原生结构煤与构造煤孔隙结构与瓦斯扩散特性研究

为了研究原生结构煤与构造煤孔隙结构与瓦斯扩散特性,采用压汞、低温液氮、二氧化碳吸附和稳压吸附试验对试验煤样进行研究。分析了原生结构煤与构造煤的孔隙结构特征,以及在颗粒条件下吸附瓦斯的时间效应,获得原生结构煤与构造煤孔隙的复杂程度与瓦斯在煤粒中运移快慢的关系。研究表明:祁南矿和大宁矿原生结构煤的微孔孔长度分别为8.087×10~(10)m/g和1.202×10~(11)m/g,而构造煤的微孔孔长度分别为6.932×10~(10)m/g和1.090×10~(11)m/g;给定试验煤样条件下,原生结构煤吸附达到平衡状态需要的时间远大于构造煤,构造煤在前3 min的平均吸附速率分别为原生结构煤的3.3和3.8倍;煤样中的微孔孔长度越小,瓦斯在煤中的扩散路径越短,运移所需时间越少,在初期吸附的瓦斯量越大。     

煤体结构与甲烷吸附/解吸规律相关性实验研究及启示

甲烷(CH_4)在煤体中的流动包含"渗流—扩散—吸附/解吸"3个环节,相比粉状煤,采用块状煤体进行CH_4吸附/解吸实验能够更有效地表征煤层中气体的流动状态。为此,依托渭北煤田韩城矿区煤样,利用自行设计的块煤吸附/解吸实验装置,研究了低压下块状同体积原生结构煤、碎裂煤和糜棱煤的CH_4等温吸附/解吸特性;采用显微CT和扫描电镜分析了3种煤样的孔裂隙结构和显微构造,探讨了煤体结构对CH_4吸附/解吸的影响。结果表明:不同煤体结构煤的CH_4吸附/解吸特性有显著差异。结构致密的原生结构煤,孔隙度较低,导致CH_4吸附/解吸平衡时间长,吸附量低,解吸率低;相比原生结构煤,脆性变形碎裂煤张裂隙发育且相互贯通,孔隙度变大,连通性好,导致CH_4吸附/解吸平衡时间变短,吸附量升高,解吸率增大;韧性变形糜棱煤孔隙数量虽增多,但裂隙被揉皱闭合,形成孤立分布的孔隙结构,渗透性变差,导致CH_4吸附/解吸平衡时间最短,解吸速率最快,说明大多数CH_4仅吸附在块煤内构造变形作用下形成的粒间孔隙中。可知,碎裂煤储层是煤层气开发的有利区域;而致密原生结构煤和糜棱煤储层可尝试通过多尺度压裂、注热等技术手段实施储层改造以增加煤体裂隙通道,达到气井增产增效的目的。     

基于吸附动力学理论分析水分对煤体吸附特性的影响

为了研究块裂煤体在不同储水状态下的吸附特性差异,选用潞安余吾煤矿的贫煤和阳煤开元煤矿的无烟煤并加工成Φ100 mm×150 mm的大块圆柱体煤样,保留了煤体原有的裂隙,基于吸附动力学理论,采用自主研制的吸附-注水成套实验系统,针对两煤种设计了6种不同含水率下的瓦斯吸附特性实验,并对同等初始条件下的定容吸附速率进行了研究。结果表明:水分作用下,对于相同初始压力下的定容吸附,1号和2号煤样干燥时的吸附速率分别是饱和含水时的16倍和22倍,吸附量分别是饱和含水时的5倍和32倍,通过孔隙测定结果,证实1号煤样具有更为发育的孔隙裂隙通道;关于终态吸附量随含水率的增加而降低的趋势,1号煤样是非线性的,但2号煤样呈现较好的线性衰减。     

贵州典型矿区突出煤孔隙结构及其吸附特性实验研究

为了完善贵州区内突出煤的孔隙结构和吸附特性等物理特性,基于煤的孔隙结构和吸附特性对于瓦斯(煤层气)抽采与防治煤与瓦斯突出的重要性,采用相关仪器测定了贵州突出煤的孔隙结构和吸附特性,并分析了实验结果。结果表明：突出煤样平行层理表面均存在一定数量的晶体物质和微孔;突出煤样垂直节理表面可见一道或几道平行或交叉的且大小不一的裂隙;突出煤样的孔隙或裂隙孔径大部分在0~10 nm之间,孔径为3~5 nm的微孔在煤样中最为丰富,为瓦斯(煤层气)主要吸附空间;当相对压力达到0.8左右时,瓦斯吸附量会急剧上升;突出煤样瓦斯吸附量存在较大差异,孔容大的吸附量大。     

