煤体吸附-解吸瓦斯变形特征实验研究

在煤层瓦斯抽放过程中,煤体瓦斯处于吸附-解吸状态,煤体发生膨胀和收缩。利用自主设计的煤体变形实验装置,分析了杜儿坪煤矿原煤在不同方式下吸附-解吸全过程中变形特征。实验结果表明：煤体变形量随着瓦斯压力的增加而增大,垂直层理方向变形量大于平行层理方向变形量;煤体在一次加压吸附实验中分为变形下降阶段、变形快速上升阶段和变形平稳上升至稳定阶段3个阶段;等梯度加压吸附-降压解吸过程中,0→0.5 MPa阶段变形量最大;等梯度加压吸附煤体变形量大于一次加到目标压力值的吸附煤体变形量,且等梯度解吸煤体残余变形量较大;煤体吸附-解吸变形可分为充气下降阶段、吸附快速上升阶段、吸附变形平稳上升至平稳阶段、解吸变形快速下降阶段和解吸平稳下降至稳定阶段。     

突出危险煤吸附、解吸瓦斯变形特性试验研究

采用自主研制的煤体高压吸附-解吸变形试验系统,进行了突出危险煤在不同瓦斯压力条件下的吸附-解吸变形全过程试验,探讨了突出危险煤吸附瓦斯产生膨胀变形、解吸瓦斯产生收缩变形这一特有的力学行为。研究结果表明,突出危险煤在不同瓦斯压力下随时间的变形曲线具有相同的演化规律,即先后经历抽真空收缩变形、充气压缩变形、吸附膨胀变形、卸压膨胀变形、卸压后弹性恢复变形和解吸收缩变形等6个阶段;吸附膨胀变形和解吸收缩变形过程中,煤样的应变变化率绝对值均随时间逐渐减小,直至一个相对稳定值,其变形规律服从朗格缪尔方程;煤样的吸附膨胀变形和解吸收缩变形均呈各向异性,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,使垂直层理方向的应变明显大于平行层理方向的应变;煤样吸附膨胀变形值与瓦斯压力关系对二次函数和朗格缪尔方程均具有较好的拟合效果,煤样解吸收缩变形值与原始瓦斯压力呈很好的幂函数关系和二次函数关系;煤样解吸瓦斯后存在一定的残余变形值。     

瓦斯吸附对煤体的影响分析

利用自行研制的实验装置研究了在瓦斯压力变化过程中煤体吸附瓦斯后发生的变形,并在已有研究的基础上讨论了瓦斯对煤体的影响。研究结果表明：煤样吸附瓦斯气体后发生膨胀变形;游离和吸附瓦斯的存在会削弱煤体的强度,使煤体脆性度增大,其失稳破坏更易发生,煤体失稳破坏进程加快;煤体吸附的瓦斯气体中吸附性越强的气体所占比例越大,煤体发生的膨胀变形将越大;在现场受限条件下,煤体产生的膨胀应力越大,煤体的强度降低得越多。     

煤吸附瓦斯细观特性研究

为研究甲烷吸附孔隙压力对煤膨胀变形的影响,实验应用μCT225kVFCB型高精度显微CT实验系统,对直径为5 mm的细观煤样进行了不同孔隙压力下的吸附瓦斯扫描实验,并通过对其孔隙率与膨胀变形量的观测与分析得到了煤吸附瓦斯细观特性。研究发现：在细观实验中煤样吸附瓦斯会导致煤体孔隙率下降,并发生体积膨胀变形;体积膨胀变形规律符合朗格缪尔方程,且煤样不同位置的孔隙率与体积变化均具有非均匀性。研究结果表明：在吸附瓦斯过程中,煤体骨架体积膨胀会导致煤体孔隙体积减小与外观体积膨胀,且煤体骨架膨胀变形时更倾向于通过挤压煤体原始孔隙来获得膨胀空间。     

