煤岩体声波波速随温度变化规律试验研究

为了研究温度对煤岩体中波速传播的影响,利用自制的声波参数测试系统试验研究了煤岩体波速随温度变化规律,以期为研究声波在煤岩体中的传播提供理论参考。研究结果表明:随温度升高,煤岩体试样内纵横波波速总体表现为减小,在减小过程中会出现波动现象。试样的波阻抗大小与波速大小之间具有高度正相关特性。温度的升高将使煤岩体内各种矿物成分发生热膨胀,但由于这些矿物种类不同,其热膨胀系数也不同,导致其中的微孔隙或裂隙发生增长和扩大,煤岩体孔隙结构发生变化,煤岩体弹性模量和波速减小;另外,温度的升高会造成煤岩体内矿物质或胶结物的变化,从而导致煤岩体弹性模量和波速的降低。     

基于液氮吸附的煤体孔隙结构测试研究

为研究煤体孔隙结构特征,实验室采用液氮静态吸附法对马兰8#煤、振兴二矿2#煤、润宏矿3#煤的3种煤样的孔隙结构特征开展了煤样颗粒比表面积、孔径、孔容等研究。结果显示,孔隙发育程度大小顺序依次为:振兴2#煤>润宏3#煤>马兰8#煤,且孔隙以微孔和中孔为主。该研究可为研究煤层瓦斯赋存及流动规律提供参考依据。     

大佛寺井田煤储层孔隙特征研究

为了研究大佛寺井田煤样孔隙特征,采集大佛寺井田4#上煤层煤样,选取4#上煤层宏观煤样组分中的镜煤和暗煤,分别利用压汞试验、扫描电镜和低温吸附等方法对其进行测试。结果表明:大佛寺井田4#上暗煤以微孔和小孔为主,4#上镜煤以小孔和中孔为主,4#上镜煤和4#上暗煤都具有比较强的煤层气吸附能力,4#上镜煤的孔隙连通性较好,以开放型孔为主,4#上暗煤则主要以半封闭型的孔隙为主。扫描电镜结果表明大佛寺井田4#上暗煤可观察到煤表面存在一定数量的次生孔隙,但是整体孔隙的连通性较差。但4#上镜煤相比于4#上暗煤孔隙发育较好,清晰可见煤中出现了多道微裂隙和碎屑状的镜质体。综合来看,大佛寺井田4#上暗煤有助于煤层气的聚集,相对于暗煤而言,4#上镜煤利于煤层气的解吸和开发。     

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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基于CT三维重建的高阶煤孔裂隙结构综合表征和分析

为有效研究煤的孔裂隙结构特征,实现对煤的孔裂隙结构的定性定量表征和分析。以内蒙古巴彦高勒煤矿311102运输巷的煤样为研究对象,基于ZEISS Xradia510 Versa X射线显微镜扫描得到的CT数据,结合三维可视化软件AVIZO中内置数学算法,提出了煤的孔裂隙结构定量表征的方法,并建立了煤的三维孔裂隙结构模型和具有拓扑结构的孔隙网络简化模型。通过本文提出的方法,对巴彦高勒煤矿煤样的孔裂隙微观参数——孔径大小、孔体积、孔隙率、配位数、喉道长度等进行了统计分析。研究表明:在微米的尺度下,内蒙古巴彦高勒煤矿的煤样以大孔为主,并伴有网状的割理裂隙,有效孔隙率为10.34%,通过孔隙网络模型统计出的孔隙数为12 834,喉道数为432及其他的微观结构参数。     

郑庄井田3号煤微孔裂隙特征研究

煤孔裂隙控制着煤层气赋存和运移,对煤层气生产实践具有重要影响。为了研究郑庄井田3号煤微孔裂隙特征,采用EVO 15型扫描电子显微镜对井田3号煤的微孔裂隙进行了观测和精细表征研究。结果表明:郑庄井田3号煤中微孔隙有气孔、铸模孔、溶蚀孔和角砾孔,不同孔隙的形态、大小和连通性等均不同。孔隙形态多样,孔隙大小一般几十纳米至几十微米,孔隙的连通性整体较差,常见碎屑物充填孔隙。煤中微裂隙为张裂隙和剪裂隙,张裂隙延伸短、产状不稳定、裂隙面粗糙、裂口基本为张开状。剪裂隙延伸相对较长、产状稳定、裂隙面光滑、裂口部分张开。张裂隙和剪裂隙被碎屑物和方解石脉充填现象常见,但剪裂隙被充填现象更严重。     

