瓦斯抽采过程中的煤层透气性动态演化规律与数值模拟

 为了研究煤层瓦斯抽采过程中的煤体渗透性变化规律,基于Kozeny-Carman方程,利用表面物理化学与含瓦斯煤的有效应力理论,建立考虑有效应力变化、瓦斯解吸和煤基质收缩效应的煤层渗透率动态变化模型,并结合数值模拟分析煤层瓦斯抽采过程中煤体透气性动态演化规律。研究结果表明：(1) 所建立的煤层渗透率动态演化模型能较好地描述煤层瓦斯抽采过程中的煤体透气性动态演化规律。(2) 煤体渗透率与煤体孔隙压力之间呈现出“V”字型变化趋势,低瓦斯压力阶段煤基质收缩效应占主导地位,煤层渗透率随瓦斯压力降低而增大;高瓦斯压力阶段有效应力作用占主导地位,煤层渗透率随瓦斯压力降低而减小。(3) 从煤层内部逐渐接近抽采钻孔过程中,煤层瓦斯压力较高时,煤体渗透率先减小后增加;煤层瓦斯压力较低时,煤体渗透率不断增大。研究结果可以为我国煤矿瓦斯治理和煤层瓦斯抽采提供理论支撑,具有指导性意义。     

囊袋封孔器“两堵一注”带压封孔技术在耳海煤矿瓦斯抽采中的应用

瓦斯一直是煤矿安全生产的重大隐患,因此对瓦斯进行综合治理尤为重要。目前应用较广,效果较好的技术是瓦斯预抽采措施,但是钻孔抽采浓度偏低,严重影响煤层瓦斯抽采效果。造成钻孔抽采浓度偏低的因素有很多,(1)钻孔卸压圈裂隙漏气(钻孔半径的5～10倍);(2)巷道卸压带裂隙漏气(巷道宽度的3～5倍);(3)煤层节理裂隙发育导流;(4)封孔充填不实漏气;(5)塌孔堵孔;(6)煤尘或水堵塞抽放管。     

真三维应力状态下煤与瓦斯突出过程中瓦斯压力时空演化规律研究

为进一步认识煤与瓦斯突出动力现象及其能量释放机制,利用多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统开展不同三维地应力条件下的煤与瓦斯突出物理模拟试验,研究突出过程中煤体内瓦斯压力的时空演化过程及其对不同地应力条件的响应规律。结果表明:突出启动后,卸压区的瓦斯压力在下降过程中出现了不同程度的周期性回升现象,卸压区最小主应力方向上瓦斯压力的下降速率随着距煤体断面中心距离的增加而减小,而在最大主应力方向上瓦斯压力的下降呈现出"同增同减"的下降趋势;应力集中区的瓦斯压力下降速率在最小主应力方向上呈现出与卸压区相同的规律,在最大主应力方向上,瓦斯压力下降起始时刻随着地应力的增加而提前,这意味着地应力越大突出扩展至煤层深部的时间越短;瓦斯压力在突出启动初期呈现出半椭圆形压降区,突出过程中煤层内的瓦斯压力下降区向煤层内的扩展是一个减速过程,但随着地应力的增大,瓦斯压降区向煤层深部的推进速率会增大。     

结合孔隙结构分析注水对煤体瓦斯解吸的影响

 为了研究煤体瓦斯的解吸特性受高压注水影响的机制,结合压汞试验测定的煤的沟通孔隙率和孔径分布规律以及煤样注水后水残留在煤样中的质量,对不同煤种一定吸附瓦斯压力在注入不同压力水的条件下,煤体瓦斯解吸规律的差异进行分析。结果表明：(1) 不同煤种在同等吸附瓦斯压力条件下,沟通孔隙率越大,煤体瓦斯解吸能力越强;(2) 相同煤种煤体瓦斯的解吸能力与吸附瓦斯压力大小有关,吸附压力越大,解吸能力越强;(3) 根据煤的孔径分布规律和注水后煤中水的含量,计算出不同注水压力下水进入到煤体的临界孔隙尺度,该值直接影响煤体瓦斯的解吸能力,即临界孔隙尺度越小,解吸率越低;(4) 通过数据拟合得出煤体瓦斯的解吸率与水进入到煤体的临界孔隙尺度符合Langmuir型规律的函数关系式。     

