逆断层区域采动煤体渗透率模型构建及应用北大核心

逆断层区域构造应力与地应力叠加,挤压应力形成的力学特点导致瓦斯积聚,煤体渗透率发生改变,采掘期间容易引起瓦斯涌出异常,甚至发生煤与瓦斯突出事故。为了掌握逆断层区域采动煤体渗透率演化规律,首先开展了逆断层区域采动煤体渗透率测试试验,通过应力加卸载方式模拟逆断层影响下采动煤体应力变化,得出:在峰前阶段,煤体压缩、裂隙闭合,煤体渗透率降低;峰后阶段,煤体应力达到峰值,原有裂隙扩展连通,同时产生新裂隙并出现损伤,煤体渗透率增加并达到最大值;第1组加载方案模拟工作面前方煤体应力集中系数逐渐增大条件下,M1、M2和M3煤样的渗透率分别提高了22.1%、28.0%和36.7%,第2组加载方案模拟模拟工作面前方煤体应力集中系数先增大后减小条件下,M4、M5和M6煤样的渗透率分别提高了23.6%、37.2%和20.8%。然后结合煤体渗透率试验结果,建立了逆断层影响下采动煤体渗透率表征模型,推导出煤体峰前和峰后阶段渗透率计算表达式,用瓦斯吸附/解吸造成煤体体积应变的函数来表示吸附/解吸对煤体裂隙体积的影响,从而更加准确的表征逆断层影响下采动煤体渗透率。最后将渗透率模型导入COSMOL软件,结合新春煤矿1503工作面F4逆断层现场情况进行模拟计算,得出随着与逆断层距离减小,煤体应力集中系数增大的情况下,煤体瓦斯压力和渗透率峰值均逐渐增大,容易造成瓦斯涌出异常,需要加强瓦斯浓度监测。     

逆断层区域采动煤体力学特征北大核心

为研究逆断层影响区域煤体在采动路径下的力学特征,以新春煤矿1503回采工作面为研究对象,建立逆断层区域采动煤体应力分析模型,计算得出随着工作面与逆断层距离减小,工作面前方采动煤体应力集中程度逐渐增加的变化特征,并采用KBJ-60Ⅲ-1型回采支架工作阻力连续记录仪记录工作阻力,验证了理论计算的结果;基于采动煤体应力变化规律开展煤体力学特征试验,设计3种应力加载方案模拟与逆断层不同距离采动煤体的应力变化,得出煤体力学特征与距逆断层的距离有关,距离逆断层越近,煤体偏应力峰值和应变相对越大,与距离逆断层5m的M1煤样相比,距离逆断层65 m的M3煤样偏应力峰值和轴向应变分别上升了40.74%和26.73%;通过能量分析方法得出与逆断层不同距离的采动煤体裂隙发育特征不同,距离逆断层越近,采动煤体内部存储的弹性相对最高,也消耗更多的能量用于煤体破坏和裂隙扩展。     

低温液氮作用下煤体瓦斯吸附特性试验研究

液氮致裂煤层增透技术具有良好的发展前景,而针对低温液氮作用下煤体瓦斯吸附特性研究目前尚不完善,大部分研究处于初步研究阶段;为了对液氮冻融作用及试验初始温度作用下的煤体瓦斯吸附特性变化规律及变化趋势进行研究,选取新疆硫磺沟煤矿煤样作为研究对象,利用PCTPro高压气体吸附仪对试验煤样在不同液氮冻融时间(0、30、60、90、120 min)及不同试验初始温度(30、40、50、60、70℃)条件下的吸附特性进行了研究,得出了不同液氮冻融时间及不同试验初始温度条件下煤体瓦斯吸附量、吸附增量及煤体瓦斯饱和吸附量的变化,并根据试验结果选取了3种吸附理论模型对试验结果进行拟合,分析拟合效果对吸附理论进行优选。归纳煤体在2个变量影响下吸附特性的变化。研究结果表明:煤体瓦斯吸附量随液氮冻融时间增加而逐渐增大、随试验初始温度增大而逐渐减小;煤体瓦斯饱和吸附量随液氮冻融时间增加呈上升趋势、随试验初始温度增加呈下降趋势。在2个变量条件下进行不同理论模型拟合,结果表明Langmuir理论模型拟合效果最好,其拟合度最高,误差范围小; 2个变量影响条件下,Langmuir理论模型中吸附常数b无明显规律,其影响因...     

