力热耦合作用下煤岩吸附及渗透特性的试验研究

利用等温吸附试验仪器与含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,为模拟深部煤层瓦斯开采过程,分别进行不同温度下等温吸附试验与孔隙压力升高的渗流试验,建立考虑过剩吸附量修正的吸附模型并修正吸附膨胀模型,探究力热耦合作用下煤岩吸附与渗流变化规律。结果表明:瓦斯吸附量在不同温度下随瓦斯压力升高均呈增大趋势,随温度升高吸附量逐渐降低。在高压下需考虑过剩吸附量造成的误差,修正的Langmuir模型比原模型计算结果精度更高;建立了考虑温度与过剩吸附量修正的吸附变形模型与吸附膨胀模型,煤岩吸附应变随孔隙压力升高而减小,且温度越高应变变化量越小。随孔隙压力升高,煤岩渗透率及吸附膨胀与滑脱效应导致的渗透率变化量均呈下降的趋势,且随温度升高3者逐渐增加;吸附膨胀是引起煤岩渗透率减小的主要因素,吸附膨胀与滑脱效应对渗透率的贡献率随孔隙压力升高逐渐下降,其贡献率均随温度升高逐渐增加。     

考虑水分影响的煤岩渗透率模型及演化规律

在开采环境的不断变化过程中,煤岩通常处于气-水共存的状态。为了探究水分与煤岩渗透率之间的反应机制,利用等温吸附装置和含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,分别进行不同含水条件下的等温吸附试验和孔隙压力升高的渗流试验。基于水膜与孔裂隙表面的相互作用及水膜之间分离压的影响,并且考虑压缩变形及滑脱效应对煤岩渗流的贡献率,构建考虑水分影响的渗透率模型,进而分析不同含水条件下煤岩吸附与渗流变化规律。研究结果表明:① 在不同含水条件下,煤岩瓦斯吸附量随孔隙压力增大而增大,而随含水率增大,瓦斯吸附量呈减小趋势。同时,吸附变形随着煤岩的吸附作用而变化。② 煤岩中的水分易在孔裂隙表面形成吸附性水膜占据气体渗流的通道,并且气态和液态水分子会制约瓦斯流动,因而瓦斯流量随含水率增大而减小。当煤岩含水率恒定时,渗透率随孔隙压增大先减小后趋于平缓;恒定孔隙压力条件下,渗透率随含水率增大显著减小。③ 考虑压缩变形、吸附变形、水分和孔裂隙间水膜对裂隙宽度的影响,构建了考虑瓦斯和水分耦合作用的渗透率模型,而且煤岩渗透率计算值与实测数据基本保持一致,可以较好的表征含水煤岩的渗透率变化规律。     

孔隙压力升降条件下煤岩双孔隙渗透率模型研究

孔隙压力是控制煤岩渗透率的关键因素,为探究煤岩渗透率在孔隙压力升降过程的响应机制,利用含瓦斯煤三轴渗流试验装置,分别开展不同平均应力条件下孔隙压力升高和降低的渗流试验。基于煤岩具备的双孔隙结构介质的特性,综合升压过程中煤岩力学效应、滑脱效应、吸附膨胀及吸附层厚度变化等因素,构建包含基质与裂隙的双孔隙渗透率模型。通过引入修正函数L(p),进一步量化降压过程中煤岩渗透率变化情况,并利用试验数据验证新建渗透率模型的合理性。研究结果表明：(1)当平均应力一定时,基质渗透率随孔隙压力增大呈先急剧减小后缓慢减小的变化趋势,裂隙渗透率的变化规律与煤岩总渗透率的变化规律较为接近;(2)当平均应力一定时,孔隙压力升降过程中的煤岩总渗透率均呈“V”型变化,但对于同一孔隙压力,降压过程总渗透率要低于升压过程总渗透率;(3)利用渗流试验数据对模型进行验证,发现新建双孔隙渗透率模型能够与试验结果保持一致;(4)修正函数L(p)中的敏感性系数c影响渗透率随孔隙压力变化的曲线斜率,敏感性系数d影响渗透率曲线整体高度。     

