氧在散体煤中的分形反应动力学研究

定义了散体煤的概念,分析了散体煤的结构,应用分形几何理论,分析了氧气在分形散煤体中的运移规律,推导了散体煤粒度分布维数、孔隙分形维数和粒度与孔隙分维的关系表达式.引入分形概率密度的概念,建立了氧气在散体煤中的分形扩散方程和散体煤颗粒分形表面氧气吸附速率方程.     

软煤体孔隙结构及其分形特征研究

为了研究软煤体孔隙结构特征及其对煤体瓦斯赋存、流动特性的影响规律,基于分形理论,采用扫描电镜、低温氮吸附实验等方法,分析澄合矿区典型软煤体的微观孔裂隙结构及连通情况等,运用盒维数算法测算煤样微结构分形维数及分布情况。研究结果表明:澄合矿区软煤体孔隙、裂隙比较发育,孔洞与裂隙之间的连通性较好,软煤体孔隙形态复杂,较高的孔容值使软煤体具有较大的瓦斯吸附空间,一端几乎封闭的不透气性孔及细颈瓶状孔等孔型有利于瓦斯的吸附聚积,不利于瓦斯的扩散运移。研究结果可为深入研究软煤体微结构性质及软煤体中瓦斯运移规律提供理论依据。     

淮北朱仙庄矿构造煤孔隙结构及其分形表征研究

基于压汞法对淮北朱仙庄矿的构造煤孔隙发育特征进行了研究,采用Menger海绵模型对样品的渗流孔和扩散孔发育特征进行了研究。研究结果表明:构造对孔隙结构的改造作用随着孔隙尺度的减小而减弱,煤体结构变形增强,大孔和中孔的孔容增幅显著,过渡孔孔容有一定程度的增加,微孔孔容变化很小,孔隙结构变得复杂;分形维数对构造煤孔隙结构特征和煤体变形特征具有良好的表征作用,随着煤体变形增强,分形维数呈增大趋势,脆性变形阶段分形维数缓慢增大,样品分形差异逐渐变大,韧性变形阶段,分形维数显著增加,样品分形差异性相对减小。随着分形维数的增加,样品的孔容和孔隙度呈指数增大趋势;渗流孔的孔容比呈负指数形式减小,扩散孔的孔容比线性增大,分形维数D3.1时渗流孔所占比重高,随分形维数增大扩散孔孔容所占比重逐渐超过渗流孔;渗流通道增多,气体吸附能力增强,煤储层的渗透率往往减小。     

煤体多孔介质孔隙度的分形特征研究

煤体是一种多孔介质,其内部孔隙结构十分复杂,准确评价煤体的孔隙特征对研究瓦斯的吸附解吸和高效瓦斯抽采具有重要意义。根据分形理论,研究了一种描述多孔介质孔隙空间分布的随机分形模型,并根据其构造方法,建立了煤体多孔介质孔隙度和分形维数之间的关系。通过压汞实验,验证了分形模型的正确性。对煤体多孔介质孔隙度进行了分形描述,结果表明：分形维数决定了孔隙度,分形维数越大,孔隙度越小;观测尺度越小,孔隙度越大,同一阶次孔隙平均直径越小,孔隙度越小,同一阶次孔隙数量越少,孔隙度越小;相同孔隙度条件下的孔径分布不尽相同,这也导致了瓦斯流动和吸附解吸规律的不同。因此,煤体多孔介质的分形维数反映了煤体内部孔径分布特征,对研究煤体孔隙类型和探讨煤层内瓦斯流动有重要意义。     

裂隙煤体注浆浆液扩散规律及变质量渗流模型研究

研究煤岩裂隙中浆液扩散过程及降渗规律对于强化瓦斯抽采钻孔封孔效果具有重要意义。首先通过对注浆裂隙煤体内部质量变化进行分析,推导浆液封堵裂隙质量守恒方程及浆液流动方程;根据浆液对煤体裂隙结构影响推导了裂隙和渗透率变化方程,构建了浆液对裂隙煤体的堵漏降渗的变质量渗流模型。其次,利用注浆实验系统对裂隙煤样开展注浆试验,对注浆前后煤样分别进行CT扫描观测以及渗透率实验测定;最后,在理论模型的基础上,根据实验条件确定数值模拟初始条件及边界条件,对裂隙煤体注浆浆液扩散和降渗规律开展了数值模拟研究,结果表明:建立的基于裂隙煤体注浆的变质量渗流模型较好地反映浆液颗粒沉积过程对煤体裂隙结构及渗透率的影响;模型计算的浆液扩散与渗透率变化规律与试验结果吻合较好,验证了模型的合理性;在浆液渗流扩散作用下,煤体裂隙内浆液颗粒逐渐扩散并沉积,裂隙不断被充填,导致裂隙煤体渗透率不断下降。研究成果为定量分析注浆浆液颗粒运移规律、强化抽采钻孔封孔效果提供了新的思路。     