基于恒温动态吸附解吸试验的瓦斯解吸方程探讨

为了研究煤层瓦斯赋存、瓦斯吸附解吸规律以及瓦斯流动理论,设计了瓦斯吸附解吸的试验方案,研究了同一煤质、不同粒径煤样的等温吸附解吸特性.研究表明:定压动态下的瓦斯解吸量与时间的变化曲线与前人得到的函数曲线能够很好地吻合,建立了瓦斯吸附解吸的数学模型,发现煤样压力和煤样粒径分别对解吸量Q函数中的吸附常数a和b有影响.并通过恒温变压吸附解吸试验,分析了在解吸过程中突然改变煤层压力时的解吸方程,结果表明,改变解吸过程的煤层压力,煤体的解吸过程依然符合瓦斯吸附解吸数学模型.     

不同温度及注水压力条件下瓦斯解吸特性实验

为了研究高压注水后含瓦斯煤体的恒温及升温解吸规律,采用自主研制的吸附-注水-加热-解吸成套实验系统,针对不同条件下含瓦斯煤体的解吸特性,从沁水煤田古城煤矿和高河煤矿现场取样,进行了相应的实验研究,得出含瓦斯煤体在不同注水压力、不同吸附压力和不同温度条件下,其解吸特性的变化规律。实验结果表明:相同吸附压力下的未注水自然解吸,高河煤样的解吸率高于古城煤样;随着注水压力的增加,恒温条件下含瓦斯煤体的解吸率呈非线性规律衰减,当到达一定高的注水压力时,衰减会趋于稳定;升温可以有效促进注水后含瓦斯煤体的解吸,并且随着注水压力的增加,加热的促进作用越明显。     

突出煤体的瓦斯解吸特征及其影响因素分析

在适宜的外界条件下,煤体中的吸附瓦斯迅速解吸为游离瓦斯后可释放出巨大的能量,从而产生强烈的气体动力效应。通过理论分析得出影响瓦斯解吸速度的重要因素——瓦斯的浓度梯度和孔壁产生的能垒。在一定的煤层条件下,吸附瓦斯浓度梯度取决于外部裂隙中高压瓦斯的释放速度,而孔壁的能垒与煤体的粒度关系密切。研究分析了不同吸附压力和煤样颗粒对瓦斯解吸特征的影响,得出瓦斯解吸速度和解吸量随孔隙压力和煤体破坏程度变化的规律。     

贫煤孔隙特征及其对瓦斯解吸的影响

为了研究贫煤孔结构特征对瓦斯解吸规律的影响,采用低温液氮吸附法针对5个贫煤煤样的纳米级(100nm)孔隙结构进行了分析。同时根据瓦斯解吸实验,将实验结果与煤的孔隙结构特征相结合,分析纳米级孔隙结构对煤体瓦斯解吸的影响。结果表明:贫煤的小孔(10~100nm)和微孔(10nm)发育,微孔主要占据了孔隙的比表面积,决定瓦斯解吸特性,在相同平衡压力条件下,瓦斯解吸量随比表面积的增加而增加,呈现出较好的线性关系;孔比表面积是影响解吸量的主要因素,而孔容与瓦斯解吸量的关系不明显。研究结果对煤矿瓦斯涌出量预测具有重要意义。     

温度场变化对高压注水煤体瓦斯解吸量影响规律研究

通过不同温度条件下煤与瓦斯吸附、解吸实验,研究了煤与瓦斯吸附、解吸的微观机理,重点分析了高压注水对煤体瓦斯吸附、解吸的影响规律.利用具有压力控制单元和温度控制单元的煤样吸附解吸实验系统,测定煤样在不同温度下瓦斯的解吸量,通过吸附压力降低曲线计算出了吸附速率.     