脉动水力压裂煤层微观结构变化及其工程实践

为了研究脉动水力压裂煤层微观结构变化,对取自杨柳矿、顾桥矿和丁集矿的煤样进行脉动水力压裂实验室实验,通过压汞实验和CO_2气体吸附测试分析原煤样和水力压裂作用下煤样孔隙特征变化规律。结果表明:原煤大孔隙阶段的孔隙连通性明显优于中孔隙阶段;煤体孔隙度、孔隙总体积、总表面积和微孔比例随着煤阶的升高而增加,中孔比例随着煤阶的升高而减小,大孔比例则随着煤阶的增加呈"减少-增加"趋势。脉动水力压裂作用后,孔隙度明显增加,而水分对孔隙连通性影响较小。脉动水力压裂使煤样孔隙总表面积、微孔体积和微孔比例减小,总孔隙体积、中孔比例、大孔体积和大孔比例增大。     

液氮浸融对不同预制温度煤体损伤特性试验研究

为研究液氮对不同预制温度煤体浸融后的表面裂隙扩展规律和孔隙损伤特性,分别采用显微镜观测、超声波波速测试以及核磁共振测试技术对不同预制温度煤体液氮浸融前后其表面裂隙扩展规律、内部微裂隙发育规律、内部孔隙发育过程及孔径分布变化规律进行试验研究。试验结果表明,液氮浸融过程中随着预制温度的升高,煤体表面产生热应力随之增大,煤体特征裂隙面积增比也随之增大,且热应力增加与煤表面特征裂隙面积增比呈显著相关关系。煤体预制温度越高液氮浸融后煤体内部超声波波速下降越明显,且煤体孔隙度增比越大,微裂隙、孔隙发育越良好。液氮浸融过程中煤体孔裂隙发育存在两个阶段:第1阶段中,微小孔隙向中大孔隙的转化数量大于微小孔自身新生数量,表现为液氮浸融后煤体微小孔数量减少,中大孔数量增加。随着煤体预制温度升高变为第2阶段,微小孔隙新生数量大于其向中大孔隙的转化量,表现为液氮浸融煤体后全孔隙段孔隙数量均增加。液氮浸融不同预制温度煤体后其特征裂隙增比-声波波速变化率-孔隙度变化率3者之间存在正相关关系。以上结果表明,煤体预制温度因素对液氮浸融后煤体表面裂隙发育及孔隙损伤特性影响显著,且液氮浸融不同预制温度煤体其表面裂隙扩展和内...     

大佛寺井田煤储层孔隙特征

对采自大佛寺煤矿侏罗系中统延安组4上、4#煤的煤样,采用压汞、低温液氮吸附、扫描电镜等测试方法,系统分析大佛寺井田煤储层孔隙大小分布特征、孔隙类型、孔隙成因类型。研究表明,大佛寺井田4上、4#煤储层孔隙度为2.70%~6.30%,以小孔为主(10~100nm),孔隙类型以墨水瓶状或细颈瓶形孔为主,孔隙成因类型均属于原生孔中的组织孔。大佛寺井田4#煤储层裂隙发育(一般为5~20μm),渗透性好,对煤层气开发有利。     

温度冲击下煤层内部孔缝结构演化特征实验研究

为研究温度冲击下煤层微观结构的变化特征,采用高低温试验系统对原煤进行了温度冲击实验,利用扫描电镜、工业显微CT、压汞实验和低温液氮吸附实验对温度冲击前后煤的孔隙裂隙结构的演化发展进行了联合表征。基于数字图像处理技术,对温度冲击前后煤层扫描电镜图像进行二值化处理,定性与定量地分析了煤层的裂隙宽度变化,并统计分析了温度冲击前后煤层中孔隙的比表面积和孔径变化。研究结果表明:温度冲击作用促使煤样内部大孔之间相互贯通并形成宏观裂缝,导致大孔体积相应减少,中孔和小孔的体积均增大;温度冲击试验测试过程中所产生的最大热应力位于煤样表面的切向方向,温度冲击所产生的热应力超过煤样抗拉强度是导致裂隙萌生、扩展和相互贯通的直接原因。研究结果可为煤层气高效开发和提高煤层瓦斯抽采率提供技术支撑。     

干燥及饱和含水煤样超声波特征的实验研究

采用超声波透射法对无烟煤、焦煤和肥煤煤样在干燥及自然饱和吸水状态进行超声波测试实验,利用快速傅里叶变换对超声波信号进行了频谱分析,研究干燥及自然饱和吸水状态下煤样超声波特征。研究结果表明：在干燥或自然饱和吸水状态下,同种煤样的纵波波速相差较小;在干燥和自然饱和吸水两种状态下,无烟煤煤样纵波速度最大,肥煤纵波速度最小,焦煤介于两者之间,煤样纵波速度与其密度呈正相关、与孔隙率和变质程度呈负相关关系。焦煤和肥煤煤样在自然饱和吸水状态下纵波波速高于其在干燥状态下的纵波波速,无烟煤则相反;焦煤和肥煤煤样的纵波波速对水的敏感性大于无烟煤纵波波速对水的敏感性,这是由水分子在煤样孔隙中的运动形式决定的。煤样自然饱和吸水后,其主频率值有所下降,出现“频率漂移”的现象,使其能量多集中在低频部分;在煤样中传播的超声波信号的波速和主频率值能够反映煤样内部的孔隙、微裂隙等结构情况及其含水情况。     