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。     

考虑温度作用下煤岩渗透特性及吸附膨胀的试验研究

利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,为模拟采深增加导致的渗透特性变化,开展不同温度下孔隙压力升高过程中煤岩渗透特性的试验研究,建立考虑温度作用的吸附膨胀模型,探讨温度和孔隙压力综合作用对煤岩吸附膨胀效应的影响。结果表明:随孔隙压力升高,轴向应变在较低温度下(30,40℃)逐渐下降,在较高温度下(50,60℃)逐渐上升,在各个温度下径向应变、体积应变逐渐降低;随孔隙压力升高,煤岩渗透率先减小后略有增高,不同温度下通入氦气与甲烷气体的煤岩渗透率变化趋势相同且前者渗透率大于后者;随温度升高滑脱效应导致的渗透率变化量(Δkb)逐渐增大,煤岩吸附膨胀导致的渗透率变化量(Δks)随孔隙压力升高先急剧下降后趋于平缓,且随温度升高变化量逐渐增大;在相同孔隙压力下,考虑温度作用吸附膨胀引起的渗透率变化量均高于不考虑温度作用的变化量,且前者总减小量要大于不考虑温度时总减小量。     

瓦斯压力和应力对裂隙影响下的渗透率模型研究

煤层的渗透率演化对研究矿井瓦斯抽采、煤层气开采及钻孔优化布置起到至关重要的作用。为了研究瓦斯压力-裂隙及应力-裂隙耦合作用对煤岩渗透率演化模型的影响,基于应变,探讨了瓦斯压力和应力作用对煤体裂隙变形和渗透率的影响,构建了基于瓦斯压力-裂隙及应力-裂隙耦合的煤体渗透率理论模型,并结合前人的试验数据,对建立的基于瓦斯压力-裂隙及应力-裂隙耦合的煤体渗透率模型进行了对比验证。研究结果表明:①将煤体的结构单元体简化为立方体模型,分别分析了瓦斯压力引起的裂隙变形与煤体基质吸附变形引起的裂隙变形对煤体渗透率的影响;基于煤岩裂隙宽度与渗透率的关系,推导了瓦斯压力-裂隙耦合作用下煤体的渗透率模型。②侧向应力对裂隙变形的影响与煤体吸附所引起的内膨胀变形相似,均通过改变煤体骨架向裂隙内部膨胀来影响煤体裂隙的变形;通过试验数据验证了侧向应力和法向应力对煤体渗透率的影响机理相同,构建了三向应力-裂隙耦合作用下煤体的渗透率模型。③结合前人的试验数据,进行了全局优化非线性拟合,与基于有效应力的模型相比,所构建的模型与试验数据吻合度较好,验证了所建立模型的可靠性,并发现裂隙对法向应力的敏感性远大于侧向应力。     

考虑温度、孔隙压力影响的煤岩渗透性演化机制分析

为探究煤层气抽采过程中温度与孔隙压力对煤岩渗透特性变化的影响,以贵州黔北煤田原煤为研究对象,利用自主研发的出口端正压三轴渗流装置,通过控制进出口气体压力分别设定3个不同压差条件,开展不同温度下改变孔隙压力的渗流试验。在当前典型的SD模型基础上结合温度引起的吸附变形、热膨胀和滑脱效应的作用,新建考虑温度和恒定外应力条件下的渗透率模型。通过试验与模型对比验证其合理性,并对有无考虑滑脱效应的渗透率计算值进行了定量分析。结果表明:①渗流试验过程中,煤岩渗透率随孔隙压力升高而降低,其渗透率下降量受温度升高影响呈现降低趋势;孔隙压力升高,煤岩渗透率受温度影响的敏感程度逐渐降低。②在试验的各孔隙压力点下,温度升高使得煤岩渗透率降低;在各温度状态下,煤岩渗透率随压差增大呈现降低趋势。③经定量分析后发现修正模型较其他两个模型更加符合试验结果,且修正模型的滑脱因子随温度升高而增大,从理论方面验证了模型的合理性。④考虑滑脱效应的煤岩渗透率曲线比不考虑滑脱效应的渗透率曲线更加符合试验结果。在不同温度条件下,前者的渗透率计算值大于后者的计算值。随孔隙压力升高,滑脱效应引起的渗透率变化量逐渐降低。     