中高阶煤储层分形特征对瓦斯吸附的影响研究

为研究中高阶煤(Vdaf25%)的分形特征对煤层瓦斯吸附规律的影响,针对不同矿区6种中高阶煤样,采用高压容量法测试了煤样的瓦斯吸附能力,利用Langmuir方程拟合得到了表征煤样吸附能力的参数Langmuir体积(VL)和Langmuir压力(PL)。同时,根据电镜扫描(SEM)实验,对煤体表面孔隙特征进行了分析,并利用基于Kolomogrov容量维的分形理论计算得到了煤样孔隙分布的分形维数。在此基础上,研究了分形维数对中高阶煤瓦斯吸附的影响。研究结果表明:不同煤样孔隙结构差异显著,煤体表面孔隙分布具有明显的非均质性和分形特征;煤体变质程度对分形维数具有重要影响,煤化作用使得孔隙结构更加复杂;煤体表面分形对VL和PL的影响不同,VL随着分形维数的增加呈线性增加,而PL与分形维数的关系符合二次曲线,说明煤体表面越复杂,煤体越易于吸附瓦斯。     

瓦斯抽采长钻孔负压沿孔长衰减机制及影响因素模拟研究

长钻孔具有抽采流量大、抽放时间长的优点,但是由于钻孔长度过长,在瓦斯流动过程中会有负压衰减,负压衰减对抽采效果有着重要影响.通过对瓦斯赋存和瓦斯运移的研究,结合对煤体进行受力分析,根据有效应力原理和吸附膨胀内向应变推导孔隙率和渗透率的演化方程,建立了煤层瓦斯扩散-渗流的模型,得到了计算钻孔内各区段沿程阻力损失的公式.采...     

瓦斯压力变化过程中煤体渗透率特性的研究

为了研究煤体渗透率与瓦斯压力之间的关系,以吸附瓦斯煤体变形的应力、应变研究为基础建立了煤体渗透率与瓦斯压力变化的数学模型,并在温度恒定、径向应变受到严格约束和水份不变的条件下进行了实验。采用测量不同吸附特性煤样在不同孔隙压力和不同压差条件下瓦斯渗透流量的方法测定渗透率,渗透流量测量采用排水法与气体微流量计法相结合的测量方法,将其测量结果与数学模型产生的曲线进行对比分析。研究结果表明:渗透率随瓦斯压力的变化而变化,且瓦斯压力对于不同吸附性能的煤样影响程度不同;煤样瓦斯渗透率的理论值与实验值的相对误差最大可达到8.62%。但是从总体的数据来看,理论值和实验值的变化趋势基本一致,因此,可以依据煤样的基本参数和渗透率数学模型计算出该煤样在某一瓦斯压力下的渗透率。     

煤层纳米孔隙结构对瓦斯运移特性的影响研究

为探讨煤层纳米级孔隙结构对瓦斯运移特性影响机理,选取霍尔辛赫煤矿3号煤层煤样进行小角X射线散射试验,得出该煤层煤体纳米范围内孔隙结构参数及分布特征。基于试验所取得参数,并结合实际地温和储层压力条件进行数值模拟,引入运移通道可达性系数和运移时间定量表征瓦斯输运效率。结果表明：煤样纳米孔隙中瓦斯的主要运移方式为过渡流。孔隙通道内各初始条件对瓦斯运移特性影响不同,孔隙通道可达性系数随孔隙直径的增加而增加。受气体滑脱效应影响,15nm以下通道运移时间随尺度增大急剧衰减。通道内瓦斯运移受启动压力和浓度梯度共同作用,启动压力克服阻力,浓度梯度决定后续运移,运移时间受浓度增益和碰撞阻力效果共同作用。微孔内,运移通道变窄时,可达性系数及运移时间均与窄通道直径正相关;运移通道变宽时,可达性系数受窄通道长度与宽通道直径共同作用,运移时间与可达性系数存在最大差值区域。微孔内,可达性系数与通道几何参数有关,通过数据拟合,并引入太沙基有效应力得出煤层受应力作用下微孔通道瓦斯输运效率的表征公式,拟合效果良好。     