考虑有效应力的钻屑量理论分析及试验研究

考虑深部开采条件下水平地应力作用不能忽略,引入有效应力,推导得到新钻屑量公式,分析给出了有效应力与钻屑量间关系,提出了通过有效应力判断钻屑量方法。在此基础上以典型阜新孙家湾矿突出危险煤层为例,利用自主研制的三维应力煤体钻屑量检测试验装置,改变轴压模拟垂直地应力、围压模拟水平地应力、孔隙压模拟瓦斯压力作用,进行了实验室尺度下钻屑法模拟试验,研究了有效应力、煤层深度、瓦斯压力对钻屑量影响规律。研究结果表明:钻屑量与有效应力呈线性递增关系,试验值略大于理论值,平均误差为7.9%,与前人结论一致,验证了新钻屑量公式有效性及三维应力煤体钻屑量检测试验装置可靠性;随着煤层埋藏深度增大,钻屑量越大,钻屑量与煤层深度呈线性递增规律,且钻屑量随钻孔深度增加呈先减小、后递增、最后缓慢递减规律,在钻孔深度12.5 cm处钻屑量最大,表明此处为应力集中区;钻屑量随瓦斯压力增加,呈指数函数递增规律,瓦斯压力越大,孔壁裂纹扩展越明显,说明瓦斯对煤体软化作用越显著。上述研究结论对该矿深部煤与瓦斯突出预测和防治具有重要参考价值。     

高温条件下煤对CO_2的吸附解吸特性实验研究

为了研究煤在不同环境温度下对CO_2的吸附解吸特性,为利用天然煤层的强吸附性进行CO_2封存或用CO_2驱替煤层瓦斯等技术提供基础依据,针对内蒙古榆林葫芦素煤矿和河南焦作方庄煤矿煤样,在自主研制的高温气体吸附解吸设备上进行定容吸附解吸实验,研究煤样在高温条件下对CO_2的吸附解吸特性。结果表明:在相同温度条件下,同种煤样随着粒径的减小,吸附量逐渐变大,温度越高,吸附量越低,当吸附温度达到150℃左右时,不同粒径煤样的吸附量基本一致;不同粒径煤样,解吸量都随着温度的上升而增加,温度越高,初始时刻累积解吸量的增加也越快;随着时间的增加,解吸速度慢慢减小,最后达到解吸平衡;煤样解吸率随着温度的上升而变大,随着粒径的减小而逐渐增大;当温度上升到150℃以后,不同粒径煤样的解吸量和解吸率趋于一致;同一煤样在相同条件下解吸速度在最初阶段达到最大值,随着解吸的进行,解吸速度迅速衰减,最后趋于同一个值;同一煤样粒径越小,初始时刻的解吸速度越大;同一煤样温度越高,初始时刻的解吸速度越快。     

煤体吸附瓦斯膨胀变形效应的试验研究

为了探讨煤体吸附瓦斯产生膨胀变形效应这一特有的力学行为,利用自行研发的含瓦斯煤岩细观力学试验系统,进行不同瓦斯压力下的吸附膨胀变形试验。试验结果表明:(1)同一煤样在不同瓦斯压力下随时间的变形曲线具有相同的变化规律,煤样的应变变化率随时间逐渐减小,直至一个相对稳定值;(2)煤样的吸附膨胀变形呈各向异性,垂直于层理方向和平行于层理方向的应变整体变化趋势呈现一致性,但由于煤体内部裂隙分布差异,垂直层理方向的变形值明显大于平行层理方向;(3)煤体瓦斯吸附量与体应变量呈现较好的线性关系,以此建立考虑温度、水分、灰分和各向异性等因素的吸附膨胀变形计算方程;(4)利用吸附变形应力与制约吸附变形量的线性关系,以及吸附变形量与瓦斯压力的关系得出吸附膨胀应力计算方法;(5)煤体的吸附膨胀变形具有不可逆性,且吸附气体压力越大,其残余变形值也越大。煤体的膨胀变形效应具有重要的工程应用价值,可作为煤层突出危险性测定的辅助指标,以及应用于煤层透气性的研究。     

