单位等量解吸焓对煤与瓦斯突出综合作用假说的补充

基于平顶山五矿中阶原生煤和构造煤的系列等温吸附实验数据计算温度-压力-吸附方程(TPAE)参数。通过TPAE方程计算结果证实,吸附是可以自发进行的放热反应,解吸是无法自发进行的吸热反应;热力学计算证明当吸附量增加,其单位等量解吸焓却按幂函数关系下降;原生煤单位等量解吸焓是构造煤单位等量解吸焓的2.2倍;煤靠吸收环境能量进行瓦斯解吸、降低温度、升高压力;而瓦斯压力升高和温度降低都有利于其余煤增加吸附以达到新的瓦斯气液平衡;煤吸附量持续增加带来的直接后果是其单位等量解吸焓的持续下降;环境能量输入与瓦斯内能蓄积转移显示互为诱因、互相强化,直至新一波的环境能量输入,诱发吸附瓦斯解吸达到足够高的压差梯度发生瓦斯突出;瓦斯突出是按准备、启动、发展和终止的先后次序发生;准备与启动的分段节点是有无工程活动,启动与发展的分段节点是圈闭瓦斯的煤壁是否被突破,发展与终止的分段节点是构造煤的吸附量是否接近于0。     

温度-压力-吸附和煤与瓦斯突出的关系探讨

利用沁水盆地大宁煤矿的原生煤和构造煤系列等温吸附实验数据求各自温度-压力-吸附之间的相互关系。结果证实吸附过程是放热过程。定义了等量吸附焓、单位等量吸附焓和单位等量解吸焓。计算出在吸附量均为45 cm~3/g时,构造煤的单位等量解吸吸热比原生煤要少吸热0.158 kJ/(mol·cm~3·g)。相较于原生煤,构造煤优先解吸;相较于放热过程,埋深强化解吸;相较于原生煤,构造煤更容易从环境中吸入解吸所需的能量;相较于原生煤,构造煤自身的低渗透率和低坚固性系数更容易导致煤与瓦斯突出的发生。     

逐级降压解吸过程中解吸瓦斯膨胀能变化特性

煤与瓦斯突出是一个能量释放的过程,瓦斯膨胀能是由煤层游离瓦斯与解吸瓦斯膨胀做功产生的能量,是煤与瓦斯突出的主要能量来源.发生煤与瓦斯突出时,煤层内部瓦斯在降压环境下进行解吸,为探讨逐级降压解吸下瓦斯膨胀能的变化特性,以晋城矿区无烟煤为研究对象,利用瓦斯吸附-解吸试验装置,进行逐级降压解吸和常压解吸2种解吸试验,分析了逐...     

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。     

软硬组合煤体塑性破坏与突出能量失稳判据

煤与瓦斯突出过程的复杂性阻碍了人们对瓦斯突出机理的探索,为了更好地定量评价软硬组合赋存时瓦斯突出失稳情况,本文采用理论分析和数值模拟的手段对采掘过程中软硬组合煤体的塑性破坏和失稳突出规律进行了系统的研究,主要结论:巷道开挖后,构造煤的渗透率会骤增使得原来积聚大量的瓦斯突然间释放出来;构造煤分层还会通过界面应力诱发邻近的原生煤塑性体积和塑性变形最大值增加,促进原生煤内部的瓦斯的释放;初始瓦斯压力为0.74 MPa时,单位体积构造煤的突出能量约为原生煤的3倍,构造煤的突出耗散能量却仅是原生煤的0.11倍;构造煤的突出失稳判据大于1,而原生煤的突出失稳判据要小于1。原生煤和构造煤组合体的弹性能、解吸瓦斯膨胀能均是突出能量的主要组成部分,对于组合煤体的区域瓦斯防突措施主要是以降低瓦斯膨胀能为主,局部瓦斯防突措施要同时降低瓦斯膨胀能和弹性能。     

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。     

寺家庄煤与瓦斯突出机制分析

煤与瓦斯突出绝大多数发生在地质构造带,研究构造煤与原生煤的差异性对于探索煤与瓦斯突出机制意义重大。为探索阳煤集团寺家庄矿井煤与瓦斯突出事故频发的原因,对原生煤和构造煤煤样进行不同平衡压力条件下的恒温瓦斯放散试验,得到原生煤和构造煤在瓦斯放散特征方面存在显著差异,尤其在瓦斯放散初期,构造煤的瓦斯解吸速度明显高于原生煤,这一差异也体现于煤与瓦斯突出预测的现场测试结果,掘进过程中钻屑解吸指标K1值与构造煤厚度呈正相关关系,研究可知寺家庄煤矿15号煤层的煤与瓦斯突出受构造煤控制作用明显。     