不同应力条件下页岩表观渗透率模型试验研究

为探究页岩气抽采过程中气体传输和应力耦合作用对页岩表观渗透率的影响,提出了一种含加权因子耦合多种传输机理、吸附变形及应力应变关系的页岩表观渗透率模型,用来描述气体流动,通过试验数据验证其合理性,并对模型相关参数对页岩表观渗透率的影响进行讨论。研究结果表明:新建考虑流体流态和应力耦合作用的页岩表观渗透率模型能合理地表征页岩气体流动,包括考虑应力变化下气体滑脱效应、孔隙结构和吸附变形因素,以及体相气体传输的黏性流动(滑脱流动)和努森扩散因素。在不同围压、孔隙压力2种应力条件下,新建模型计算的曲线均与实测值吻合较好;且随孔隙压力、围压的升高,页岩表观渗透率呈指数函数形式降低,同时裂隙压缩系数Cf的绝对值整体呈降低的趋势。孔隙压力越低努森扩散所占比重越高,相同孔隙压力状态下,孔隙尺度越小,努森扩散的贡献率越大;页岩表观渗透率对弹性模量较为敏感,弹性模量越大吸附引起的基质变形量越小,相应渗透率升高量也将随之降低。不同页岩孔径所对应的主控传输机理不同,随孔径的减小,此时孔径与气体平均分子自由程具有可比性,发生滑脱流动,渗透率升高;考虑滑脱效应页岩表观渗透率计算值均大于不考虑滑脱效应计算值,且更接近试验测量值,随孔隙压力、围压的升高,滑脱效应引起的渗透率变化量逐渐降低。     

煤中CH4渗透率估算方法研究

煤体内部气体流通路径主要由裂隙和孔隙构成,是典型的双重气路结构。为便于量化不同尺度气路的气体传输视渗透率,一般采用单一气路的孔隙或裂隙气路结构来建立渗透率数学模型。随着微结构表征技术的发展,对煤体内部裂隙和孔隙结构的表征更加精确,基于单一气路建立的渗透率模型显然不够精确。因此,本文将微米级气路结构简化为裂隙和孔隙两种形态,运用高精度CT技术获取孔隙、裂隙结构在总气路中的体积占比,即孔隙率、裂隙率;将参数代入渗透率统计分布模型,进而求得孔-裂隙整体视渗透率;将基于单一气路结构的孔隙视渗透率、裂隙视渗透率和双重气路结构的总视渗透率计算结果进行比较分析。结果表明:裂隙视渗透率会高估实际视渗透率,孔隙视渗透率会低估实际视渗透率,孔-裂隙双重结构视渗透率处于二者之间。从单一气路结构与双重气路结构的视渗透率计算相对偏差均值来看,基于孔隙气路的视渗透率相对偏差均值都未超过50 %,更接近于实际双重气路结构的视渗透率。     

煤岩孔裂隙结构分形特征及渗透率模型研究

为探究煤岩孔裂隙结构与渗透特性的联动关系,采用扫描电镜、偏光和分形等手段分析煤岩孔裂隙结构分布特征,利用自主研发的出口端正压三轴渗流装置,开展恒定有效应力条件下孔隙压力升高的渗流试验。基于分形理论,考虑煤岩表面孔隙分布情况对煤岩渗透率的影响机理,建立考虑孔裂隙分形特征的煤岩渗透率模型,通过试验验证其合理性,对煤岩孔裂隙下分形维数和渗透率耦合进行定量分析。研究结果表明:①六盘水矿区煤岩表面含有一定数量的孔隙和裂隙,其中四角田7号煤层孔裂隙发育情况最好,具有2条清晰的宽度较大的裂隙,并伴有大量交叉微裂隙及孔隙发育,煤岩结构破坏严重;②通过盒维数法可得煤岩孔裂隙分布具有明显的分形特征,且煤岩孔隙率与分形维数呈正相关关系;③恒定有效应力条件下,煤岩渗透率随孔隙压力升高呈现先急剧降低后趋于平缓的趋势,受孔裂隙结构影响,在相同的孔隙压力下煤岩渗透率存在明显差异。煤岩表面孔裂隙结构越复杂其分形维数越大,有助于瓦斯运移,渗透率呈上升趋势;④考虑孔裂隙分形特征的煤岩渗透率模型计算值与实测值吻合度较高,与前人研究成果相比,无论理论机理的适用性还是对试验点的匹配方面都更加适用,且能较好地反映孔隙压力与渗透率的联动关系。     