静水压力对原煤瓦斯解吸影响的试验研究

 运用自主研制的煤岩热流–固–耦合试验系统,以原煤为研究对象,进行不同静水压力条件下煤体瓦斯解吸试验。基于物理假设,以理想气体状态方程为桥梁,分析密闭环境中解吸瓦斯压力的变化规律。研究结果表明：随着静水压力的上升,封闭系统中煤体瓦斯压力升高0.277%～0.750%。煤中瓦斯压力的变化量δP由两部分组成：孔裂隙压缩引起瓦斯压力的变化量δPV和瓦斯解吸引起瓦斯压力的变化量δPd。随着静水压力的上升,瓦斯解吸引起的瓦斯压力变化量所占总瓦斯压力变化的比例 减小,煤体中瓦斯解吸压力所占初始瓦斯压力的比例ω增大,煤与瓦斯突出等煤矿动力灾害也越容易发生。     

多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统研制与应用

 自主研制了多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统,其结构主要包括主体承载支架、试件箱体、快速推拉密封门、伺服加载系统、数据采集系统和其它附属设备等。该系统主要功能包括煤与瓦斯突出灾害模拟和煤矿开采过程中煤岩层应力变化动态模拟,其主要优势体现在：(1) 箱体尺寸大,模拟相似度高,且密封能力强,可完成6.0 MPa气体压力密封;(2) 地应力加载方式复杂,可实现“三向四级”加载,更加接近地下采动影响下的应力分布状态;(3) 最高64路传感器同时监测煤岩体内部参数,可同时采集煤岩体内不同空间位置的温度、应力和气体压力,实现对煤矿动力灾害过程中参数时空变化规律的研究。利用该装置进行一次成功的煤与瓦斯突出模拟试验,分析结果发现突出过程中煤层中温度和瓦斯压力变化都存在时间和空间上的差异性,具体表现为动力效应明显区域瓦斯压力降低快、温度降低量大,所以通过对物理场变化规律的分析可以了解突出时煤层动力效应的时空变化状态,成果对进一步认识煤与瓦斯突出发生的机制有着十分重要的意义。     

隧道揭煤水力割缝卸压增透技术数值模拟研究及应用

隧道穿越突出煤层相较于煤矿井工开采,具有开挖断面大、施工作业人员密集、工期压力大等特点,发生煤与瓦斯突出、瓦斯燃烧甚至爆炸的危害程度也更高。本文采用理论分析结合数值模拟的方法对隧道穿越突出煤层过程中应力-渗流演化规律进行了研究,同时对比采用水力割缝措施和未采用防突措施情况下煤体抽采效果,并在四川攀大高速宝鼎2号隧道开展现场试验。数值模拟和现场试验结果表明,采用水力割缝技术措施后,割缝钻孔的单孔有效抽采距离是普通钻孔的4.75倍,割缝钻孔瓦斯抽采纯流量是普通钻孔的4倍;煤层的瓦斯含量W值和钻屑解吸指标K_1值均降低至临界值以下,有效地起到防治煤与瓦斯突出的作用。     

抽采长度对煤层气开采效果的影响分析

 运用自主研发的多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统,开展三维应力状态下煤层气开采物理模拟试验,分析不同抽采长度条件下煤储层内气体压力参数的动态演化规律。研究表明：不同抽采长度条件下,气体压力都是从钻孔中心周围开始下降的;抽采前期气体压力下降显著,随着抽采时间的延伸,各测点气体压力值变化速率减小;随着抽采长度的增加,气体压力梯度较大的区域明显扩大,同时会提高瓦斯的解吸速率,抽采效率提高。抽采断面上的等压线则以钻孔为中心,呈圆环状分布,气体主要是汇流至抽采钻孔,层面流场中等压线则以钻孔为对称轴呈漏斗形分布。抽采长度对突出危险消除区域出现时间影响不大,但随抽采长度增加,消除突出危险性所需时间减少;由于应力集中区应力大、解吸速率慢,消除突出危险性抽采所需时间较其他区长。研究成果可为现场合理布置抽采钻孔,提高抽采效率以及确定合理的抽采时间提供一定的理论依据。     

