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。     

液氮半溶浸煤裂隙扩展试验研究

为分析液氮半溶浸作用下不同饱水度煤裂隙扩展特征,取山西无烟煤原煤煤样,利用自制的液氮半溶浸试验装置对不同饱水度煤样开展了半溶浸试验研究,测试了液氮作用前后煤样波速变化和表面微裂隙宽度扩展情况,结果表明:煤样的饱水度对液氮冷冻煤作用效果影响很大,饱和煤样波速改变率和裂隙宽度扩展率最大,半饱和煤样次之,干燥煤样最小;越靠近液氮作用面,煤样温度变化越大,液氮作用效果越显著,液氮溶浸煤样的波速变化率和裂隙宽度扩展率都最大;饱和、半饱和煤样微裂隙扩展的主要原因是水相变为冰引起的冻胀力,干燥煤样微裂隙扩展的主要原因是温度梯度引起的温度应力。     

温度冲击作用下煤的渗透率变化规律与增透机制

为了研究温度冲击条件下的煤体渗透性变化规律及增透机制,利用恒温箱和液氮对原煤煤样进行了两种条件下的温度冲击试验,分析了煤样在温度冲击前后的渗透率变化情况和微观裂隙发育情况,探讨了温度冲击过程中的声发射信号分布规律。试验结果表明:在经过冷冲击处理和热-冷冲击处理后,煤体的渗透率平均增幅分别为48.68%和469.24%,热-冷冲击处理过程中煤样的声发射能量峰值是冷冲击处理过程中煤样的声发射能量峰值的3.6倍,相比冷冲击处理,热-冷处理所产生的微裂纹数量更多,裂隙呈树枝状发育,增透效果更好;煤体性质的各向异性和温度冲击所产生的超过煤体抗拉强度的热应力是主要的增透机制。     

液氮溶浸对饱水煤裂隙扩展的影响研究

为研究煤体注氮增透对液氮溶浸下饱水煤裂隙的扩展规律,从王营子矿取立方体原煤煤样,真空饱和后开展液氮溶浸试验,测试了液氮溶浸前后煤样的声速、代表性裂隙面积变化率和煤样表面微观结构的变化,推导了液氮作用下饱水裂隙内水相变为冰的冻胀压力,建立了液氮溶浸下饱水煤裂隙煤扩展的力学判据。结果表明:1液氮溶浸下煤内裂隙水相变为冰,体积膨胀,引起煤内裂隙扩展,代表性裂隙面积增长,超声波速降低,裂隙密度增加。煤的微观结构也发生了很大变化。2建立的力学判据准确预测了煤样的裂隙扩展。3随着裂隙长短轴长度比值的减小,冻胀压力增加,随着水流出系数增加,冻胀力线性减小。     

超声波功率对煤体孔隙结构损伤及渗流特性影响实验研究

为探究超声波功率对煤体孔隙结构损伤及渗流特性的影响,利用超声波NM-4B波速检测仪、蔡司Stemi508显微镜和煤岩芯渗透率测试仪,测试超声波不同功率激励前后煤样的表面裂隙宽度、微细观损伤和渗透特性的变化.实验结果表明:随着超声波激励功率增大,表面裂隙宽度增大,煤体表面裂隙宽度扩展率随功率呈正指数相关;超声波激励功率越...     

饱水度和再溶浸对液氮冷冻煤致裂的影响

为解饱水度和液氮再溶浸对液氮冷冻煤致裂效果的影响,取王营子矿的干燥、天然含水和饱水3组原煤煤样在室内实验室开展了液氮溶浸实验,测试液氮溶浸前后煤样波速变化,观察煤样表面裂隙发展。定义了煤样波速变化率和代表性裂隙面积变化率2个指标,分析了饱水程度、液氮再溶浸对煤内原生裂隙结构扩展和新裂隙萌生的影响,结果表明:1在液氮作用下,原煤内主要发生原生裂隙扩展及新裂隙萌生。2煤的饱水程度对液氮溶浸煤致裂效果影响很大。随着饱水度增加,煤样的波速变化率和代表性裂隙面积变化率都增加。饱水煤样的波速变化率和代表性裂隙面积变化率分别为干燥煤样的21.2倍和11.7倍。3液氮再溶浸作用将加剧煤样内缺陷结构发育,提高液氮作用效果。天然含水煤样的液氮再溶浸作用效果更好。     