基于等效裂隙开度的层理煤岩渗透率模型研究

为了改进渗透率模型，定量描述层理煤岩在力学变形与渗透行为上的各向异性特征，将平行层理煤岩的裂隙开度作为基准，引入了等效裂隙开度系数，将非平行层理煤岩的裂隙开度等效，提出了一种基于等效裂隙开度系数的层理煤岩渗透率演化模型。结果表明：随着层理角度增大，层理煤岩的渗透率显著降低，且层理角度越大的煤岩，随着气体压力的变化其动态渗透率变化幅度越小；有效应力与吸附效应对于渗透率的演化有显著影响，但在不同的力学边界下，二者属于竞争关系，有效应力对于渗透率的影响在恒定围岩应力边界下处于优势地位，而吸附效应则在位移固定边界条件下占据主导地位；对于层理煤岩瓦斯抽采，顺层理方向抽采可极大的提高抽采效率。     

不同应力组合条件下煤岩渗透率的试验

利用自制含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置,对煤岩在不同轴压、围压和瓦斯压力组合下进行渗流试验,研究不同围压和瓦斯压力组合下的全应力-应变及在不同应力组合下煤岩渗透性的影响规律。结果表明：煤岩的渗透率随体积应力变化有三个阶段;在轴压和瓦斯压力一定的条件下,渗透率随着围压的增加而减小,且与围压呈二次曲线关系,围压对渗透率的影响比轴压大;在轴压和围压一定的条件下,渗透率随着瓦斯压力的增加先减小后增大,且与瓦斯压力呈三次曲线关系,渗透率减小阶段滑脱效应占主导地位;在一定瓦斯压力和相同体积应力下,渗透率随轴压的增加而增大,随围压的增加而减小,而且呈线性规律。     

瓦斯抽采降压过程中温度对煤变形及渗透率的影响

以重庆松藻煤矿K2煤层为研究对象,利用自行研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置,进行了不同温度条件下含瓦斯煤在气体压力降低过程中的渗流试验,分析了抽采降压过程中温度对含瓦斯煤变形及渗透率的影响。结果表明:在气体压力降低过程中,轴向应变随温度升高先略有减小后逐渐增大,径向应变随温度升高逐渐往负值方向发展;各温度条件下,含瓦斯煤渗透率随气体压力降低均呈现先减小后增大的趋势;在抽采降压过程中,煤样渗透率随温度的变化与应变随温度的变化具有对应关系。     

不同应力组合条件下煤岩渗透率的试验

利用自制含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置,对煤岩在不同轴压、围压和瓦斯压力组合下进行渗流试验,研究不同围压和瓦斯压力组合下的全应力-应变及在不同应力组合下煤岩渗透性的影响规律。结果表明：煤岩的渗透率随体积应力变化有三个阶段;在轴压和瓦斯压力一定的条件下,渗透率随着围压的增加而减小,且与围压呈二次曲线关系,围压对渗透率的影响比轴压大;在轴压和围压一定的条件下,渗透率随着瓦斯压力的增加先减小后增大,且与瓦斯压力呈三次曲线关系,渗透率减小阶段滑脱效应占主导地位;在一定瓦斯压力和相同体积应力下,渗透率随轴压     