孟津矿钻屑瓦斯解吸指标临界值研究

为了消除石门揭煤过程中煤与瓦斯突出危险性,孟津矿采用钻屑瓦斯解吸指标Δh2进行预测。通过煤与瓦斯突出能量方程及实验室测定的钻屑解吸强度和瓦斯压力的关系确定出孟津矿瓦斯突出压力临界值,进而推导出钻屑瓦斯解吸指标的临界值Δh2=200 Pa,结果表明:该临界值适合孟津矿,保证了煤矿安全生产。     

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。     

构造煤煤层气解吸阶段分析及最大瞬时解吸量计算

为了探求构造煤煤层气解吸阶段瞬时特征,选取平顶山五矿的构造煤和原生结构煤,分别在20、30、40℃下进行了甲烷等温吸附/解吸试验,以试验结果为基础构建了基于兰氏方程曲率的煤层气解吸阶段模型,并依据此模型分析了构造煤煤层气解吸阶段,探讨了构造煤煤层气最大瞬时解吸量.结果表明:随温度的逐渐升高和煤体破坏程度的增大,原生结构煤和构造煤的低效解吸阶段、缓慢解吸阶段、高效解吸阶段及敏感解吸阶段总体向低压方向偏移,启动压力、转折压力和敏感压力表现出减小趋势,相比原生结构煤,构造煤的大部分启动压力和转折压力更低,整个解吸阶段具有更明显的向低压偏移的特征;较大的兰氏体积使得高效解吸和敏感解吸阶段前移;同时,随着温度的升高,原生结构煤和构造煤的煤层气最大瞬时解吸量呈减小趋势.     

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。     

构造煤的瓦斯放散特征及孔隙结构微观解释

采用恒温煤粒瓦斯放散试验方法,研究了构造煤和原生煤瓦斯放散过程的差异性,结果表明构造煤在瓦斯放散初始1 min的瓦斯解吸量是原生煤的2.15~4.06倍,构造煤趋近极限瓦斯解吸量所需时间不足原生煤所需时间的25%,原生煤的极限瓦斯解吸量略高于构造煤,构造煤与原生煤对典型瓦斯放散数学表达式的适用性存在很大不同。为解释试验结果,采用压汞法和低温氮吸附法对煤的孔隙结构进行测试,分析得到中孔及大孔分布是导致构造煤和原生煤瓦斯放散特征差异的主要因素,大分子结构等其他因素对瓦斯放散特征的影响有待于进一步研究。     

构造煤和煤与瓦斯突出关系的研究

构造煤是原生煤经过长期的强烈挤压,剪切变形后形成的,其具有黏聚力低、强度低和渗透率低等特点。长期以来,中国乃至全球的大部分煤与瓦斯突出事故都发生在构造煤层中,但是其根本原因尚未明确。为了揭示构造煤与突出的内在关系,对构造煤与原生煤的孔隙结构、甲烷吸附、解吸、扩散、渗流和力学性质进行了系统性的回顾与对比,并结合突出能量进行了定量分析。结果表明,由于构造作用,构造煤比原生煤具有更大的总孔隙体积和比表面积,其中大孔受到的影响最为显著。此外,构造煤的吸附/解吸能力和扩散系数普遍较高,而抗压强度和弹性模量则普遍较小。在突出激发阶段,煤体破碎依赖于应力能的释放,此时破碎煤体释放的大量解吸瓦斯是突出后续发展的重要能量来源,特别是小于临界粒径的突出煤体,起到了决定性作用。然而,能量分析表明,若要满足临界粒径的要求,原生煤所需应力条件远高于构造煤,甚至会远超过目前采掘深度的应力水平。因此,原生煤难以提供足够的能量支撑突出的发展。在实际情况中,即使首先发生破碎的是原生煤或者岩石,突出的持续发展也强烈依赖于破碎比功更低和解吸能力更强的构造煤,表明构造煤不仅仅是更易于突出,更是突出发展的一个必要条件。此外,就构造煤的储层特性而言,在实验室中获得的构造煤渗透性能显著高于现场获得的结果(差异可达2个数量级),其主要原因可归结为实验室中重构的构造煤样品无法还原构造煤的原始物理性质。因此在未来的研究中,除了仍需要对构造煤体的孔隙结构进行系统性的研究外,还需要探究构造煤样品重构的新方法。     