微波辐射下含水分煤体孔渗特性及表面裂隙演化特征实验研究

可控源微波辐射法因其选择性加热、热效率高、环保等特点,被认为是一种极具发展前景的煤层增透新方法。煤体中的水分作为一种良好的吸波介质,将对煤体的吸收微波能力产生重要影响。为了探索煤体中的水分对微波致裂煤体效果的影响,采用自主研制的微波辐射实验装置和基于核磁共振(NMR)测试的煤体孔隙结构定量表征方法,研究了微波辐射前后煤体的NMR弛豫时间T₂图谱的变化规律和煤体表面裂隙分布特征,揭示了微波辐射下不同含水饱和度煤体孔隙的数量、尺度、连通性以及煤体的核磁渗透率和表面裂隙的演化规律。研究表明:无论煤体含水饱和度的高低,微波辐射后煤体微孔的数量与体积减少、煤体中孔和大孔及微裂隙的数量与体积均增加,各类尺寸孔隙之间的连通性得到改善,从而表现为煤体核磁渗透率增大且煤体表面出现原生裂隙扩展、新孔洞裂隙发育、煤体剥离和脱落和新的裂隙网络形成等现象;随着煤体含水饱和度的增加,微波辐射后煤体孔隙的数量、尺度与连通性以及渗透性的变化幅度呈现出"小幅减小—急剧减小—轻微增加"的趋势;微波对煤体的选择性热效应所产生的热应力引起煤体热破裂是煤体渗透性提高的主要原因,而微波辐射下煤体中水分蒸发所...     

液氮冷浸前后煤体的微观结构精细化表征方法研究

随着煤层增透技术的发展，液氮冷浸致裂煤体促进瓦斯抽采的研究取得了广泛关注。为研究液氮冷浸对不同煤质煤体微观结构的改造效果，分别采用电镜扫描仪、压汞仪和低温氮吸附仪对液氮冷浸前后不同煤质煤样（贫煤、肥煤和无烟煤）的微观结构进行了联合表征，对比分析了液氮冷浸对不同煤质煤样孔体积、比表面积分布情况的影响。结果表明：液氮冷浸煤体产生的热应力大于煤的抗拉强度，导致煤的微结构破坏，出现微裂隙萌生或颗粒脱落等现象，显著增加煤的透气性；液氮冷浸后不同煤质煤样的总孔体积和比表面积均增大，肥煤总孔体积增长率最小，其次是无烟煤，贫煤总孔体积增长率最大；液氮冷浸促使煤样内部微孔、小孔、中孔及宏孔/裂隙的孔体积均增大，促使煤样内部大孔贯通形成宏孔/裂隙，导致大孔的孔体积减少；液氮冷浸后各煤样的孔比表面积均集中分布在10～100 nm，并有明显的峰值特征；液氮冷浸促使贫煤、肥煤和无烟煤煤样的吸附量增大，且处于中高压区(0.4

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冻融作用下煤体孔隙结构损伤演化规律研究

为了揭示冻融作用对煤体孔隙结构的影响,采用冻融试验机对煤样进行冻融循环试验,利用声波测速仪和核磁共振设备对不同冻融循环次数下煤样的孔隙演化规律进行了分析。研究结果表明,冻融循环会造成煤体的孔隙结构损伤,促进煤体孔隙的发育,造成煤样波速降低,随着冻融循环次数的增加,煤样的小孔和中孔不断的扩展联通,造成煤样的大孔数量显著增加,孔隙连通性增强,煤样的总孔隙度、残余孔隙度和有效孔隙度和渗透率也随之增加,表明冻融循环能够提高煤层的透气性,从而有利于煤层气的抽采。     

