可控源微波场强化煤体瓦斯解吸扩散的机理研究

为了探索可控源微波场强化煤体瓦斯解吸扩散的机理,采用自主研制的可控源微波场作用下煤岩瓦斯解吸实验装置和扫描电子显微镜研究了微波场对煤体的甲烷解吸扩散特性、温度与表面结构形态的影响规律,分析了微波场对煤体的电磁辐射热效应和损伤效应.结果表明:微波在煤体的传播过程中会产生功率损耗,将电磁能转化为煤体的热能,使煤体温度升高并呈现出先快速上升、后保持大致线性增长的特征;微波场对煤体的穿透与选择性吸收的特性,改变了煤体的表面结构形态,使煤体出现诸如失水收缩、矿物界面剥离和碎裂、裂隙张开、形成孔洞等破坏形式.可控源微波场对煤体的电磁辐射热效应与损伤效应的共同作用,使煤体吸附瓦斯的能力降低、甲烷气体分子动能增加、煤体的瓦斯扩散通道更通畅,从而提高了煤体的瓦斯解吸与扩散能力.     

煤粒瓦斯解吸扩散规律实验

进行了不同粒径煤样、不同温度和不同吸附平衡压力条件下的等温吸附-解吸实验.通过对解吸实验前600s实验数据的甲烷解吸率和槡t线性拟合,并结合计算得到了煤粒甲烷的初始有效扩散系数和扩散动力学参数.结果表明:吸附平衡压力越大,初始有效扩散系数越大,瓦斯解吸率越大;温度越高,初始有效扩散系数和扩散动力学参数也越大;煤样的粒径愈大初始有效扩散系数愈大,而动力学扩散参数越小,相同解吸时间内的甲烷解吸率越小.通过Arrhenius方程得到了甲烷解吸扩散活化能的表达式,通过处理数据得到1#和3#煤样的解吸扩散活化能分别为14.38kJ/mol和9.99kJ/mol.     

超声热效应促进煤层瓦斯解吸扩散数值模拟

以声场声能转化为热能,提高煤层系统的温度,改善系统的解吸一扩散为基础,将煤样假设为含有大孔隙和微孔隙基质的双重孔隙结构,引入温度对微孔隙扩散系数的影响,提出了利用温度梯度扩散模型建立超声热效应促进煤层瓦斯解吸—扩散的热平衡方程和物质平衡方程,应用Matlab工具实现了声场促进煤层瓦斯解吸扩散的数值模拟。对有无超声作用下,煤层瓦斯解吸一扩散的数值模拟分析得出:超声热效应可以明显地提高煤样的温度,增大微孔隙扩散系数,提高大孔隙游离气的动态百分数,降低微孔隙中吸附气的动态百分数。为超声波促进煤层瓦斯解吸—扩散,提高煤层瓦斯抽采率提供了分析的理论基础。     

含水煤体钻屑瓦斯解吸指标K_1值的临界值研究

研究采取水力压裂措施后含水煤体钻屑瓦斯解吸指标K_1值随水分的变化规律,得出不同水分下K_1值的临界值。在实验室采用模拟测试的方法对新景矿3号煤层不同水分煤样的瓦斯解吸规律和K_1-p关系进行实验测试。试验结果表明,水能够抑制煤样瓦斯的解吸,钻屑瓦斯解吸指标K_1值随瓦斯压力增大呈幂函数关系增大,随煤样水分增大呈负指数函数关系减小。研究表明,采用实验模拟得出临界压力下K_1值与水分的关系函数,可对采取水力化措施后煤层钻屑瓦斯解吸指标K_1值的临界值进行修正。     

温度对煤体瓦斯吸附特性影响实验分析

为深入探讨温度对煤体瓦斯吸附特性的影响,在分析煤体瓦斯吸附/解吸机理的基础上,深入调查了近十几年来相关学者开展的29组温度对煤体瓦斯吸附特征影响实验,统计了实验结果数据,从概率论与数理统计的角度对实验结果进行了分析,研究了温度对煤体瓦斯吸附特性的影响规律.拟合了吸附量、Langmuir吸附常数与温度的函数关系式.提出了目前实验研究中存在的不足之处,进而确定了今后需要深入研究的方向.研究成果对于促进瓦斯灾害防治及煤层气开发利用理论及技术的发展具有一定的参考价值及指导意义.     

煤体孔径分布特征及其对瓦斯吸附的影响

利用N2和CO2吸附解吸实验,得到了6个矿井煤样的孔径分布特征,并根据吸附解吸实验曲线分析了不同煤样所含孔形状的差异.同时,对所选煤样进行瓦斯吸附实验,分析瓦斯吸附量随吸附压力的变化情况,以及瓦斯吸附能力与孔径分布的关系.根据工业分析和岩相分析结果,对煤样变质程度和水分含量对瓦斯吸附的影响进行了分析.结果表明:煤对气体的吸附量主要集中在微孔段,同时受到中孔的影响,朗缪尔体积受微孔和中孔分布的共同作用,而朗缪尔压力只与微孔有关.水分子与甲烷分子之间存在竞争吸附,水分的存在不利于瓦斯吸附.煤的变质程度与朗缪尔体积之间呈现"U"型曲线关系,而变质程度的增加使朗缪尔压力降低.在煤矿开采过程中,应当采取措施增大煤体孔隙,使微孔比例降低,促进煤层瓦斯的解吸.     

