煤体中瓦斯水合固化的力学作用研究进展

为更好地完善我国煤与瓦斯突出预测与防治方法,基于煤与瓦斯突出综合作用假说,提出了瓦斯水合固化防治煤与瓦斯突出的方法。该方法核心是将煤层中瓦斯固化生成瓦斯水合物,不仅能降低瓦斯压力,而且能够提高煤体强度,以达到减弱或消除煤与瓦斯突出危险性的目的。实现了煤体中瓦斯水合物的生成以及含瓦斯水合物煤体力学性质−渗透率原位测试,提出了煤体中瓦斯水合物生成及力学性质−渗透率测试技术及含瓦斯水合物煤体三轴压缩数值建模技术。瓦斯水合固化热力学和动力学条件是防突的理论基础,煤层瓦斯水合物稳定储存是技术前提,瓦斯压力降低及煤体力学性质改善是防突关键,重点围绕水合固化煤体交叉力学问题进行总结。分析认为：① 瓦斯水合固化防突技术理论框架已经初步形成,并利用数值模拟手段初步探究了瓦斯水合固化对煤体力学特征改善的细观机理;② 现阶段已证实煤体中水合物生成不仅能降低瓦斯压力,而且能改善其力学性质,高饱和度对提高煤体峰值强度明显;③ 瓦斯水合物生成经历快速、缓慢和稳定3个阶段,且水合物的生成会造成煤体中瓦斯渗流通道阻塞,导致其渗透率降低;④ 高瓦斯压力、高CH₄体积分数不仅有助于提高水合物饱和度而且会延缓水合物分解,有助于水合物的稳定存在。需要注意的是,瓦斯水合固化技术防突的可靠度仍需大量重复试验验证,以建立普适化的数据库。综合现有研究结果,对水合固化防突研究目前仍存在的局限性与挑战进行了讨论,并且给出了进一步的研究方向。     

阻抗测试方法在瓦斯水合防突模拟实验中的应用

阻抗法可以监测各种固体、液体内部以及界面电荷的束缚和移动的变化特性。利用突出煤体中瓦斯水合固化过程阻抗特性监测实验装置,以不同质量分数NaCl溶液作为煤体孔隙液体,测试了相同孔隙度煤体中瓦斯水合固化过程阻抗变化特征。结果显示:实验釜中阻抗变化分为三个层位区域,分析瓦斯水合过程阻抗变化特征曲线,上层位阻抗逐渐增大瓦斯水合物形成量较大,下层位阻抗逐渐降低水合物未在此区域形成。通过NaCl质量分数曲线标定,获取了水合反应水的转化情况,基于PR状态方程结合瓦斯变化情况建立了瓦斯水合物生长计算模型,依据色谱分析结果计算了瓦斯水合物的含气率。     

改性干水体系中瓦斯水合分离动力学与回收研究

煤炭行业低碳化发展是实现碳中和目标的关键,降低碳排放强度是     

含瓦斯水合物煤体不同孔隙饱和度试验研究

煤层瓦斯固化防突技术利用含瓦斯水合物煤体储气量大且能改变煤体力学性质的特点,达到预防煤与瓦斯突出的目的。利用SHW-III型试验设备进行不同孔隙饱和度下含瓦斯水合物煤体的合成试验。结果表明:瓦斯水合物的声波波速可以表示合成情况,随着孔隙饱和度的增加而增大;预测的饱和度与试验方案最大相差4.18%,预测孔隙饱和度与计算孔隙饱和度最大相差4.92%;煤体胶结性随瓦斯水合物煤体孔隙饱和度增加而变强。     

煤体瓦斯愈渗机理与研究方法

以物理学单纯孔隙介质的愈渗概念与方法为基础,提出了孔隙、裂隙介质愈渗研究方法,针对煤体中瓦斯赋存与渗流问题,在二维情况下,通过数值试验研究揭示了连通团个数、最大连通团孔隙比随孔隙率和裂隙分形维数的变化规律.结果表明,在裂隙数量分布初值n0=1的标准情况下,随着裂隙数量、分形维数增加,连通团个数对应的孔隙率点由30%逐渐降低到20%左右;当孔隙率高于35%时,裂隙数量分形维数高于1 45以后,最大连通团孔隙比增加较快,低于此值时,所有连通团包含的孔隙数均极小,这就是煤体低渗透的本质.     