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。     

煤吸附解吸甲烷细观结构变形试验研究

利用扫描电镜与CT扫描相结合的方法,通过对直径为8.5 mm的细观煤样进行不同压力下的吸附解吸甲烷试验,研究其内部细观结构的变形规律。研究表明,煤样是煤基质中含有少量黏土矿物质的天然非均质岩体;吸附解吸甲烷过程中,煤的细观结构变形分为膨胀变形(密度减小)与挤压变形(密度增大)。低吸附压力下,含黏土矿物质区域急剧膨胀,对邻近煤基质形成局部挤压,细观变形程度明显,压力升高后膨胀变形增强,挤压变形减弱;不含黏土矿物质的煤基质区域变形程度较低,近似于均匀变形。解吸后,煤不同区域的变形恢复能力与其非均匀程度有关,非均匀性越强,其变形恢复能力越差。     

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。     

构造煤瓦斯解吸初期特征实验研究

利用自制的煤样瓦斯解吸试验装置,在恒温30 ℃、不同压力、不同粒度条件下,研究平顶山和鹤壁的原生结构煤和构造煤的瓦斯解吸初期速度和解吸量,分析构造煤瓦斯解吸初期的影响因素,建立构造煤瓦斯初期解吸数学模型。实验结果表明：与原生结构煤相比,构造煤瓦斯解吸初期速度更大,其初始解吸速度为1.23~4.20 mL/(g·min),是相同实验条件下原生结构煤的1.36~2.84倍,尤其在前1 min内差别较大;构造煤瓦斯解吸量是一条单调递增的幂函数曲线,0~10 min的瓦斯解吸规律具有分段性,可分为快速解吸段、缓慢解吸段和平稳解吸段,构造煤前10 min瓦斯解吸量可达1 h内解吸总量的60%。分析认为构造煤中大孔和过渡孔的发育程度决定了构造煤瓦斯初期特征;构造煤瓦斯解吸初速度随粒度的减小而增加,但是在极限粒度以下煤粒度对瓦斯初期解吸速度影响较小;瓦斯解吸初速度与吸附平衡压力呈幂指数关系;构造煤瓦斯解吸初期曲线符合文特式。     

含瓦斯煤的吸附量与孔隙率及变形的映射规律研究

为厘清含瓦斯煤的吸附量与孔隙率及变形的映射规律,以高压容量法测试煤吸附瓦斯等温曲线的过程为条件,针对煤样在不同瓦斯压力的作用下,吸附量对煤孔隙率、变形的影响进行了理论分析;利用工业CT技术与高压容量法相结合的方法,研究含瓦斯煤的吸附量与孔隙率、变形的映射规律。结果表明:随着吸附瓦斯量的增加,煤的孔隙率逐渐降低,并趋于稳定值;煤的变质程度越高,其孔隙率演化的趋势越缓;煤的体积应变呈现近似于线性增长的特征。     

长期浸水风干煤瓦斯吸附解吸规律研究

为了探究长期浸水风干煤对瓦斯的吸附解吸规律,选取未浸水的原煤和浸水15 d、1个月、3个月、5个月的风干煤样,通过瓦斯吸附和解吸实验、液氮吸附实验,研究了不同浸水时间条件下风干煤的瓦斯吸附和解吸变化规律,以及孔隙结构分布特征。研究结果表明：随着浸水时间的增加,煤样累计瓦斯吸附量先减小后增大,对瓦斯的最大吸附量先减小后增大,而Langmuir压力先增大后逐渐减小;15 d浸水风干煤样的瓦斯初期解吸率大于其他长期浸水风干煤样的解吸率,而从1个月到5个月浸水风干煤样的解吸率逐渐降低;随着浸水时间的增加,煤样的BET平均孔径和BJH累计孔容逐渐增大,BET比表面积先减小后逐渐增大,同时与吸附量相关的微孔占比和微孔比表面积呈现先减小后增大的趋势。     