瓦斯压力对煤体冲击指标影响的实验研究

基于突出和冲击地压的主要区别——瓦斯参与程度的不同,从实验的角度出发,利用瓦斯气体密封系统,研究了单轴压缩条件下(有效围压为0)瓦斯对煤体冲击指标的影响规律,提出了鉴别非典型动力灾害的实验方法.结果表明:瓦斯的存在,降低了煤体的冲击倾向性,实验所取煤样在瓦斯压力为0时具备弱冲击倾向,而在2MPa时已无冲击倾向性;但随着瓦斯压力的增加,发生煤与瓦斯突出的几率则不断增加.     

瓦斯压力对瓦斯在煤中扩散影响的实验研究

为了研究瓦斯压力对瓦斯在不同变质程度煤中扩散的影响,采集了我国典型矿区的煤样,采用低温氮吸附法和压汞法对煤样进行了孔隙特征分析,开展了不同压力下煤粒瓦斯吸附-解吸扩散动力学实验,分别采用单孔扩散模型和双孔扩散模型对扩散实验结果进行拟合.结果表明,双孔扩散模型比单孔扩散模型能更准确地描述煤粒瓦斯吸附-解吸扩散全过程.基于双孔扩散模型反演计算大孔和微孔有效扩散系数D_(ae),D_(ie),分析认为:二次多项式函数能很好地描述D_(ae)与压力的关系,在吸附过程中,当瓦斯压力小于某一临界压力时,D_(ae)随着压力的增大而减小,当瓦斯压力大于某一临界压力时,D_(ae)随着压力的增大而增大;在解吸过程中,当瓦斯压力大于某一临界压力值时,D_(ae)随着压力的减小而减小,当瓦斯压力小于某一临界压力值时,D_(ae)随着压力的减小而增大;大孔有效扩散系数均值Symbol`A@D_(ae)越大,临界瓦斯压力值就越大.而微孔有效扩散系数D_(ie)与压力则较好地符合一元线性关系:在吸附过程中D_(ie)随着压力的增大而增大,在解吸过程中D_(ie)随着压力的减小而减小.各煤样在吸附-解吸过程中的扩散特征参数β基本保持不变.     

渗透剂溶液侵入对瓦斯解吸速度影响实验研究

针对瓦斯抽采后回采工作面瓦斯超限问题,利用自主研发的外液侵入条件下瓦斯解吸实验装置,首次实验研究了有、无渗透剂溶液侵入条件下含瓦斯煤体的瓦斯解吸速度变化规律,探讨了利用水锁防止工作面瓦斯超限的可行性与实施途径.结果表明:渗透剂溶液侵入后对瓦斯解吸具有水锁损害作用,在其作用下能够降低和延缓含瓦斯煤的瓦斯解吸速度;水锁对瓦斯解吸的阻碍作用随瓦斯压力水平的降低而增加,尤其在瓦斯压力水平为1.0MPa及以下时表现最为明显;在前1h之内,瓦斯解吸速度降低7%～26%;在12h时除压力水平为1.0MPa的含瓦斯煤体其瓦斯解吸速度降低26%外,其余各压力水平的瓦斯解吸速度均能够降低40%以上,表明随着时间的延长其效果也越明显;在前20min以内存在液置气现象.     

含瓦斯煤体渗透失稳判别式

为了研究含瓦斯煤体渗透失稳发生机理,假设煤层以分层形式发生失稳,提出修正气压梯度指标。应用总应力法,推导临界修正气压梯度的数学表达式,该式表明:临界修正气压梯度与煤体抗剪强度成正比、与煤层圆形(矩形)暴露面半径(短边宽度)成反比。结合该式,对煤与瓦斯突出的一些现象及渗透失稳发展过程影响因素进行了分析,得出失稳分层厚度随气压梯度降低而增加,以及失稳推进速度不是常量等结论。     

含瓦斯煤体非线性渗流模型

以前期获得的实验研究成果为基础,基于力学平衡方程,建立了描述瓦斯气体渗流特征的非线性渗流方程.分析了煤与瓦斯气体分子间的吸附作用对渗流过程的影响.结合自行设计的煤岩渗透特性测试装置,提出了确定非线性渗流关键参数的新方法.结果表明:达西定律需经修正方能描述瓦斯气体在煤体内的流动,煤与瓦斯气体分子间的吸附作用对瓦斯渗流影响显著.含瓦斯煤体内,非线性附加阻力来源于基质膨胀、边界层影响、吸附的动态传质过程.     

