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-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-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,     

煤吸附/解吸瓦斯变形特征及孔隙性影响实验研究

煤吸附/解吸瓦斯的力学响应特征是煤与瓦斯突出机制研究中的重要问题。利用煤体吸附/解吸变形试验系统,对取自开滦矿区赵各庄矿9号煤层的原煤样品进行不同吸附压力下的吸附/解吸变形观测,配合高压压汞实验和液氮吸附实验研究煤样吸附解吸变形存在差异的原因。实验结果显示:煤吸附/解吸瓦斯产生的膨胀/收缩变形呈各向异性,卸压初期煤样收缩变形较快,之后变形速率减缓,变形需要很长时间才能稳定;吸附压力越大,瓦斯解吸时煤样的收缩变形越显著;煤的微孔含量和孔隙连续性是影响其吸附解吸变形量、解吸变形速率和残余变形量的主要因素。     

气肥煤与焦煤的孔隙分布规律及其吸附–解吸特征

 采用山东微山菜园矿的气肥煤和山西古交马兰矿的焦煤作为煤样,分别进行压汞试验,测定煤的孔径分布,了解各孔径段孔容、比表面积的分布规律;并且对所采集的两种煤样分别进行平衡水煤样的CH4/CO2混合气体的吸附–解吸试验,从孔隙结构方面分析深部煤层煤对瓦斯吸附的影响。研究结果表明,焦煤比气肥煤具有更为复杂的孔隙结构,具有更丰富的小孔和微孔;煤中微孔的分布决定煤的吸附能力,吸附最有效的孔隙半径是在10 nm以下;焦煤对CH4/CO2二元混合气体的吸附能力强于气肥煤的吸附能力;探讨分析CO2/CH4吸附能力的差异性是导致试验中高压阶段CH4/CO2二元混合气体吸附量小于低压时的现象发生的主要原因。研究煤的孔隙分布规律及其吸附–解吸特征,可以从微观层次揭示深部煤层煤吸附瓦斯的聚气能力,探寻煤吸附–解吸瓦斯的特征和机制,丰富煤吸附瓦斯理论,对煤与瓦斯突出的防治和煤层气资源的开发均具有重要意义。     

气肥煤与焦煤的孔隙分布规律及其吸附-解吸特征

采用山东微山菜园矿的气肥煤和山西古交马兰矿的焦煤作为煤样,分别进行压汞试验,测定煤的孔径分布,了解各孔径段孔容、比表面积的分布规律;并且对所采集的两种煤样分别进行平衡水煤样的CH4/CO2混合气体的吸附-解吸试验,从孔隙结构方面分析深部煤层煤对瓦斯吸附的影响.研究结果表明,焦煤比气肥煤具有更为复杂的孔隙结构,具有更丰富的小孔和微孔;煤中微孔的分布决定煤的吸附能力,吸附最有效的孔隙半径是在10 nm以下;焦煤对CH4/CO2二元混合气体的吸附能力强于气肥煤的吸附能力;探讨分析CO2/CH4吸附能力的差异性是导致试验中高压阶段CH4/CO2二元混合气体吸附量小于低压时的现象发生的主要原因.研究煤的孔隙分布规律及其吸附-解吸特征,可以从微观层次揭示深部煤层煤吸附瓦斯的聚气能力,探寻煤吸附-解吸瓦斯的特征和机制,丰富煤吸附瓦斯理论,对煤与瓦斯突出的防治和煤层气资源的开发均具有重要意义.     

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。     

低频振动对煤样解吸特性的影响

 为研究低频振动对煤样解吸瓦斯性能的影响,研制瓦斯吸附解吸激振与测试系统。试验结果表明,在低频振动作用下,随着频率降低,解吸量和解吸速度增大,衰减速度越快;煤样瓦斯的解吸强度、衰减系数随时间变化逐渐减小。采用瓦斯解吸速度和振动理论的相关知识分析试验结果,认为低频扰动会导致煤的孔隙性减弱、渗透率降低、扩散速率减慢,不利于瓦斯分子的解吸。扰动作用下,吸附伴生分子虽然获得脱附能,但由于扩散速率的减慢,解吸速度很慢,解吸量小;无扰动作用时,煤样原有的孔隙性没有改变,虽然吸附伴生分子没有获得脱附能,然而由于渗透率较大,扩散速率相对较大,解吸速度相对有振动作用时反而较快,解吸量大。因此,低频振动使煤样的孔隙性减弱,增大分子的平均自由程,导致分子在煤样中扩散变慢,同时在运动层面上由于形成数层细小的孔隙层,增加煤样内部的吸附位,从而减缓瓦斯在煤样中的解吸。     