中梁山南矿构造煤吸附孔分形特征

采集华蓥山煤田中梁山南矿9个有代表性的煤层样品进行低温氮吸附实验,分析构造煤吸附孔分形特征及分形维数与气体吸附能力的关系。低温氮吸附、解吸曲线表明不同变形序列构造煤在相对压力0.5~1.0范围内吸附特征各异。在此基础上,运用分形FHH方法得到构造煤分形维数D。研究表明：分形维数D可以表征构造煤吸附孔孔径结构和孔表面的变化关系;分形维数越高,微孔含量越多,孔表面越不规则,孔隙结构非均质性愈强;分形维数大小可反映煤的吸附能力,分形维数增高,吸附能力增强。因此,由构造变形增强引起的高分形维数和复杂的孔隙结构显示出更高的吸附能力。     

考虑含水率影响的煤岩变形及渗透率模型

煤矿开采深度不断增加,煤层瓦斯含量升高导致动力灾害逐渐增多,给煤矿安全开采带来严峻考验。对于瓦斯在煤层中流动的研究一直以来都备受关注,其中渗透率正是影响煤层中瓦斯流动的关键参数之一。因此,为准确模拟开采环境变化导致的煤岩变形及渗透特性变化,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,开展不同含水条件下孔隙压力升高过程中煤岩渗透特性的试验研究,建立考虑含水率的吸附方程和吸附-渗透率模型,探讨含水率和孔隙压力共同作用对煤岩变形及渗透特性的影响。研究结果表明:①孔隙压力升高过程中,径向应变及轴向应变随孔隙压力的升高均呈降低趋势,瓦斯流量的变化呈上升趋势,煤基质由于吸附瓦斯产生膨胀变形,体积应变逐渐减小。②当含水率恒定时,随着孔隙压力的升高,瓦斯吸附量随孔隙压力增大先增大而后趋于平缓,产生的吸附变形的变化趋势与其相同;当孔隙压力恒定时,煤岩的吸附量和吸附变形均随着含水率的增大而减小。③在恒定含水率条件下,煤岩渗透率曲线随孔隙压力的升高先减小后趋于平缓;而在相同的孔隙压力条件下,随含水率的增加,煤岩渗透率整体逐渐减小,而且含水率越大孔隙压力对渗透率的影响越弱,水分子对渗透率的影响越强。④构建了考虑含水率的吸附量计算方程,并在此基础上进一步构建考虑含水率煤岩吸附-渗透率模型,其中所计算的渗透率值与试验所测结果基本一致,反映了煤岩渗透率变化规律。     

煤层注水对原煤孔隙及甲烷吸脱附性能的影响

煤层注水对防突具有显著效果,而煤层孔隙特性是影响瓦斯吸脱附及渗流的重要因素,为了从孔隙角度揭示不同注水压力对原煤体甲烷吸脱附性能的影响。选取首山矿己15-12070工作面进行煤层注水现场实验,使用氮吸附法得出各煤样孔隙特性并用分形理论计算孔隙粗糙度,使用静态容量法测出各煤样吸脱附参数。结果表明:注水后各孔径段孔隙量均有所增加,注水压力与比表面积、孔容及分形维数呈线性正相关关系;孔隙特征参数与甲烷吸脱附性能呈线性正相关关系;各煤样均出现甲烷吸脱附迟滞现象,且注水压力越高,甲烷吸附能力越强,脱附迟滞程度越大。煤层注水压力越大,煤的孔裂隙数量会增多且粗糙度增大,煤体倾向于保留更多的瓦斯。     

基于低温氮吸附法的酸化煤样孔隙分形特征研究

为研究并改善富含矿物质煤体孔隙结构特征,基于X射线衍射和低温氮吸附实验测试了贫瘦煤酸化前后碳酸盐矿物质含量及孔隙结构参数,并根据孔隙分形理论利用FHH模型求得了酸化前后不同孔段的分形维数。结果表明:酸化可以有效溶解煤体孔隙中的矿物质并溶蚀煤基质,减少煤体孔隙中微孔所占比例,增加中孔和大孔的比例,增强了孔隙结构之间的连通性,同时减少了煤的比表面积,有利于吸附态瓦斯向游离态进行转化;煤样低压段分形维数大于中高压段的分形维数,煤体孔隙中微孔结构较中孔大孔结构更加复杂,煤样经酸化后孔隙分形维数变小,煤样孔隙结构趋于简单化。     