循环冷加载条件下受载煤样结构损伤规律

煤体是具有孔隙、裂隙结构的固体介质,孔隙的贯通程度、裂隙的宽度是煤层渗透能力的重要指标,为了使煤体裂隙结构发生损伤而达到增透的目的,对三轴受载煤样进行注液氮冷加载实验,利用液氮注入钻孔煤实验装置系统对煤样施加4 MPa围压,分别进行多周期冷加载作用,通过高倍相机、金相显微镜、声波测速仪和CT成像系统观测煤样表面裂隙宽度、波速衰减率及内部结构损伤情况。根据单轴压缩实验的应力-应变曲线,分析煤样结构随冷加载周期的变化规律。结果表明:(1)煤样裂隙结构损伤程度随冷加载周期的增加而增大,损伤速率随注液氮周期的增加呈现先增加后降低的非线性变化规律;(2)煤样经6周期注液氮冷加载后表面发生颗粒脱落,经过7周期注液氮冷加载后发生宏观碎裂;(3)冷加载对煤样原生裂隙损伤效果显著,并沿着层理方向延伸。液氮冷加载能使煤体结构发生显著损伤,这为冲击地压灾害防治与瓦斯治理提供了新的方法。     

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。     

功率声波激励下无烟煤孔隙变化及裂隙发育研究

为了最大程度的提高煤层气的抽采效率和抽采量,采用超声波激励煤层气储层致裂来提高储层透气性。通过核磁共振技术来检测超声波致裂煤体过程中煤体内部孔隙孔径和数量的演化规律,并使用热成像、数字式照相机和P波岩石测量系统来监测和分析煤体裂隙发育过程。实验表明:随着超声波致裂的进行,煤体内部孔隙的孔径和数量都有增加,孔隙率提高了120.5%;整个致裂过程分成3个阶段进行,不同孔径孔隙起裂按时间排序为"微孔→中孔→大孔和裂隙";P波测试证明超声波能够激励煤体内部和表面形成裂隙网,大幅提高煤体透气性,由于任何含水的孔隙都是超声波致裂的起裂点,较于传统的致裂措施超声波致裂影响范围更广,需要的能量也更少。     

单轴压缩下松软煤体波速演化与裂隙分布特征

为研究松软煤体超声波传播规律与破坏特征,选用型煤代替原煤,设定3条波速传播路径,运用MTS岩石力学实验机、PCI-II声发射仪开展单轴压缩条件下煤体多路径波速同步监测试验,引入各向异性指数分析波速演化规律;选定3个横、纵向切面,采用CT扫描设备开展破坏特征观测试验,重构破坏后煤体细观几何结构,对比研究二维横纵切面裂隙分布差异性;探讨波速和三维裂隙体积的关系。结果表明：(1)随轴向应变的增加,平行、垂直加载方向及煤体平均波速均表现出先平稳后降低再平稳的基本规律,波速各向异性指数具有先平稳后增大再平稳的变化趋势;垂直加载方向波速最先下降,且降幅最大。(2)与纵向切面相比,破坏后煤体横向切面裂隙谱峰占比和裂隙分形维数均较大,裂隙密度较高,裂隙形态也较为复杂。(3)随裂隙体积的增大,破坏后煤体平均波速大致呈线性降低,单轴荷载作用下煤体内部裂隙扩展以平行加载方向为主,裂隙竖向线状扩展是造成各方向波速和横纵切面破坏特征差异性的主要原因。(4)与平行加载方向相比,采用垂直加载方向波速求得的损伤变量较大、评价煤体损伤破坏状态也更为可靠。现场采用声波评价煤体破坏状态时,将声波传播路径设置为垂直煤体受载（...     