不同煤体结构煤的吸附性能及其控制机理

为研究不同煤体结构煤的吸附性能,采用不同粒径的煤样模拟了不同煤体结构煤,并对其进行了等温吸附实验,实验结果发现,粒径最小的60-80目煤样的吸附量最大,粒径最大的13-25mm煤样的吸附量最小,并且吸附量随着粒径的增大逐渐减小的规律非常明显。构造煤不同温度的吸附实验表明,构造煤的吸附量与温度呈负相关,温度越高,其吸附性能越弱;随着温度的升高,构造煤的吸附量受温度影响逐渐减小。采用低温液氮吸附实验分析了不同煤体结构煤的孔隙特征,从微观孔隙角度揭示了不同煤体结构煤的甲烷吸附性差异的控制机理。     

显微CT观测下的煤吸附甲烷过程中的孔隙

采用μCT225kVFCB型高精度显微CT试验系统和自主研制的细观吸附实验装置,进行显微CT观测下的沁水煤田3#煤层煤样的吸附甲烷实验,通过平面图像和三维重建模型分析试样孔隙随吸附压力的变化规律,得到的结论主要有:试样吸附甲烷后,孔隙率平均下降约3%,但随吸附压力的增加,孔隙率下降不明显;经由平面图像观测,吸附后试样孔隙被充填。根据三维重建实验结果,得到试样吸附甲烷后,最大连通团形成的骨架区域明显缩小,并且模型孔隙率相应降低。     

煤吸附解吸气体变形的力学模型研究

针对煤吸附/解吸气体过程中变形随时间变化的力学行为,对煤体孔隙度方程的隐函数求导,将具有时变性的孔隙度方程引入有效应力系数中,由此建立煤吸附/解吸气体变形问题的力学模型。模型的数值计算结果表明:煤样吸附/解吸气体产生膨胀/收缩变形,变形随时间的增加而增大,直到气体在煤中吸附/解吸达到平衡,煤样的变形才稳定不变;气体压力对煤样的吸附/解吸变形平衡时间及平衡变形量产生影响,气体压力越大,吸附/解吸变形平衡所用的时间越短,平衡时煤样体积应变越大;煤样吸附变形与气体吸附性相关,吸附性更强的CO2气体比CH4气体促使煤样产生更大的膨胀变形。模拟结果与以往实验研究结论一致,证明建立的力学模型能反映煤吸附/解吸气体的变形特征。     

单轴应力–温度作用下煤中吸附瓦斯解吸特征

 利用自主研发的深部煤岩温度–压力耦合瓦斯解吸试验系统,对鹤岗南山矿煤样进行单轴应力–温度作用下吸附瓦斯运移过程。该试验系统通过对煤样施加不同应力和温度,促使煤中原生吸附瓦斯解吸,模拟煤体变形中吸附瓦斯解吸–释放过程。试验中分别在恒温和升温条件下对煤样依次进行单轴破坏和施加围压,实时监测逸出气体压力、流量,抽样检测气体成分和浓度。研究结果表明煤体在单轴压缩破坏过程中出现气体逸出压力降低导致气体回流现象;对破裂煤样施加围压后短时间内排出大量高浓度气体。试验结果证实温度升高是诱发煤样中吸附瓦斯大量解吸因素之一,而煤体内是否存在大量贯通裂隙是影响瓦斯运移的重要因素。     

煤体双重孔隙瓦斯双渗流模型及无因次解算

 考虑瓦斯在煤层中的解吸、放散与渗流,利用达西定律分别描述煤基质与裂隙内的瓦斯运移,以煤基质与裂隙之间的传质通量为桥梁,发展煤体双重孔隙瓦斯双渗流模型,推导无因次模型,并运用有限差分法进行编程解算。结果表明：瓦斯压力、含量在裂隙内的下降速度要远大于煤基质;基质空间内瓦斯压力及含量的分布具有非均匀性及非稳态性;增大裂隙渗透性或煤层瓦斯压力,或减小煤壁表面瓦斯压力,均能导致瓦斯涌出速度的增大;煤体游离瓦斯含量对瓦斯涌出速度影响较小。结合潘一矿煤层瓦斯参数,对比模拟结果和实测数据,验证了煤体双重孔隙瓦斯双渗流模型的正确性。     

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。     

Analysis of coupled gas flow and deformation process with desorption and Klinkenberg effects in coal seams

Coupled gas flow and solid deformation in porous media has received considerable attention because of its importance in pneumatic test analysis, contaminant transport, and gas outbursts during coal mining. Gas flow in porous media is quite different from liquid flow due to the large gas compressibility and pressure-dependent effective permeability. The dependence of gas pressure and gas desorption on gas permeability has a significant effect on gas flow, but has been ignored in most previous studies. Moreover, solid deformation has a direct impact on the porosity, which also leads to desorption or sorption of methane in the coal seam. In this study, a coupled mathematical model for solid deformation and gas flow is proposed and is implemented using a finite element method. The numerical code is used to solve the gas flow equation with Klinkenberg effect, and is validated by comparison with available analytical solutions. Then, it is used to simulate the coupled process during gas migration in a deformable coal seam. The numerical results indicate that the desorption and Klinkenberg effects and mechanical process effect make a significant contribution to gas flow in the coal seam. Without considering the desorption and Klinkenberg effects and the coupling action of mechanical process, the gas pressure in the coal seam would be underestimated.     