考虑温度影响下煤层气解吸渗流规律试验研究

通过不同温度条件下煤层气渗透率、渗流量测定的试验,研究了温度条件下煤层气渗透率、渗流量的影响因素,得到考虑温度情况下的煤层气解吸渗流规律。利用三维应力条件下煤样吸附解吸试验系统,在三轴渗透仪中加入温度控制系统,测定煤样在温度、围压、轴压和孔隙压力的不同组合情况下的渗透率和渗流量。结果表明,在相同围压、轴压和孔隙压力情况下,煤样渗透率随温度的增加而减少;不同温度条件下,渗透率随孔隙压力的增加均以指数形式递增。在相同围压、轴压和孔隙压力情况下,等温解吸时,煤样渗流量随温度的增加而减少;升温解吸时,煤样20℃吸附、升温至40℃解吸时渗流量比20℃吸附、20℃解吸时明显增加;等温或升温情况下,渗流量随孔隙压力增加均呈现非线性递增关系。这一规律对煤层气热采方式的选择具有重要指导意义。     

封闭体系中煤体升温解吸的热力学特性研究

气体在煤中吸附解吸取决于其压力和温度,气体解吸量随温度升高和压力降低而有所增加。在封闭体系中,温度升高造成煤体解吸量增加,并引起体系压力变大,但同时抑制解吸。吸附态气体和游离态气体相互转化时,伴有能量交换。为研究煤体升温吸附/解吸的热力学特性,依据实际气体状态方程、玻尔兹曼能量分布理论以及两能态模型,得到了吸附热的数学表达式,并在物理实验基础上加以验证。实验结果表明:封闭体系内温度升高,升温促进解吸和加压促进吸附同时作用直至动态平衡,其中温度对解吸的促进作用要强于压力对解吸的抑制作用,体系整体表现为解吸作用;两能态模型能较准确地反映吸附热与温度和压力的变化关系,且吸附热是温度和压力的函数,其值与初始平衡条件有关,初始压力越大,吸附热越小,解吸时间越短,更易达到平衡。     

有效应力对煤层气解吸渗流影响试验研究

以阜新高瓦斯矿井孙家湾矿为例，将煤样放入自制的三轴瓦斯解吸渗透仪中，通过先加载后卸载、连续进行煤层气解吸渗流试验，模拟煤层气在复杂地应力条件下的赋存和运移开采过程，得到有效应力与煤层气解吸和渗流特性间的关系，并拟合了其关系表达式，揭示一些新的相互作用规律：（1）解吸量、解吸时间与有效应力变化规律均呈负指数递减关系，与受载方式无关；（2）有效应力存在一分界点，当小于此值时，解吸量和解吸时间随有效应力增加而迅速提高，而当有效应力大于此值时，两者随之增加幅度不大，对于孙家湾2^#煤样分界点所对应有效应力为3．0MPa左右；（3）存在一临界有效应力值（类似于临界解吸压力），有效应力大于此临界值则解吸量极少或几乎没有，解吸时间趋于0，而孙家2^#岁煤样临界有效应力值为10．0MPa左右；（4）在加载过程中，有效应力与渗透率、渗透系数关系曲线呈正指数减小，这表明煤体在较小的有效应力范围内、孔隙压力不断增加的加载过程中，吸附作用是影响渗透率和渗透系数的主控因素；（5）卸载过程中，有效应力与渗透率和渗透系数呈抛物线关系，这从试验角度证明了煤层气开采中三阶段主导作用的存在，即有效应力主导作用阶段、基质收缩效应主导作用阶段和滑脱效应主导作用阶段。     

煤中瓦斯包分布特征研究

利用红外热成像手段,对不同压力下煤吸附解吸甲烷过程中瓦斯包演化过程进行了观察,并评估其吸附特征与在煤中的分布规律。研究表明:煤中存在不同尺度与甲烷吸附能力的瓦斯包,吸附/解吸甲烷时,煤中瓦斯包比邻近区域具有更明显的升温/降温现象;吸附压力越大,煤样吸附平衡时间越短。通过图像处理的方法对不同吸附压力条件下的红外热像图中的瓦斯包区域进行提取,可有效计算其甲烷吸附特征。计算表明,随着吸附压力升高,煤体瓦斯包中甲烷集中程度降低。在微米尺度下,煤中瓦斯包分布具有分形特征,且分形维数均在1.95~2.00之间。随着吸附压力升高,瓦斯包中甲烷集中程度降低,不同尺度的瓦斯包均发生了连通演化。     