基于煤岩波速比及抗剪强度的煤体结构区分

煤层气储层煤体结构类型对储层产能影响巨大。煤岩波速比反映原生结构煤与碎裂结构煤的各向异性差异;抗剪强度反映不同结构煤岩的力学特性差异。利用阵列声波测井资料,提取煤岩纵横比及抗剪强度,通过统计分析,划分了原生结构煤与碎裂结构煤的优势区间,形成了波速比及抗剪强度联合判识煤体结构的划分标准,准确率在84%左右。该方法为煤体结构划分提供一定理论依据。     

杨庄煤矿煤岩波速特征及与其强度的关系研究

系统地测试了淮北煤田杨庄煤矿5,6煤层煤样的纵波速度、抗压强度、抗拉强度和变形参数,得出了煤波速的差异性及各向异性特征,分析了煤体结构是煤波速差异性的重要原因;对煤样波速与其力学指标进行了对比研究,得出了拟合公式,表明两者之间有很好的相关关系,为煤岩强度的确定提供了一种新的方法。     

山西古交矿区马兰煤矿肥煤注水后煤体吸附膨胀行为

基于不同压力,室温下对山西古交矿区马兰煤矿的煤样进行注水及吸附膨胀实验,分析了煤体吸附膨胀规律和气、水介质对其的控制机理.研究发现：不同含水率的煤样吸附后,煤体的应变参数随着压力的变化均呈现类似于Langumir等温吸附曲线的变化规律,且平行于层理方向的应变大于垂直于层理方向的应变;气、水介质从不同的侧面对煤体的吸附应变特征进行影响,煤样中注入的气量越大,产生的膨胀能越大,变形程度也越大;水分的存在,使得气体吸附量减小,煤体吸附气体后产生的应变减小.     

煤岩特性对超声波速影响的试验研究

超声波测试技术广泛应用材料内部缺陷与表面裂缝检测和描述,然而其声学参数同煤岩物理特性与结构特征的关系,成为该技术在地下采矿工程中应用的瓶颈问题之一。在大同煤矿集团塔山矿8212工作面采集煤块及顶板岩芯,采用美国Tektronix公司生产的超声波仪,开展不同层理方向煤岩及不同岩性岩石的超声波室内测试试验,并结合CT扫描、磨片分析等微观测试手段和覆压渗透试验获得煤岩内部物质含量组成形态及渗透特性,系统研究密度、层理方向、孔隙度、渗透率、矿物颗粒成分及大小等因素对超声波传播速度的影响。试验表明：纵波与横波波速均表现出随密度增大而增大的趋势;煤岩的超声波速有明显的层理效应,试验发现轴向与层理的夹角由小变大,其纵波和横波波速呈减小趋势,轴向平行层理煤岩的纵波、横波波速分别约为轴向垂直层理的1.22,1.23倍;纵波波速随孔隙率与渗透率的增大而减小,且煤的渗透率亦呈现明显的层理效应,轴向平行层理煤岩的渗透率约为轴向垂直层理的57.1倍;岩石矿物颗粒越细纵波波速越大,岩样纵波波速依次以细砂岩、中粗粒砂岩、含粗砂细砾岩和粗粒砂岩由大到小排列。     

煤系岩石声波速度及其影响因素实验分析

岩石声波速度是岩体质量评价的重要指标,通过超声一时间动态测试方法系统地研究了煤系岩石声波速度特征,探讨了影响沉积岩石声波速度的主要因素,建立了沉积岩石纵、横波速度之间及其与沉积岩石密度、围压和含水量之间的定性定量关系.研究结果表明,砂岩和石灰岩的纵、横波速度一般要高于砂质泥岩、泥岩和煤.沉积岩石的横波速度与纵波速度之间呈现出很好的线性相关性,反映出横波速度大约为纵波速度的3/5.沉积岩石的声波速度受沉积岩石密度、围压和含水量等因素所控制,且随着岩石密度、围压和含水量的增大而增大,但由于岩性不同,岩石的声波速度增高的速率则不完全相同.     

