轴应力渗透试验台,对取自象山、燎原和桑树坪井田的3、5和11煤的试验样品进行煤体吸附瓦斯与变形量关系的试验。结果表明:煤体在同等条件下的吸附性随着外部压力的增加而逐渐减小;自由状态和外部压力加载状态下,煤体的变形均随吸附瓦斯压力的增加而分阶段地逐渐增加,直至较高压力时变形趋于平衡;两种状态下的煤体变形量随吸附量的增加而有规律地增加,表现为开始阶段增长趋势较慢,后期变化较快。