低温循环致裂煤体孔隙结构演化规律试验研究

针对我国单一低透气性煤层常规钻孔瓦斯抽采困难的问题,提出了低温循环致裂增透方法。该方法将液氮等低温介质注入煤体,实现煤体的降温冻结;之后冻结煤体从周围煤岩吸热融化,循环地注入低温流体可使煤体产生交变的冻结-融化现象,从而改变煤体的孔隙结构和渗透性。采用冻融机对饱水煤样进行了共20次循环的冻融试验,并利用核磁共振测试方法,分析了低温循环冻融作用下煤体孔隙结构特征的演化规律。研究结果表明:随着冻融次数的增加,煤样的中、大孔占比、总孔隙度、有效孔隙度和渗透率显著增加,表明多次冻融能使煤体孔隙数量增加,尺寸变大,连通增强,从而形成交织贯通的孔裂隙网络,使煤体透气性大幅增强。     

高瓦斯易自燃煤体低温氧化过程中裂隙发育规律

为了探究高瓦斯易自燃煤体低温氧化过程中煤体内部裂隙发育演化过程,掌握低温氧化对煤体裂隙发育的作用机理,通过核磁共振技术来检测低温氧化过程中煤体内部孔隙孔径和数量的演化规律,并使用气相色谱和工业分析实验分析煤体裂隙发育过程。实验表明:随着煤体氧化温度的升高,煤体内部孔隙的孔径和数量均有增加,在200℃的升温区间内孔隙率上升了72.2%;气相色谱和工业分析实验证明低温氧化过程中煤体整个裂隙发育过程分2个阶段进行,在低温氧化初期(30~130℃),由于煤体内部水分流失、蒸发,导致内部微孔扩张、连通成中孔,在低温氧化后期(130~230℃),由于煤体内部大分子和挥发分氧化分解,导致内部中孔开始扩张、连通成大孔和微裂隙。     

液氮冷加载对围压煤体结构损伤的影响规律研究

采用损伤孔隙裂隙结构的方法可以提高煤体的渗透性。利用液氮冷加载实验,研究煤样孔隙裂隙结构损伤后的物理力学性质变化规律。通过卸载后煤样表面裂隙宽度、整体孔隙量的变化值,研究煤样结构损伤的物理性质,运用单轴抗压强度研究煤样结构损伤的力学性质,进而揭示液氮冷加载对煤样结构损伤的作用机理。结果表明:1)随着煤样围压的增加,煤样结构损伤程度逐渐加剧,12～13 MPa围压使煤样发生破碎;2)在注液氮条件下,冷加载加速了围压煤样结构的损伤,10～11 MPa围压下煤样发生破碎;3)煤样裂隙结构开裂方向与层理方向垂直,随着围压的增加,煤样单轴抗压强度逐渐降低,力学性能劣化。注液氮引起的温度应力可以加速煤体结构损伤,对煤体改性增透和预防冲击地压灾害提供了新的方法。     

不同围压下含预制裂隙煤体裂隙演化特征研究

为探究不同围压下含预制裂隙煤体裂隙演化特征,基于受载煤岩工业CT扫描系统开展不同围压下三轴压缩试验,通过受载煤体内部裂隙三维可视化分析,研究不同围压下煤体裂隙演化规律,借助PFC模拟软件,以裂纹数量为量化指标表征围压对裂纹发育程度的影响。此外,推导出考虑裂隙宽度的应力强度因子表达式,并以最大周向应力准则计算裂隙的理论起裂角度。结果表明：随着围压的增大,裂隙起裂角度减小,3,5,7 MPa围压下,翼裂纹在预制裂隙端部沿着最大主应力方向扩展,最终呈现为“X”或“Y”型拉-剪复合型破坏,9 MPa围压下,煤体翼裂纹发育受阻,次生裂纹充分扩展,呈现出次生裂纹沿共面扩展的剪切破坏形式;围压效应和剪切裂纹的互锁效应均对裂隙发育模式产生影响,但二者作用机制不同,前者为全局作用,后者必须在原生裂隙压密到一定程度时才发挥作用;矿物颗粒赋存状态影响裂隙的发育形态,由纯粹拉应力导致的翼裂纹较为完整,而次生裂纹则呈“残缺”状态,该残缺状态随围压增加而增加;峰值应力前,各裂纹数量呈先减少后增加的规律,拉伸裂纹占比不断减少;经典欧文Ⅰ型应力强度因子适用于张开型裂隙,采用考虑裂隙宽度的应力强度因子计算的起裂角度更接...     