外加电磁场对瓦斯吸附解吸的影响规律及作用机理的研究

利用外加电磁场,对不同破坏类型煤瓦斯吸附放散的电磁效应进行了实验研究,研究表明,瓦期吸附放散电磁效应是升温效应和表面势阱效应共同作用的结果,外加电磁可以降低煤对瓦斯的吸附能力,增加瓦斯放散速度。     

岩浆热事件对煤层变质程度和吸附-解吸特性的影响

为研究岩浆侵入热事件对煤层变质程度和吸附-解吸特性的作用机制,采用理论分析、实验室测定和现场验证的方法,对比分析了淮北矿区海孜井田岩浆岩侵入区和邻近临涣井田未受岩浆影响的煤层多元物性参数变化规律和孔隙特征,系统研究了采集煤样的等温吸附与吸附平衡条件下瓦斯解吸过程,揭示了岩浆岩床下伏煤层瓦斯赋存特征。结果表明:海孜井田岩浆热演化作用使煤层变质程度显著增加,煤层挥发分降低,岩浆岩覆盖区域煤层的最大镜质组反射率梯度为0.53%/100 m,远大于深成变质作用。岩浆热演化区孔径0.4~0.7 nm之间的微孔极为发育,其发育程度是未受岩浆岩覆盖区煤样的数倍,且越靠近岩浆岩的煤层,微孔发育程度越明显。岩浆热演化区内煤体的吸附能力增强,吸附瓦斯量增大,煤体的瓦斯放散初速度变大,初期解吸速度快且解吸总量大。由于岩浆岩床对下伏煤层的热变质和封存作用,易造成下伏各煤层的瓦斯压力和瓦斯含量增高,煤层的突出危险性增加。     

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。     

煤粒吸附瓦斯过程中的温度变化研究

为了更好地揭示煤吸附瓦斯过程中温度变化规律,设计完善了煤体吸附瓦斯温度测试系统,对煤体吸附瓦斯过程中的热效应进行了实验研究。实验结果显示,煤体吸附瓦斯过程中温度升高,吸附过程中释放能量;温度随时间的变化呈指数函数关系;吸附平衡压力越大,温度变化量和温度变化梯度越大;环境温度越高,吸附过程中温度变化量越小。     

煤层气吸附与解吸可逆性实验研究

以等温吸附与解吸实验为手段,通过对不同变质程度的煤进行吸附/解吸等温线的测定,探讨煤层气吸附与解吸可逆性.实验结果分析发现:低阶煤煤样吸附/解吸曲线出现了明显的滞后环,吸附和解吸过程所回归a(Langmuir体积)值相差比较大,说明吸附与解吸吻合性差,对甲烷的吸附和解吸表现出非可逆性;中、高级煤吸附与解吸等温线具有很好的重合性,吸附与解吸过程所回归的a(Langmuir体积)值也比较接近,对甲烷的吸附和解吸表现出可逆性.该现象的发现,为煤层气开采参数的确定具有一定的意义.     

煤层吸附He,CH_4和CO_2过程中的变形特性

为深入研究煤层吸附气体过程中的变形特性,开展了He,CH_4,CO_2三种气体作用下的煤层吸附变形实验,同步测试煤样在CH_4,CO_2气氛下的气体吸附量,探讨了煤样等温吸附变形机理,建立了综合考虑吸附态气体和游离态气体作用的煤等温吸附变形模型。结果表明,He作用下煤样产生压缩变形,应变曲线可分为孔隙压密和线弹性变形两个阶段; CH_4和CO_2气氛下煤样吸附变形与吸附量均呈非线性关系,相同吸附量条件下煤样吸附CH_4产生的膨胀变形量大于吸附CO_2产生的膨胀变形量;煤基质在CO_2气氛下比在CH_4气氛下更容易产生压缩变形;游离态气体不仅通过孔隙压力对煤基质有压缩作用,还能通过改变煤结构促进煤的膨胀变形。可用二次函数表达游离态气体作用下的煤样变形量与孔隙压力关系。与相关模型的对比分析表明,建立的等温吸附变形模型能够对试验数据进行精确拟合,并能够很好地描述煤样在不同吸附性气体作用下的吸附变形特征。     