突出孔洞构造煤与原生结构煤瓦斯吸附特性对比研究

为研究突出孔洞构造煤与原生结构煤孔隙特征对瓦斯吸附特性的影响,以三甲煤矿突出孔洞构造煤和原生结构煤为研究对象,运用压汞和液氮吸附实验相结合的方法对不同结构煤体孔隙结构进行研究;结合Menger几何模型分析不同结构煤体孔隙分形特征,进一步阐述孔隙结构分形特征对瓦斯吸附特征的影响。结果表明:原生结构煤与突出孔洞构造煤均存在滞后环,且突出孔洞构造煤的滞后环明显大于原生结构煤的滞后环;突出孔洞构造煤分形维数大于原生结构煤,突出孔洞构造煤孔隙复杂程度比原生结构煤高,突出孔洞构造煤孔隙复杂程度为瓦斯的吸附准备了良好条件;突出孔洞构造煤整体孔隙发育情况比原生结构煤要好,微孔、小孔阶段孔隙发育情况远大于原生结构煤。     

构造煤纳米级孔隙对瓦斯吸附能力的影响研究

为研究煤的纳米级(100 nm)孔隙对瓦斯吸附能力的影响,对3种不同煤样的原煤和构造煤孔隙结构进行研究,并建立温度-压力综合吸附模型分析煤体的吸附瓦斯能力。研究结果表明:纳米级孔隙(孔径小于100 nm)是煤对瓦斯吸附强的决定因素,纳米级孔隙微孔的比表面积是影响瓦斯吸附量的主要因素;在相同温度压力下,古汉山矿煤样瓦斯吸附量是薛湖矿煤样和平顶山矿煤样的1.3～1.8倍和1.02～1.2倍;微小孔的孔容与瓦斯吸附量呈现出明显的正相关;通过建立温度-压力模型预测瓦斯吸附量是可行的。     

构造煤与原生结构煤吸附放散特征研究

本文研究了5对矿井的两种煤样的吸附与放散特性。吸附实验发现构造煤与原生结构煤相比吸附量有所增加,但增加幅度不大,且这种变化的幅度随着变质程度降低而逐渐变大。构造煤煤样的Langmuir吸附常数"a"值均比原生结构煤较大,变化幅度约为1%~4%,而"b"值却没有明显的变化规律。对比原生结构煤与构造煤的煤体表面吸附自由能估算结果得知大部分构造煤样的比表面自由能有所提高,吸附的表面活性增大。瓦斯放散实验发现,构造煤的瓦斯放散初速度变化相对较大,除麒麟矿外,变化幅度在14%~25%之间。这说明构造煤具有更强的放散瓦斯能力。在长期的地质应力作用下,构造煤煤体更加破碎,不仅吸附能力得到了一定的提高,瓦斯能更加顺利的放散。这也是地质构造带具有更大的瓦斯突出危险性的一个原因。     

高阶原生煤与构造煤的孔隙及分形特征研究

为了研究高阶原生煤和构造煤的孔隙结构与分形特征，采用压汞法、低压N₂吸附法和低压CO₂吸附法对所选的煤样进行了研究，比较了原生煤与构造煤之间的孔径分布、孔容和比表面积、孔型和连通性以及分形维数差异。结果表明：构造煤以开放型孔为主，并比原生煤具有更好的连通性；原生煤和构造煤二者的Dubinin-Radushkevic(D-R)和微孔比表面积之和都占到了总比表面积的99%以上，从而为瓦斯的吸附提供了更多的空间；构造煤较大的孔容和比表面积造成其高瓦斯含量的特征；构造煤渗流孔孔隙简单，吸附孔孔隙结构复杂性较低，孔隙表面相对光滑，提高了瓦斯在孔隙中的运移能力。     

余吾矿构造煤吸附动力学特性

针对构造煤瓦斯吸附动力学特性,以山西潞安余吾煤矿为工程背景,选取了4种不同破坏类型的构造煤样,进行了压汞测试和瓦斯等温吸附实验,获得了煤体孔隙分布特征和瓦斯吸附动力学曲线,并分析了吸附压力、吸附量及吸附速率随时间的变化规律。研究结果表明:吸附压力随吸附时长的增加而不断降低,在吸附开始的前20 min内压力急剧降低,降幅高达60%以上;随吸附时长的增加,各煤样瓦斯吸附量经历了先急剧增大再缓慢增加最后达到平衡的非线性变化过程;吸附速率曲线表明,随煤体破坏程度的增加,瓦斯吸附速率逐渐增大,吸附性增强。不同破坏类型构造煤孔隙分布差异显著,进而影响瓦斯吸附动力学特性,在煤矿瓦斯治理和煤层气开发中应予以考虑。     

构造煤的瓦斯放散特征及孔隙结构微观解释

采用恒温煤粒瓦斯放散试验方法,研究了构造煤和原生煤瓦斯放散过程的差异性,结果表明构造煤在瓦斯放散初始1 min的瓦斯解吸量是原生煤的2.15~4.06倍,构造煤趋近极限瓦斯解吸量所需时间不足原生煤所需时间的25%,原生煤的极限瓦斯解吸量略高于构造煤,构造煤与原生煤对典型瓦斯放散数学表达式的适用性存在很大不同。为解释试验结果,采用压汞法和低温氮吸附法对煤的孔隙结构进行测试,分析得到中孔及大孔分布是导致构造煤和原生煤瓦斯放散特征差异的主要因素,大分子结构等其他因素对瓦斯放散特征的影响有待于进一步研究。