瓦斯气体在煤体中的吸附过程及其动力学机理

对瓦斯气体在煤体中的吸附过程及其动力学机理进行分析研究表明，吸附过程除与输入压力、温度和吸附气体种类有关外，还受煤体的渗透率、外载荷、湿度等因素的影响。是吸附、扩散－渗透和解吸并存的动态过程，直到吸附平衡为止。     

饱和度对含瓦斯水合物煤体渗透率影响试验研究

瓦斯水合固化防突方法能高倍固化瓦斯,降低瓦斯压力,并且前期研究表明,水合物的生成填充煤体孔隙,能够提高煤体强度,改善煤体力学性质,有望减弱煤与瓦斯突出危险性。渗透率是检验瓦斯水合物-煤体体系水合固化效果的关键参数,因此利用应力-渗流-固化一体化三轴试验机,开展了3种目数和3种饱和度条件下含瓦斯煤、含瓦斯水合物煤体渗透实验,测定了瓦斯水合物生成前后煤体渗透率;基于含水合物多孔介质渗透率模型,探讨了煤体中瓦斯水合物的分布模式。结果表明:水合物生成后煤体的渗透率降幅为19.9%~93.0%,其中40~60目(0.250~0.425 mm)60%饱和度煤样渗透率降低幅度最大;随着饱和度增加,20~40目(0.425~0.850 mm)及40~60目(0.250~0.425 mm)含瓦斯水合物煤体渗透率均先减小后增大,60~80目(0.18~0.25 mm)煤样始终呈增大趋势;将试验结果与渗透率理论模型对比发现,本试验煤体中瓦斯水合物分布模式以表面胶结型为主,水合物生成对煤体内瓦斯渗流通道的阻塞效果显著。     

煤体变形与瓦斯解吸/吸附关系的研究实验

专门针对瓦斯解吸及吸附作用与煤岩形变的相关性做出实验认证,条件是恒压恒温,利用物理上的排水法间接获得瓦斯体积,又由于解吸量与吸附量是一对互逆过程,那么即可利用回归分析便能够算出朗格缪尔体积常数a以及压力常数b,进而把所获得数据进行拟合分析,得到了体积变化与解吸量的关系式,最终分析出瓦斯解吸及吸附作用和煤岩体积形变的定量关系。     

基于不同加载速率的含瓦斯煤体裂隙演化规律研究

为研究不同加载速率对含瓦斯煤体试件破坏过程中损伤单元数分布情况及瓦斯渗流情况的影响,采用数值模拟方法,得出五条结论。     

含瓦斯煤体爆破裂隙发展规律的探讨

本文在现有岩石爆破机理基础上,根据含瓦斯煤体爆破特点,利用断裂力学方法对含瓦斯煤体爆破裂隙发展规律及范围进行了分析探讨,得出了含瓦斯煤体存在次生裂隙区,从而增大了裂隙区范围的结论。并通过模型试验进行验证,试验结果与理论分析相吻合。     

煤矿瓦斯水合化分离试验研究进展

针对煤矿瓦斯利用率低造成的能源浪费和环境污染问题,开展煤矿瓦斯分离与储运应用技术研究具有重要意义。综述了煤矿瓦斯水合化分离的优势和主要方法,包括化学法、机械法、外场作用法和复合强化法,探讨了各种方法在不同工艺条件下的分离效果,并分析了其优缺点。最后通过总结瓦斯水合化法分离的研究进展,指出了工业化应用研究的主攻方向。     

油水乳液强化分离矿井瓦斯的特性

为探究油水乳液体系瓦斯水合物分离特征,利用高压可视搅拌水合分离实验装置结合气相色谱仪,研究了2℃条件下油水体积比、驱动力对瓦斯水合物生长速率和CH4回收率的影响,计算了气体消耗量、水合物体积生成量、水的转化率。结果表明:油水乳液体系水合物浆液具有良好的流动性;相同温度压力条件下,油水体积比1∶1体系瓦斯水合物平均生长速率和CH4回收率均优于7∶3体系,但水合物浆液流动性不及7∶3体系;瓦斯水合物平均生长速率、气体消耗量、水合物体积生成量、水的转化率均随着驱动力的增大而增大;油水体积比1∶1条件下CH4回收率和分离因子随着驱动力的增大而先增大后减小,驱动力为3.0 MPa(压力为7.78 MPa)时CH4回收率最大为24.36%。     

THF对高浓度CH4瓦斯水合分离效果影响实验

为改善高浓度CH4瓦斯水合分离效果,进行了3种初始压力（1.5,2.5,3.5 MPa）影响下高浓度CH4瓦斯（60%CH4,32%N2,8%O2）在摩尔分数为2.5%5.5%的THF溶液中的水合分离实验,结合气相色谱分析结果,考察THF摩尔分数、初始压力对CH4回收率和分离因子的影响;利用Raman光谱技术分析高浓度CH4瓦斯在THF摩尔分数5.5%、初始压力1.5 MPa、温度2℃实验条件下水合产物微观晶体结构特征。结果表明:同一压力下,CH4回收率和分离因子随THF摩尔分数升高呈递增趋势;THF摩尔分数在2.5%4.5%时,CH4回收率随着初始压力的升高先增大后减小,THF摩尔分数为5.5%时,CH4回收率随着初始压力的升高而增大,4种浓度THF溶液中分离因子均随着初始压力的升高而减小;THF参与水合反应并占据大孔穴(51264),为瓦斯气体提供小孔穴(512)骨架,CH4优于N2,O2占据小孔穴,THF—CH4—H2O生成II型水合物。     