超应力卸载作用下煤样冲击破坏试验研究

煤矿采深进入千米以后,采掘工作面围岩应力普遍超过煤体单轴抗压强度,呈现围岩应力超过煤体强度的超应力现象。基于调研分析,得到煤层单轴抗压强度的分布特征以及开采深度、原岩应力与煤层单轴抗压强度之间的关系,提出了超应力集中系数的概念。采用声发射和被动CT成像技术相结合的研究方法,开展了煤样真三轴超应力卸载作用下冲击破坏试验研究,从而探究声发射波速演化与煤样宏、微观破裂的关系,揭示深地围岩对煤层的超应力加载作用及方式。试验结果表明:(1)不同的应力卸载路径下煤样冲击破坏具有显著的时间延迟效应,应力路径变化越大,其时间延迟越短;(2)三轴卸载状态下煤样的破坏形式复杂多变,多为剪切、拉伸等耦合破坏形式;总体破坏模式表现为首先沿着与轴压方向分布的主裂隙进行扩张破坏,其次在试样表面分布着许多沿轴压方向的小张拉裂隙;(3)在加载初期,煤样内部波速变化范围较小,出现少量高、低波速区;随着载荷初步增加,煤样内高波速区转移与扩展,同时波速异常区明显扩大;当载荷进一步增加,煤样内出现大面积低波速带,波速极小值不断降低,高波速区、波速异常区迅速变化转移;(4)试样宏观破裂面和波速异常丰富区、微观裂隙演化和低波速贯通区形成了较好的对应。     

深部煤体注水过程中渗流通道演化特征

在煤炭开采中,煤层注水可有效防突降尘和防治冲击地压。为了研究深部煤样注水过程中孔隙结构和渗流通道的演化过程,以平煤十二矿己15-31030工作面的深部煤体为研究对象,通过低场核磁共振成像设备在线测试了3个原煤试样在不同注水压力下的T2谱和含水量分布情况。通过对不同注水压力下的T2谱进行分析,获得了煤样注水过程中的孔径分布和孔隙结构的演化过程。通过核磁共振成像技术,初步实现了煤样注水过程中孔隙结构和渗流通道演化的可视化,可更直观地观测煤样注水过程中的动态演化过程,更深入地理解不同煤样T2谱演化过程异同的内在原因。进一步提出了一种根据T2谱进行不同孔径的孔的渗透率贡献度计算方法,定量分析了煤样注水过程中不同孔径的孔对水渗过程的贡献度。并对T2谱进行了孔裂隙的分形维数计算,定量分析煤样孔裂隙的渗流空间含量和异质性。研究发现:平煤十二矿深部煤样注水过程中T2谱表现出三峰特点,中孔、大孔和微裂隙的含量与连通性都大于微孔和小孔,注水过程中渗流通道主要由连通性较好的中孔、大孔和微裂隙构建。煤样注水过程中大孔和微裂隙贡献了99%以上的渗透率;微孔、小孔和连通性较差的孔主要参与储水而不参与运水。注水过程...     

基于地震CT技术的冲击地压危险性评价模型

运用地震波运动学理论,分析了地震波在“岩-煤-岩”特殊结构中的传播路径特征,结合现场实测数据统计结果,得出通过地震波走时CT技术,可利用回采工作面煤岩交界面的折射波对顶（底）板纵波波速进行成像,进而间接反映煤层性质。深入分析了地震波波速和地震波波速梯度与冲击地压危险性的相关性,以此为基础,初步建立了以地震波波速异常系数和地震波波速梯度系数为主要因子的冲击地压危险性评价模型。该模型基于地震CT技术对煤岩体纵波波速的成像数据,评价结论以二维图像形式表现。将该模型应用于新疆宽沟煤矿冲击地压工作面,评价结论与现场实际情况吻合性较好。     

不同赋存深度煤的物性特征

浅部矿产资源日益枯竭,深部地下开采将成为常态。因此,对不同赋存深度,尤其是超千米深煤岩开展系统研究具有重要的工程意义。现有研究大多通过改变围压、温度等条件来模拟岩体所处的外在环境,并未采用真实赋存深度样品开展研究,同时忽略了原位岩体初始结构、物质组成和性质的差异。对取自平顶山矿区已组煤层300,600,700,850和1 050 m五个不同深度的煤岩开展系统试验,研究不同赋存深度煤岩成分、细观结构、瓦斯吸附及声学特性。测试结果表明:随着赋存深度增加,煤的组成和结构发生改变,变质程度增大,结构更为致密,瓦斯吸附能力增强,超声波在其内传播发生散射和折射的几率减少,损耗能量降低,纵波波速增大。该成果可为后续开展不同赋存深度煤岩宏观力学特性相关研究提供借鉴。