正高煤矿构造煤瓦斯解吸特征实验研究

为了研究构造煤的解吸特性,提高在构造煤发育区瓦斯含量测试的精度,选择正高煤矿M51#煤层构造煤作为研究对象,通过自行设计的吸附解吸装置对特定粒度的构造煤在不同的吸附平衡压力下进行解吸特性研究。结果显示,构造煤的解吸速率随着吸附平衡压力的降低而降低,同一吸附平衡压力下解吸速率随着时间而按照规律递减,构造煤的瓦斯解吸量和速率都大于同一煤层的原生结构煤。     

水分对二_2煤层瓦斯吸附解吸规律的实验研究

以某矿无烟煤为例,通过改变煤中水分含量,用实验模拟方法研究了不同水分含量条件下的构造煤的瓦斯吸附-解吸规律,确定了构造软煤在不同水分、不同破坏类型和不同压力条件下的瓦斯解吸特征,为煤与瓦斯突出预测、煤层注水和煤矿瓦斯灾害的防治提供一定的理论依据。     

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。     

煤层气解吸滞后定量分析模型

针对煤解吸滞后过程解、吸附量和速度变化特征,提出了煤层气解吸滞后定量分析模型。根据煤解吸滞后现象分析,结合"墨水瓶"理论,通过引入滞后因子α,提出了煤吸附-解吸模型,揭示了煤吸附-解吸过程质量变化的解吸滞后机理;通过比较解、吸附过程速度,提出了考虑煤基质吸附-解吸过程孔隙率变化的扩散方程,该方程中扩散系数直接可以反映吸附-解吸过程时间异步问题。基于Comsol计算平台,实现了煤层气解吸滞后定量分析模型的数值求解。数值模拟结果显示不同煤阶煤样的等温吸附实验数据验证了α值的合理性,拟合数据表明随煤阶提高,α值越大,解吸滞后程度越大;吸附-解吸过程中扩散系数的变化趋势相反,吸附过程中扩散系数随时间减小,吸附速率随时间减小,解吸过程中,其值随时间增大,解吸速率随时间增大,通过扩散系数得到的解、吸附速率变化趋势与实验室结果一致,证明了此参数的合理性,进而可用来分析解吸滞后现象在时间上的变化趋势。     

不同变质程度的软硬煤瓦斯解吸规律研究

采用自制的吸附/解吸实验装置对不同变质程度的软硬煤进行了瓦斯解吸实验,结果表明:软煤的吸附能力大于硬煤的吸附能力;同一吸附平衡压力下,软煤的解吸量大于硬煤的解吸量,且随着变质程度的增加,煤的瓦斯解吸量逐渐增大;解吸量与时间之间的关系可采用孙重旭式进行表示。为准确测定煤层瓦斯含量,预测煤与瓦斯突出等奠定理论基础。     

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.     

突出孔洞构造煤与原生结构煤瓦斯吸附特性对比研究

为研究突出孔洞构造煤与原生结构煤孔隙特征对瓦斯吸附特性的影响,以三甲煤矿突出孔洞构造煤和原生结构煤为研究对象,运用压汞和液氮吸附实验相结合的方法对不同结构煤体孔隙结构进行研究;结合Menger几何模型分析不同结构煤体孔隙分形特征,进一步阐述孔隙结构分形特征对瓦斯吸附特征的影响。结果表明:原生结构煤与突出孔洞构造煤均存在滞后环,且突出孔洞构造煤的滞后环明显大于原生结构煤的滞后环;突出孔洞构造煤分形维数大于原生结构煤,突出孔洞构造煤孔隙复杂程度比原生结构煤高,突出孔洞构造煤孔隙复杂程度为瓦斯的吸附准备了良好条件;突出孔洞构造煤整体孔隙发育情况比原生结构煤要好,微孔、小孔阶段孔隙发育情况远大于原生结构煤。