煤的吸附孔结构对瓦斯放散特性影响的实验研究

为揭示煤的吸附孔结构对瓦斯放散特性影响机理,选择新疆阜康矿区典型矿井煤样,进行低温氮吸附及瓦斯放散初速度实验,研究了煤的吸附孔特征参数及其对瓦斯放散初速度的影响。结果表明:实验范围内阜康矿区煤的吸附孔中瓦斯的主要放散方式是Knudsen及过渡型;吸附孔各参数对瓦斯放散特性的影响不同,平均孔径越大,瓦斯扩散阻力越小,瓦斯放散初速度越大;孔隙及各孔径下的比表面积和孔容越大,瓦斯放散初速度越小;瓦斯放散初速度与微孔和过渡孔的孔容占比为负线性关系,与中孔的孔容占比为正线性关系,与各孔径下比表面积占比无明显关系;煤的孔隙在研究尺度范围内分形特征显著,瓦斯放散初速度随分形维数的增大而线性减小。     

NaCl对瓦斯水合物相平衡的影响

相平衡条件及其影响因素对瓦斯水合物的快速大量生成具有重要指导意义,利用高压可视瓦斯水合实验装置并结合图解法研究了3种质量分数NaCl溶液(0.5%,2.0%和3.5%)体系中瓦斯混合气(CH4-C3H8-CO2-N2-O2)水合物相平衡条件。结果表明:NaCl改变了瓦斯水合物形成相平衡条件,致使相平衡条件更加苛刻;相同温度条件下,9组实验瓦斯水合物形成相平衡压力较纯水体系升高0.50~2.98 MPa。基于水合离子电离平衡理论建立了瓦斯水合物相平衡NaCl影响机理假说模型,认为NaCl电离出的Na+和Cl-强电场作用对水分子产生作用力,破坏了瓦斯气体分子周围水团簇结构形成。     

褐煤在微波场下的孔隙结构及其分形维数变化特征

为了探究微波辐照对褐煤孔隙结构及表面形貌的影响,将低温氮吸附法和扫描电镜相结合。测定了煤样经微波辐照前后比表面积、孔容、平均孔径及分形维数的变化;通过扫描电镜清楚观察到煤样的孔隙形状及表面形貌。试验表明:随着微波辐照时间/功率的增加,煤样孔隙分形维数值逐渐减小;平均孔径逐渐减小,比表面积和孔容先明显减小随后略微增加;褐煤表面逐渐趋于平整光滑,孔洞收缩。     

煤的分形孔隙结构特征的研究

通过用分形理论进一步研究了煤的孔隙结构,通过煤的孔隙结构分形特征把扎隙结构划分为3种孔隙系统,即大孔、中扎和微孔,探讨了分维D2的物理意义及同煤质的关系,初步提出分维D2可以用来作为煤与瓦斯突出的预测指标。     

THF-SDS对瓦斯水合分离过程温度场分布影响

为探究THF-SDS复配溶液对瓦斯水合反应过程温度场影响,利用配备阵列式温度传感器的水合反应装置,研究了3组促进剂溶液(1 mol/L THF,1 mol/L THF+0.02 mol/L SDS,1 mol/L THF +0.1 mol/L SDS)体系中瓦斯混合气(85%CH4,7%N2,3%O2,5%CO2)水合分离过程温度场分布特征。结果表明：瓦斯水合体系中SDS浓度增加,反应放热速率呈递增趋势(0.030～0.230 kJ/min);反应热导致水合体系温度分布发生变化,体系上层温度最高,下层温度最低,体系中SDS浓度越高,温度梯度越明显;瓦斯水合物导热系数随体系温度分布发生改变(0.529～0.534 W/(m·K)),SDS浓度越高,瓦斯水合物导热系数越大。分析认为,THF-SDS复配溶液改善了瓦斯水合分离热力学条件,提高了气-水转化率,影响了不同水合体系温度场分布。     

十二烷基硫酸钠对瓦斯水合物生长速率的影响

运用可视化瓦斯水合物实验装置,研究了4种浓度（0.4、0.5、0.6和0.7 mol/L）十二烷基硫酸钠溶液对瓦斯体系水合物生长速率的促进效果,实验获取了瓦斯水合物生成过程的压力-时间曲线,利用水合物生长速率模型对水合物生长速率进行了计算。结果分析表明：十二烷基硫酸钠提高了水合物生长速率,促进了瓦斯水合物生成;十二烷基硫酸钠促进作用存在一个最佳浓度,在所研究的各个体系中,0.6 mol/L SDS溶液中瓦斯水合物生长速率最大,9.0 MPa压力条件下生长速率可达3.35×10^-5 m³/h。