瓦斯突出煤体的导电性质研究

瓦斯突出煤体是在瓦斯突出灾害发生前就已经客观存在的地质体，是发生瓦斯突出的必要的物质条件，针对瓦斯突出煤体煤样的特点，采用具有国际先进水平的数字式双频激电仪作为主要观测仪表，建立了集先进性和实用性为一体的瓦斯突出电性能观测系统。通过进行实验室大量煤样的测定，研究了瓦斯突出煤体的导电性质。为利用以电磁法为主的地球物理方法法进行了瓦斯突出煤体探测和瓦斯突出预测提供了物理基础，对减轻和防止煤矿瓦斯突出自     

煤体瓦斯渗透性的电场响应研究

通过试验研究了施加交变电场条件下的煤体瓦斯渗透特性，并分析了其作用机理．研究结果表明，煤体瓦斯渗透率对电场有明显的响应：施加电场后，煤体瓦斯的渗透率提高，并且随着电场作用频率和强度的增加而提高；其作用机理是：外加电场作用使煤瓦斯分子热运动加剧，吸附势阱降低，吸附量降低，活性提高，增强了瓦斯的解吸和扩散，使煤体瓦斯的有效渗透通道增大，这对于提高煤矿瓦斯排放率和煤层气的开发利用，对于防治煤矿瓦斯灾害都有重要的现实意义。     

含瓦斯煤体变形规律的实验研究

瓦斯是煤和瓦斯突出的主要能源,研究瓦斯对煤体的作用具有理论和实践意义。实验表明,当煤体吸附瓦斯后发生膨胀变形,其变形规律基本上服从朗格缪尔方程。当解吸瓦斯后,煤体发生收缩变形,基本上服从指数方程。变形值的大小与煤的变质程度、强度和孔隙性质有关。变形值可以作为预测煤体突出危险性的一项指标,并可用于预测抽放瓦斯措施的效果。     

窝状构造煤体的瓦斯地质特征

窝状构造煤是一种典型的构造煤，其瓦斯含量高，开采时瓦斯大量涌出，影响生产。作者提出了窝状煤体开采时瓦斯涌出的控制措施     

煤体—瓦斯耦合数学模型的数值解法

给出文献［１，２］提出的煤体－瓦斯耦合数学模型的数值解法。介绍了耦合方程的求解策略、线性近似方程、泛函方程及离散方程，最后介绍了有限元程序设计及算例。     

解吸法测定煤层瓦斯压力和瓦斯含量的实验研究

本文实验研究了煤屑的瓦斯解吸规律，实验表明：煤屑的解吸瓦斯流量与煤层瓦斯含量、瓦斯压力密切相关，利用煤屑解吸瓦斯流量可准确测算煤层瓦斯压力和瓦斯含量，该方法具有测定速度快、简单易行、数据可靠等特点，可在现场推广应用。最后提出了利用煤屑解吸瓦斯流量测算煤层瓦斯压力和瓦斯含量的计算方法和计算公式。     

钻井液条件下煤芯煤层气解吸扩散行为及其影响

准确求取钻井液条件下煤芯煤层气逸散量,是确定煤层含气量的关键.基于钻井液条件下煤芯提取过程中煤层气解吸自动模拟实验结果,系统讨论了煤层气压力、提钻速度、煤芯粒度和钻井液密度对解吸扩散行为的影响.结果表明:煤层气压力是决定逸散量的主要内在因素,煤层气压力越大,解吸速率也越大,逸散量也越大;提钻速度是影响逸散量的外在因素,提钻速度越大,逸散量越小,对构造煤影响较小;煤芯中煤颗粒自然粒度影响逸散量,粒度小的逸散量多;提高钻井液密度在一定程度上可以减少逸散量.根据模拟实验数据,拟合得到煤层气压力和逸散量之间的统计关系式.煤芯煤层气扩散解吸是煤层气压力和钻井液柱压力不断寻求平衡的动态过程,因而具有独特的变压解吸行为.     

焦作矿区含瓦斯煤体电阻率变化规律研究

在低频率（100～10000Hz）条件下测试了煤体在吸附瓦斯过程中和含瓦斯煤在三轴压缩条件下的电阻率变化规律．实验结果表明,煤体在吸附瓦斯过程中和含瓦斯煤三轴压缩条件下,电阻率值分别随着吸附时间和应力的增加,出现先大幅度减小后小幅度增大的变化规律．运用电介质物理学理论对含瓦斯煤体导电机理分析表明,电子和离于在煤孔隙表面上的迁移、游离瓦斯对煤颗粒的挤压作用和正负电荷在外电场作用下产生移动,三者共同造成煤体在吸附瓦斯过程和含瓦斯煤体受载过程中电阻率的降低．