可控源微波场促进煤体中甲烷解吸的试验研究

 针对煤层瓦斯抽采过程中吸附瓦斯难以解吸的技术难题,提出可控源微波场促进煤层瓦斯解吸的新思路,采用可控源微波场作用下煤岩瓦斯解吸试验装置,研究有、无可控源微波场作用下煤体中甲烷的解吸规律,探讨可控源微波场对煤体中甲烷解吸特性的影响机理。研究结果表明,可控源微波场能够促进煤体中甲烷的解吸,使煤体的甲烷解吸速率增大且解吸后期衰减变慢、累计甲烷解吸量增加1.65～3.79倍;有、无可控源微波场作用下煤体的甲烷解吸动力学曲线形态基本一致,且能用动扩散系数模型较好地描述;相同解吸时间条件下,可控源微波场作用下煤体的甲烷扩散系数比无微波场作用时大。可控源微波场对煤体中甲烷解吸特性的影响机理主要在于可控源微波场能够增强煤体中甲烷分子的活性、提高煤体的甲烷扩散系数、改变甲烷解吸过程中煤体的扩散阻力级差,使煤体中甲烷的解吸速度增加、扩散速度加快、扩散阻力减小,从而有利于促进煤体中甲烷的解吸。     

含瓦斯煤渗透率理论分析与试验研究

 从孔隙率的基本定义出发,充分考虑煤基质吸附瓦斯膨胀、热弹性膨胀、受瓦斯压力压缩对其本体变形的影响,首先给出煤体孔隙率与体积应变、温度及瓦斯压力之间的函数关系,再以Kozeny-Carman方程为桥梁,建立扩容前压缩条件下综合考虑有效应力、温度及瓦斯压力共同影响的渗透率动态演化模型。相关试验数据验证表明,所建立的渗透率理论模型具有良好的适用性,能反映出一定条件下的渗透率演化趋势。试验研究表明：煤体孔隙发育程度与渗透率具有较好的一致性,渗透率随孔隙发育程度的增高而增大;当温度和瓦斯压力一定时,渗透率随有效应力的增大而减小,并且瓦斯压力越低减小趋势越明显;有效应力和瓦斯压力一定时,渗透率随温度升高而减小,但其减小幅度基本不受有效应力变化的影响;温度和有效应力一定时,渗透率随瓦斯压力的升高呈先急剧减小而后逐渐平缓的趋势。含瓦斯煤渗透率与有效应力、温度和瓦斯压力之间关系的研究,为有温度场参与的多场耦合问题的研究提供理论基础,也为高温矿井瓦斯抽放率的提高提供技术支持。     

高压注水对煤体瓦斯解吸特性影响的试验研究

 为了研究高压水作用后的煤层瓦斯解吸特性,依据地面水力压裂煤层抽采煤层气的方案和工艺,设计一系列含瓦斯煤体注水后的解吸特性试验,说明实际状态下的含瓦斯煤体在受到高压水的长期作用后解吸能力及规律的变化。试验装置采用自主研制的吸附–注水–解吸成套设备,分阶段地进行吸附、高压注水和解吸试验,对于不同煤种同等吸附压力下、相同煤种不同吸附压力下的块状原煤进行自然解吸和不同压力下的高压注水解吸试验,以获得不同条件下试验煤体的瓦斯解吸规律。结果表明：(1) 在相同吸附平衡压力下,试验用1–1#贫煤的自然解吸率为56.17%,略高于试验用2–1#无烟煤的51.50%,与矿井实际的条件相同;(2) 水对含瓦斯煤体的解吸特性影响较大,等压注水后的1–1#,1–2#和2–1#煤体的瓦斯解吸率分别为40.15%,47.17%和 27.09%,只有自然解吸时的50%～70%,无烟煤的影响最大,较高瓦斯吸附压力下的贫煤影响最小;(3) 随着注水压力的增加,最终解吸率逐渐呈非线性的规律衰减,在注水压力达到一定极值后解吸率会保持稳定;(4) 解吸的时间效应与注水有关,自然解吸在较快时间内可以达到平衡,而注水后的解吸达到平衡的时间有不同程度的增加。