不同煤体结构煤的吸附性能及其孔隙结构特征

煤的吸附能力是决定煤层含气量的重要参数。采用沁水盆地东南部赵庄井田二叠系山西组3号煤4个不同煤体结构的高煤阶煤样,通过等温吸附试验分析了不同煤体结构煤样在不同温度和压力下的吸附性能;同时对不同煤体结构煤样进行了低温液氮吸附实验,分析了不同煤体结构煤的孔隙结构特征,从煤体孔隙结构层面分析了不同煤体结构煤的吸附控制机理。结果表明：煤样升压吸附符合Langmuir等温吸附方程,饱和吸附量随煤体破坏程度的增加而增高,随着温度的增高而降低。随着煤体破坏程度的增高,孔容和比表面积也相应增大,孔容主要由中孔贡献,比表面积主要由微孔贡献,糜棱煤的孔容和比表面积在不同孔径阶段均最大,其次为碎粒煤、碎裂煤和原生结构煤;低温液氮吸附实验结果与等温吸附试验反映一致规律,这些说明,在同一地质条件下,煤体结构破坏越严重的地区煤层含气量越高。     

煤体电阻率随吸附/解吸瓦斯变化特性实验

通过利用高精度电阻测试实验装置,对煤样在连续吸附/解吸与等体积吸附/解吸条件下的电阻值变化规律分别进行测定,以研究吸附/解吸瓦斯对煤体电阻率的影响。研究结果表明:吸附/解吸瓦斯对煤体电阻率具有明显的影响,且煤样在连续吸附/解吸与等体积吸附/解吸条件下呈现出相同的规律,即:在吸附瓦斯过程中,煤体电阻率随着瓦斯吸附量先逐渐减小,后趋于平稳;而在瓦斯解吸过程中,煤体电阻率与煤中瓦斯含量呈线性关系。不同吸附方式下,对比同一瓦斯含量对应的电阻率,可以发现等体积吸附实验电阻率改变较连续吸附实验明显,且等体积解吸结束时,煤体电阻率距离原始值较远。     

海孜煤矿9煤层煤样瓦斯解吸规律研究

为了研究海孜煤矿9煤层煤体的瓦斯解吸规律,在实验室对煤样进行了5种不同瓦斯平衡压力下解吸量的测定,通过对解吸数据进行分析处理,发现瓦斯平衡压力与煤样的解吸具有正相关性,对数公式能相对准确地描述煤层的瓦斯解吸规律。对数公式中系数A与瓦斯平衡压力满足指数关系,得到了针对本煤层的指数公式。利用现场煤样瓦斯解吸曲线拟合系数A与指数公式可以对煤层瓦斯压力进行推算,现场验证效果较好,具有较高的应用价值。     

瓦斯压力对煤体吸附-解吸变形特征影响试验研究

以松藻煤电公司渝阳煤矿8#突出煤层原煤试样为研究对象,开展了不同瓦斯压力条件下的煤体吸附-解吸变形试验。研究结果表明:含瓦斯煤体吸附-解吸变形动态曲线可划分为抽真空压缩变形阶段I、吸附膨胀变形阶段II、解吸收缩变形阶段III等3个阶段;煤体的吸附-解吸变形具有明显的各向异性特征,但横纵向变形量比值随时间和压力变化不明显,趋于定值;含瓦斯煤体体积变形随吸附/解吸压力的增大呈线性增加,吸附/解吸时间越长,线性斜率越大;含瓦斯煤体吸附-解吸变形不可逆,残余变形量随气体压力增加而增大,且纵向变形对煤体残余体积变形贡献相对较大。     

注水对煤层吸附瓦斯解吸影响的试验研究

水力化措施在煤矿开采中广泛应用,为了研究注水对煤层瓦斯解吸的影响,采用高压吸附-注水-解吸测试装置对不同吸附平衡压力和水分条件下煤对瓦斯的置换解吸量、卸压解吸量及总瓦斯解吸量进行了测试计算。结果表明:注水过程中及注水一段时间内煤样罐瓦斯压力呈现出继续增高的趋势,说明注入的水置换出了煤体吸附的瓦斯,且水分越高,置换解吸量越大,测试的最大置换量可达11.88 mL/g;卸压后,注水煤样的瓦斯解吸量减小,且水分越大,瓦斯解吸量降幅越大,降幅最大值可达68.29%;注水后煤的总解吸量增大,说明注水对试验煤样的瓦斯解吸起促进作用。     