煤的吸附孔结构对瓦斯放散特性影响的实验研究

为揭示煤的吸附孔结构对瓦斯放散特性影响机理,选择新疆阜康矿区典型矿井煤样,进行低温氮吸附及瓦斯放散初速度实验,研究了煤的吸附孔特征参数及其对瓦斯放散初速度的影响。结果表明:实验范围内阜康矿区煤的吸附孔中瓦斯的主要放散方式是Knudsen及过渡型;吸附孔各参数对瓦斯放散特性的影响不同,平均孔径越大,瓦斯扩散阻力越小,瓦斯放散初速度越大;孔隙及各孔径下的比表面积和孔容越大,瓦斯放散初速度越小;瓦斯放散初速度与微孔和过渡孔的孔容占比为负线性关系,与中孔的孔容占比为正线性关系,与各孔径下比表面积占比无明显关系;煤的孔隙在研究尺度范围内分形特征显著,瓦斯放散初速度随分形维数的增大而线性减小。     

煤粒瓦斯吸附规律的实验研究及数值分析

为研究煤粒瓦斯流动规律,进行了煤粒瓦斯定压动态吸附实验,得到3种粒度煤样在不同瓦斯压力下累积吸附量随时间变化的实测曲线。基于达西定律和朗格缪尔方程,建立了煤粒瓦斯吸附数学模型,编制解算程序对煤粒瓦斯吸附过程进行数值分析,得到煤粒内部瓦斯压力的变化规律及累积吸附量与时间的关系曲线。通过将数值分析结果与实验结果进行对比,发现二者变化趋势吻合良好,由此验证了煤粒瓦斯吸附过程符合达西定律。     

水淹情况下块煤瓦斯解吸规律实验研究

煤层开采后会形成大量采空区,蕴含丰富的煤层气资源,若采空区煤层气资源逸散至大气中,不仅造成了资源浪费还会污染环境,影响井下生产安全,对采空区煤层气资源的利用具有重要影响。为了降低采空区资源利用成本,需对资源量进行评估,采空区遗落煤残余瓦斯是采空区资源的重要组成部分,其解吸规律是采空区资源评估计算的重要组成部分,由于采空区复杂的环境,影响采空区遗煤瓦斯解吸规律的因素也较为复杂。水分作为一个重要因素,对采空区遗煤瓦斯解吸规律影响较大,而遗落块煤在不用体积浸泡情况下的瓦斯解吸规律研究较少。针对块煤瓦斯解吸实验,试制了块煤水淹瓦斯解吸装置,并进行了块煤不同水淹情况下瓦斯解吸实验,得到了在该实验条件下块煤水淹体积的影响系数及块煤瓦斯解吸速率经验公式。     

含水煤岩变形破坏过程中瓦斯运移规律的实验研究

配合自制煤岩三轴流固耦合夹持装置,采用实验方法对煤岩变形破裂过程中瓦斯运移规律进行研究。实验结果表明：煤岩破裂前后,瓦斯解吸量、解吸速率以及渗透率的差异较大,在弹性压密到强化阶段,瓦斯解吸规律基本遵循Langmuir等温吸附规律。在煤岩破裂阶段,瓦斯解吸量和解吸速率都急剧增大,瓦斯渗透率的变化表现为少许滞后于应变的特点;在瓦斯压力较低的情况下,煤岩渗透性能受含水饱和度的影响显著,破裂后气测渗透率值比压密阶段高近6倍,含水饱和度增大后,煤岩破裂前后气测渗透率变化规律大致相同,虽然增大了煤岩孔隙压力,但煤岩变形破裂全过程中测定的气测渗透率反而降低。