CO2驱替煤层CH4中混合气体渗流规律的研究

CO2驱替开采煤层气过程中,由于CO2和CH4的竞争吸附,CO2/CH4混合气体在运移时CH4体积分数会不断发生改变,进而影响煤体变形和渗透特性。利用自主研发的三轴渗流系统,采用稳态渗流法对焦煤样进行单一组分气体(He,CH4和CO2)和不同配比的CH4/CO2混合气渗流试验。渗流过程中保持温度和体积应力(30 ℃、33 MPa)恒定,并利用LVDT测量煤体的轴向变形。结果表明:① He和不同配比CH4/CO2混合气的渗流过程均受滑脱效应的影响,气体渗透率随入口压力增大呈先减小后缓慢增大的变化;对于非吸附He,入口压力Symbol|@@2 MPa时滑脱效应对气测渗透率的影响要远远大于有效应力效应;② 在一定的体积应力条件下,不同配比CH4/CO2混合气体吸附引起的煤体膨胀应变随入口压力增加而增大,变化规律符合Langmiur方程,且在相同入口压力条件下,混合气体中CO2浓度越高,煤体膨胀应变越大;③ 在考虑有效应力效应、吸附膨胀应变对渗透率的动态影响以及滑脱因子b随煤体渗透率变化的基础上,建立了煤体气测渗透率理论模型,该模型能够描述不同配比CH4/CO2混合气体以及He渗透率随入口压力的变化;④ 随着煤储层CH4/CO2混合气体压力增大或者CO2体积分数升高,基质膨胀应变对煤体渗透率的影响逐渐减小。煤体中靠近孔裂隙的基质吸附膨胀对渗透率的影响(β)随入口压力的增加逐渐减小;CH4/CO2混合气体中CO2体积分数越高,β减小速率越大。     

吸附气体对突出煤渗流特性的影响

煤层中瓦斯渗流特性不仅受地应力、煤孔隙结构等因素的影响,还因气体吸附而发生变化。以重庆市万盛区某煤矿突出煤层原煤为实验对象,在有效轴向应力和有效围压为1 MPa条件下,利用自制的三轴渗流试验机研究突出煤吸附二氧化碳、甲烷气体对渗流特性的影响。结果表明:1突出原煤吸附-渗流过程具有明显的阶段特征,煤体变形经历了初始快速变形阶段、缓慢变形发展阶段、变形稳定阶段、收缩变形阶段和渗流稳定阶段;2气体压力越大,煤体膨胀变形越大,相同气体压力下,煤体吸附二氧化碳变形增量大于吸附甲烷变形增量;3随着气体压力的增大,气体渗流速度逐渐增大,呈显著的指数函数关系,突出煤渗透率先减小后增大,具有明显的阶段性。     

不同温度、压力下煤体吸附瓦斯变形特征研究

为了探讨煤体在不同物理场耦合作用下吸附瓦斯后的膨胀变形特征,以型煤为研究对象,利用自行研发的高压瓦斯煤岩吸附-解吸测试系统对型煤进行了不同温度、不同压力下的吸附变形试验。试验结果表明,随着温度的升高,煤体吸附瓦斯量呈减小趋势,其轴向变形和环向变形量均有所降低;在相同温度条件下,随着压力的升高,型煤试件的变形量和变形速度均有所降低;不同温度、压力下,幂指数函数对于型煤试件吸附、解吸过程中的应变变化的拟合效果要明显优于朗格缪尔形式公式。     

应力环境对煤岩吸附变形和渗透率的影响试验研究

注入CO_2增强煤层气开发过程中,煤储层渗透率的变化受有效应力变化、气体吸附/解吸引起的煤基质膨胀/收缩和气体滑脱效应耦合作用影响;为此,采用稳态法进行CH_4、CO_2渗流试验,研究不同应力环境下煤的吸附应变和气体滑脱效应对CH_4、CO_2渗流过程的影响。试验结果表明:相同应力环境下煤吸附CO_2产生的最大吸附应变为CH_4的1.01～2.39倍,使得CH_4在为煤中渗透率始终高于CO_2;同时随着埋深增加,外部应力增大,吸附应变减小;低应力环境下渗透率随气体压力减小呈"V"字形变化,随着外部应力增大,渗透率与气体压力呈负指数相关;此外,外部应力增大还将强化气体滑脱效应影响,使其更早的主导渗透率的演化。     