孔隙结构控制下的煤体渗透实验研究

煤层为典型的双重孔隙介质体,其渗透能力受孔隙和裂隙结构参数控制。通过建立描述煤体孔隙和裂隙渗透率统一数学模型,将煤体内气体渗流分为孔隙控制型、裂隙控制型和孔隙-裂隙联合控制型3类;借助6组煤样气体渗流实验数据和孔隙裂隙的测试统计,讨论了不同孔隙特征的渗透率差异原因。研究发现,孔隙和裂隙的结构参数决定了煤体的压缩系数和孔渗指数,进而决定了其渗流类型,影响煤体渗透率敏感性的关键因素是裂隙的密度和尺度,微孔中的气体分子受范德华力影响导致渗透率的应力敏感性几乎无法体现。     

基于逾渗机理的含瓦斯煤体变形破坏机制及试验研究

针对含瓦斯煤岩在高应力环境下易发生松散破坏的问题,考虑煤体的多孔介质特征,研究了含瓦斯煤岩受应力扰动影响下的变形破坏规律。首先,基于逾渗理论提出了含瓦斯煤体的逾渗破坏概念,它的实质是含瓦斯煤岩发生逾渗行为后导致瓦斯突出使煤体失稳破坏过程中发生的一种动力破坏现象。然后通过理论分析了逾渗破坏分布区域并给出了逾渗破坏概率P_∞的计算公式,推导出了含瓦斯煤体的Biot型本构方程,表明含瓦斯煤体孔隙率与渗透系数和有效应力密切相关。结合含瓦斯煤体本构方程并在逾渗破坏区进行了应用,得到了逾渗破坏区半径R_p的计算公式。最后,对拟制备的含气类岩石试件进行了三轴压缩试验,试验结果表明:随着试件孔隙、裂隙增多,弹性模量和脆-延性破坏临界拐点应力值随之减小;同时,黏聚力和内摩擦角值随试件内部气体孔隙增加均不同程度的降低,导致逾渗破坏区半径增大,并且其影响程度会随内摩擦角和黏聚力的减小而增强。随着应力增加,试件内部孔隙、裂隙逐渐贯通,最终呈松散破坏即逾渗破坏。     

地应力、地温场中煤层气相对高渗区定量预测方法

为定量化预测煤层气高渗区,以应力、温度影响下的煤层气压力、孔隙率和渗透率的预测方程为基础,提出了地应力场、地温场中煤层气渗透率预测的定量化方法,建立了考虑煤体内部裂隙结构和应力、温度影响的渗透率计算方法,给出了实验室渗透率与现场实测渗透率的校正方法.通过Kaiser声发射原岩应力测试实验、不同温度不同围压条件下煤体甲烷渗流实验、孔隙率测定实验、比表面积测定实验、煤体压缩及热膨胀实验,研究了应力、温度影响下的煤体甲烷渗透规律.研究发现,煤体甲烷渗透率随温度变化并非单调递增或单调递减,渗透率与温度的关系,取决于外围有效应力条件或围压条件,即高有效应力时,煤体具内膨胀效应,渗透率随温度升高而降低;低有效应力时,煤体外膨胀,渗透率随温度升高而升高.依据理论方程和实验,以等值线形式定量预测了重庆沥鼻峡矿区煤层渗透率分布,并划定了相对高渗透区,解决了当前煤层气高渗透区预测难以定量化的问题,并提高了预测精度.     

基于低温液氮实验的不同煤体结构煤的孔隙特征及其对瓦斯突出影响

采集淮南煤田3个不同矿区13-1煤层、焦作矿区中马村煤矿二1煤层不同分层的不同煤体结构煤样进行低温液氮吸附试验,分析研究了不同煤体结构构造煤的孔隙特征。由此将构造煤的低温液氮回线划分为H1、H2、H3三类,构造煤的孔隙划分为4类：两端开口的孔,一端开口的孔,墨水瓶形孔和狭缝形孔。碎裂煤中主要为一端开口的圆筒形孔和两端开口的圆筒形孔;碎粒煤和糜棱煤则主要包含狭缝形平板孔、墨水瓶形孔和一端开口的圆筒形孔。研究表明：构造煤对气体的吸附一般发生在孔径3.3 nm左右的孔隙;随煤体破坏强度增大,比表面积和孔体积的分形维数均在增大。综合孔隙特征研究结果,对糜棱煤、碎粒煤煤层分布发育地区容易引发瓦斯突出的机制进行了探讨。