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。     

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。     

吸附不同气体对煤岩渗透特性的影响

注CO2或者CO2/N2混合气强化煤层气开采以及进行CO2封存时,气体的吸附/解吸会影响煤岩的渗透特性。采用自行研制的煤岩三轴渗流装置进行恒定有效应力、不同气体压力条件下,煤岩吸附纯CO2,CH4,N2以及不同配比的CO2/N2混合气体对渗透特性影响的试验研究,以探讨煤岩在气体压力以及吸附作用下渗透特性的变化规律。结果表明:(1)气体组分固定的条件下,煤样渗透率随气体压力的增加呈负指数减小。(2)相同气体压力条件下,煤样吸附气体后渗透率都有不同程度的下降,且下降幅度跟吸附气体的组分有关,吸附纯CO2下降的幅度最大,吸附CH4次之,吸附N2最小;吸附CO2/N2混合气时,其中CO2组分浓度越高,煤样渗透率越低,但当N2量达到一定比例时,煤样渗透率会得到改善。(3)气体压力加卸载过程得到的煤岩渗透率–气体压力关系曲线存在滞后现象,这与气体在煤岩中的吸附/解吸曲线滞后有关,因此煤岩渗透率跟压力路径有关。试验结果对于煤矿瓦斯抽采以及CO2或烟道气注入煤层后的储层渗透率的预测与控制具有重要指导意义。     

煤样粒径对煤与瓦斯突出影响的试验研究

 煤与瓦斯突出是发生在煤矿井下生产中的一种极其复杂的地质动力现象,严重威胁着煤矿安全生产。以由不同煤粉粒径压制而成的型煤为研究对象,采用偏光分析软件、应变控制式三轴仪,对型煤物理力学性质进行研究。并在此基础之上,应用煤与瓦斯突出模拟试验台进行不同粒径条件下的煤与瓦斯突出模拟试验,以探索研究煤粉粒径对煤与瓦斯突出特性的影响规律。研究结果表明,煤样粒径影响型煤的物理力学性质进而对煤与瓦斯突出产生明显的影响效果。具体表现在：煤样粒径越小,型煤表面孔隙结构的分形维数越大,其对瓦斯的吸附特性越好,同时其力学强度也越高;突出模拟试验表明,煤样粒径越小,煤与瓦斯突出发生的强度越大,吸附过程中吸附的瓦斯量也越大,但是煤与瓦斯突出过程中的破碎效果则越不明显。     

水分对煤体瓦斯吸附及径向渗流影响试验研究

 为了解水力化钻孔周围煤体瓦斯径向渗流特性,利用自行研制的径向瓦斯渗流试验系统,对青东煤矿突出煤层试样,进行干燥煤样、液态水润湿煤样、吸附瓦斯后高压注水煤样的等温解吸及径向稳态渗流试验。结果表明：(1) 相同平衡压力下,高压注水煤样等温吸附量高于干燥煤样,均显著高于液态水润湿煤样的吸附量。(2) 随含水率增加液态水润湿煤样等温吸附量逐渐降低,呈对数函数关系,得出各系数随吸附压力变化的拟合函数。(3) 相同覆压下,高压注水煤样瓦斯渗透率显著高于干燥煤样渗透率,液态水润湿煤样渗透率略低于干燥煤样渗透率;且液态水润湿煤渗透率随含水率增加而降低,在低瓦斯压力阶段尤为显著。根据试验结果分析水分对径向瓦斯渗流特性的影响机制,并指出水力化钻孔径向瓦斯流动经过原始解吸渗流区、压力水抑制解吸渗流区、液态水自然润湿解吸渗流区3个区域。     

CO2驱替煤层CH4试验研究

 通过对大煤样试件(100 mm×100 mm×200 mm)进行注CO2驱替煤层CH4试验,较真实地模拟在煤层中储存CO2以及驱替开采煤层气的过程。研究发现：CH4在煤体中渗透率与体积应力呈负指数相关规律;煤体对CO2的渗透率高于对CH4气体的渗透率2个数量级以上;随体积应力及驱替压力的不同,单位体积煤体可储存17.47～28.00体积CO2,CO2/CH4置换体积比可达7.03～13.91;在恒定体积应力及驱替压力条件下,CO2注入、CH4置换、产出均能够平稳进行;2种不同煤层CH4含量条件与驱替置换方式下,产出气体中初期CH4含量高达20%～50%,随时间延续产出气体中CH4含量有所下降,但仍能持续保持在10%～16%;驱替压力、驱替速度、注入倍数、煤层CH4含量、储层结构及其渗透性等因素共同决定着CO2/CH4驱替置换效果;在CO2注入煤体进行置换吸附期间,受气体吸附解吸、煤基质自身变形等因素影响,煤体会发生膨胀现象。该研究成果对CO2煤层处置及驱替置换开采煤层气实践具有重要理论意义与指导价值。     

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。