考虑煤渗透性变化的抽采渗流耦合模型研究及应用

为揭示煤岩变形对煤层瓦斯抽采渗流特性的影响,开展了煤层瓦斯抽采气固耦合问题研究。首先,考虑煤吸附解吸变形、孔隙压力及渗透性变化对瓦斯抽采的影响|然后,根据达西定律,建立以有效应力及吸附应变为耦合媒介的煤层瓦斯渗流和煤岩变形气固耦合方程|最后,以沙曲矿24208工作面为工程背景进行抽采煤层位移、吸附应变和瓦斯渗流数值模拟,并对比分析煤层瓦斯压力、煤层渗透率和瓦斯抽采量的耦合效应。结果表明：抽采后钻孔周围煤体位移呈增大趋势,煤体因瓦斯解吸收缩变形,距抽采孔越近应变量越大|抽采初期煤层瓦斯压降梯度大|煤层渗透率随抽采时间呈增大趋势,距孔越近增幅越大|初期钻孔瓦斯抽采量较大但降幅较快,后趋于稳定,对比发现模型抽采量计算结果与实际抽采数据较为一致。     

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。     

淮南矿区典型煤岩体全应力—应变渗透性表征试验

煤岩体是一种多孔介质,地下开挖使岩体的应力状态发生改变,导致岩体的力学性质和渗透性质发生改变,围岩应力状态和渗流场特性是获取储层瓦斯气、评价或计算矿井涌水量、防突水危害等具体工程问题的理论基础和科学依据。通过对淮南矿区煤岩进行三轴压缩全过程渗透性试验,分析了煤岩变形破坏全过程以及不同围压和瓦斯压力下的瓦斯渗透特性。得出煤岩全应力—应变曲线与煤岩瓦斯渗透率—全应力应变曲线之间的对应关系。结果表明:在微型裂隙闭合和弹性变形阶段,煤样渗透率随应力增大而减小,进入屈服阶段后,渗透率达到最小值并在峰值后呈持续增大之势;固定瓦斯压力作用下,煤样应力峰值随着围压的增加而逐渐增大,煤样渗透性与围压关系呈指数函数变化规律,且表现出应变滞后的特点;固定围压作用下,渗透率与瓦斯压力关系呈“V”字型走势,即在扩容阶段煤岩样渗透性达到最佳。     

含瓦斯煤的力学特性及渗流规律试验研究

采动裂隙场瓦斯流动是实现深部煤与瓦斯共采的基础。采用WYS-800微机控制电液伺服三轴瓦斯渗流试验装置,对平朔井工一矿14106工作面煤层进行了含瓦斯煤的力学特性和瓦斯渗流试验。结果表明:常规三轴不同瓦斯压力条件下,全应力-应变曲线分为4个阶段:初始压密阶段、线性弹性阶段、屈服阶段、破坏阶段。煤样的渗透率随轴向应变先减小后增大,最后趋于稳定;煤样的偏应力-应变和渗透率-应变曲线呈现相反的趋势,而且常规三轴压缩煤样破坏后渗透率增加量比较少。常规三轴不同围压条件下应力-应变曲线也主要表现为4个阶段。随围压值增大,三轴抗压强度呈线性增加趋势;在相同轴向载荷作用下,煤样所受围压越大,渗透率就越小。从不同围压条件下轴向应力-轴向应变和渗透率-轴向应变曲线可以看出,渗透率随着轴向应变的增大先降低后升高,煤样的峰值强度随着围压升高而增大。     

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。