液氮循环冻结煤体融化过程未冻水含量特征及其对孔隙的影响机制

孔隙未冻水含量和分布特征可以反映煤体融化程度,融化程度影响冰孔隙大小,直接决定孔隙渗透性,影响煤层气开采效率。研究冻结条件下煤体冰水相变过程特征,对精准评价煤层低温致裂效率具有重要意义。实验以冻结态饱水烟煤为研究对象,使用核磁共振技术研究煤样融化过程孔隙特征,综合测量T₂曲线、累计孔隙度以及累计孔喉分布,定量分析煤样融化过程孔隙结构。实验结果表明,液氮循环冻结煤体融化过程中,首先融化出小孔结构,后融化出中大孔结构,且融化前期孔隙连通性较差。通过计算T₂曲线面积,验证了融化过程未冻水含量与温度呈指数关系,并建立拟合函数。同时,根据煤样累计孔隙度与累计孔喉分布将融化过程划分为3个阶段,分别为加速融化阶段(-196～-30℃)、稳定融化阶段(-30～-5℃)以及快速融化阶段(-5～10℃)。热力学分析表明,低温下煤样未冻水含量同时受到孔隙压力与孔径分布影响,孔隙压力越大、小孔结构越丰富的煤样未冻水含量越多。总结了基于液氮循环冻融孔隙扩张收缩以及局部导热特性分析体系,涉及T₂图谱分析、导热组分划分、融化速度计算等关键问题,进而分...     

鄂尔多斯盆地东缘煤储层物性及煤阶的影响

本文以研究区山西组煤层为例,利用压汞和低温液氮吸附等实验技术,详细剖析了煤储层孔裂隙特征,在此基础之上,深入探讨了煤阶对储层物性的影响。研究表明,鄂尔多斯盆地东缘山西组煤中孔隙以微小孔为主,有利于煤层气的吸附储集,其次发育大孔,中孔最不发育,而煤中吸附孔隙主要以微孔和小孔为主,不同地区孔径分布差异较大;研究区煤层孔隙度较低,为2.7%~7.9%之间,随着煤阶增高,孔隙度呈现"减小~增大~减小"的波状变化;随着煤阶增高,吸附孔隙孔径增大,相应的BET比表面、BJH总孔体积减小,随着煤化作用进一步增强,微孔增多,两者出现一定上升趋势。     

冻融循环下页岩孔裂隙和渗透率演化特征研究

页岩气储层具有超低渗特性，液氮(LN2)致裂作为一种很有前景的储层增透技术备受关注。以四川南部龙马溪组页岩为研究对象，研究了含水页岩岩芯在受低温流体——液氮冻融循环下的物理响应。针对含水状态下的页岩进行LN2冻融循环处理，运用扫描电子显微镜(SEM)对LN2冻融循环前后的页岩样品进行微观孔裂隙结构的定点观察，采用数字图像处理技术和分形理论对同一位置的孔隙变化进行了定量化分析，测试了孔隙度和渗透率，运用计算机断层扫描(CT)展示了页岩样品随LN2冻融循环的宏观断裂破坏过程，探讨了液氮冻融的致裂机理。结果表明，液氮冻融循环处理可以有效促进孔隙、裂隙的萌生和扩展。液氮冻融时页岩在热应力和冻胀力的作用下产生新裂纹，随冻融循环次数的增多页岩孔裂隙稳定发展，冻融循环下页岩孔隙度累积增长幅度为54.6%，渗透率的提高非常显著(高达3个数量级)。