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。     

粒径、水分对煤中甲烷的吸附-扩散实验研究

为了研究粒径、水分对煤中甲烷的吸附、扩散影响,进行了甲烷等温吸附-扩散实验。选取潞安古城矿区3号煤,制成60~80目的煤样,在30℃恒定温度,相同的平衡压力条件下进行吸附扩散实验,对比分析研究甲烷在不同粒径、含水煤样中的扩散量、扩散速度的差异。通过实验发现:在相同的吸附平衡压力下,同一水分不同粒径煤样,同一时间大粒径煤中甲烷扩散量和扩散速度均小于小粒径的扩散量和扩散速度;同一粒径不同含水煤样,同一时间煤样含水量越小,瓦斯解吸量越大,水分对瓦斯解吸起着明显的抑制作用,煤样含水量越高,同一时间瓦斯解吸速度越小,随着时间的增加解吸速度逐渐缓慢。研究不同主控因素下的甲烷扩散规律,对煤层气开发和矿井瓦斯灾害防治有很好的指导意义。     

煤低压吸附瓦斯变形试验

在瓦斯抽采和煤炭开采过程中,始终伴随着煤对瓦斯的吸附和解吸,煤吸附瓦斯发生膨胀变形,解吸瓦斯发生收缩变形。利用自制的吸附解吸试验装置,测试了煤在低压吸附瓦斯过程中煤体变形规律。试验结果表明：煤样在同一瓦斯压力下的吸附变形分为快速增长、缓慢增长、平衡3个阶段;煤体吸附瓦斯膨胀变形呈各向异性,垂直层理方向和平行层理方向的变形整体变化趋势呈现一致性;在等梯度加压吸附过程中,随着吸附瓦斯压力的不断增大,煤样吸附膨胀变形梯度值逐渐呈增大趋势;一次加压吸附煤膨胀变形量小于等梯度加压吸附至相同吸附压力值时的累积变形量。     

电位梯度对电化学改变贫煤瓦斯吸附解吸特性的影响实验研究

选用3种电位梯度分别对东曲矿贫煤进行电化学改性实验,对改性前后的煤样进行瓦斯吸附解吸测试,并通过低温液氮吸附测试和红外光谱测试分析改性前后煤样孔隙结构和表面基团的变化。结果表明:未改性贫煤煤样的饱和吸附量为30.030 mL/g,煤样的Langmuir压力为0.876 MPa,最终解吸率为83.204%,经1、2、4 V/cm 3种电位梯度电化学改性后,煤样的饱和吸附量分别降低为29.239、28.329、26.667 mL/g;Langmuir压力分别升高为0.932、1.042、1.048 MPa;最终解吸率分别提高84.235%、85.541%和87.840%;电位梯度越大,改性后煤样的比表面积越小,平均孔径越大,含氧官能团数量越多,故抑制瓦斯吸附、强化瓦斯解吸的效果越好。     

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。     

煤的分形维数及其对瓦斯吸附的影响

为了从分形的角度研究煤体性质对瓦斯吸附的影响,采用高压容量法测试了8种煤样的瓦斯吸附能力,并根据Langmuir方程拟合得到了表征煤样吸附能力的参数Langmuir体积和Langmuir压力。同时,根据液氮吸附实验,利用分形理论计算得到了煤样的分形维数,并研究了分形维数对瓦斯吸附的影响。研究结果表明：煤样在不同压力段时具有不同的吸附特性,因此具有不同的分形维数D1和D2。D1和D2对瓦斯吸附的影响作用不同,随着D1的增大,煤体吸附瓦斯的能力增强,而随着D2的增大,煤体吸附瓦斯的能力减弱,而且,D1对吸附能力的影响作用比D2强。随着D1的增大,Langmuir压力逐渐减小,煤样在低压段的吸附能力增强,煤体更容易吸附瓦斯,而D2对Langmuir压力无显著影响。     

密封取样煤的瓦斯解吸规律实验研究

基于自制的煤体瓦斯吸附-解吸实验装置,实验室模拟了反转密封取样过程,开展了不同吸附平衡压力下和不同密封时间的瓦斯解吸实验。针对实验过程中的煤样瓦斯吸附平衡-卸压-密封过程,分析了煤样罐中的瓦斯压力变化。结果表明:卸压密封过程瓦斯压力逐渐增大,是一个由非平衡状态向吸附平衡状态转变的过程,理论上随着时间的延长,最终趋向于吸附平衡状态。密封取样的瓦斯解吸是非平衡状态下的瓦斯解吸过程,其初始瓦斯解吸量明显大于常规解吸的瓦斯解吸量,随着吸附平衡压力的增大和密封时间的增大,初始瓦斯解吸量越大,其解吸规律与常规解吸基本相似。