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。     

煤体循环吸附-解吸变形规律的试验研究

在井下煤炭开采和瓦斯抽采过程中,伴随着瓦斯的吸附-解吸,煤体会产生变形效应。采取试验方法,利用自主研发设计的煤体循环吸附-解吸变形测试试验装置,分析了煤体循环吸附-解吸CO_2气体的变形规律。试验结果表明:煤体在循环吸附-解吸下的变形呈现出各向异性的特点,但在平行层理和垂直层理2个方向上的变化趋势一致。随着循环次数的增加,各次吸附导致的煤体最大变形量增大10%左右。在同一次吸附-解吸中,垂直层理方向煤体的变形速率比平行层理方向的快。在1 MPa压力条件下,煤体的残余变形量与循环次数呈线性关系,即:ε_(rd)=kn-a。随着试验的进行,煤体结构内损伤增多,煤体强度降低。     

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。     

瓦斯压力对煤体吸附-解吸变形特征影响试验研究

以松藻煤电公司渝阳煤矿8#突出煤层原煤试样为研究对象,开展了不同瓦斯压力条件下的煤体吸附-解吸变形试验。研究结果表明:含瓦斯煤体吸附-解吸变形动态曲线可划分为抽真空压缩变形阶段I、吸附膨胀变形阶段II、解吸收缩变形阶段III等3个阶段;煤体的吸附-解吸变形具有明显的各向异性特征,但横纵向变形量比值随时间和压力变化不明显,趋于定值;含瓦斯煤体体积变形随吸附/解吸压力的增大呈线性增加,吸附/解吸时间越长,线性斜率越大;含瓦斯煤体吸附-解吸变形不可逆,残余变形量随气体压力增加而增大,且纵向变形对煤体残余体积变形贡献相对较大。     

不同含水率煤体电阻率随吸附/解吸变化实验研究

实验通过利用高精度电阻测试实验装置,在不同含水率,同一瓦斯压力条件下,对煤体电阻值随吸附/解吸瓦斯的变化规律进行测定。研究结果表明:不同含水率条件下,在瓦斯吸附过程中,煤体电阻值随瓦斯吸附量先逐渐减小,后趋于平稳;而在瓦斯解吸过程中,煤体电阻值与煤中瓦斯含量呈指数关系。     

瓦斯压力对煤体吸附特性及结构影响实验研究

为深入研究煤体在不同压力条件下吸附瓦斯特性及煤体孔隙结构变化特征,利用核磁共振(NMR)技术对煤体吸附瓦斯进行实验研究。实验结果表明:实验煤样的微小孔峰面积中大孔峰面积裂隙峰面积,表明煤样的微小孔最为发育,煤体孔径以微小孔为主,空隙之间的连通性不强,瓦斯不易流通;随着压力的增加,当瓦斯压力达到一定程度后,煤体会产生新的孔隙,微小孔隙相连通构成了微孔或者中孔,中孔相互连通形成了裂隙,为下一步解吸瓦斯的流通提供了条件,出现瞬时的瓦斯快速解吸;煤样瓦斯吸附解吸特征按照峰值前后分为上升阶段、变化剧烈阶段和基本不变阶段,总体规律上,煤体瓦斯吸附量随着瓦斯压力的增大而增加;在不同的瓦斯压力作用下,核磁共振T_2谱图核磁信号幅度发生显著变化,T_2谱图分布面积与瓦斯压力呈线性关系逐渐增长,即煤体孔隙度随瓦斯压力增加而增加。     

单位等量解吸焓对煤与瓦斯突出综合作用假说的补充

基于平顶山五矿中阶原生煤和构造煤的系列等温吸附实验数据计算温度-压力-吸附方程(TPAE)参数。通过TPAE方程计算结果证实,吸附是可以自发进行的放热反应,解吸是无法自发进行的吸热反应;热力学计算证明当吸附量增加,其单位等量解吸焓却按幂函数关系下降;原生煤单位等量解吸焓是构造煤单位等量解吸焓的2.2倍;煤靠吸收环境能量进行瓦斯解吸、降低温度、升高压力;而瓦斯压力升高和温度降低都有利于其余煤增加吸附以达到新的瓦斯气液平衡;煤吸附量持续增加带来的直接后果是其单位等量解吸焓的持续下降;环境能量输入与瓦斯内能蓄积转移显示互为诱因、互相强化,直至新一波的环境能量输入,诱发吸附瓦斯解吸达到足够高的压差梯度发生瓦斯突出;瓦斯突出是按准备、启动、发展和终止的先后次序发生;准备与启动的分段节点是有无工程活动,启动与发展的分段节点是圈闭瓦斯的煤壁是否被突破,发展与终止的分段节点是构造煤的吸附量是否接近于0。     

含瓦斯煤体渗吸水变形特征实验研究

为了研究含瓦斯煤体渗吸水变形特征,利用自主设计搭建的承压瓦斯自然吸水实验系统,开展煤体在0.5、1.0、1.5、2.0 MPa瓦斯吸附平衡压力下的自然渗吸水实验。实验结果表明:气体吸附阶段,瓦斯压力越大,煤体横、纵变形量越大,纵向变形量约为横向变形量的2倍;自然渗吸阶段,煤体横、纵变形量均大于同一瓦斯压力下单纯气体吸附过程,实验系统环境压力值小幅升高,压力上升最大值为0.013 MPa,表明水渗吸同时存在瓦斯解吸过程;卸压泄水阶段,不同瓦斯压力下煤体的含水率分别为0.98%、1.05%、1.51%、2.24%,体应变和初始瓦斯压力二次相关,煤体体应变残余变形值较大,表明水渗吸作用后含瓦斯煤体变形的不可逆性和破坏性。     

基于红外测温的煤体瓦斯吸附-解吸过程温度变化特征研究

应用红外测温摄录仪分别对不同压力、不同变质条件下的煤体瓦斯吸附-解吸过程中温度变化进行测量,将红外数据进行小波滤噪后拟合出瓦斯吸附-解吸特征函数曲线。分析得出结论:不同平衡压力下吸附过程中升温趋势符合指数函数关系,解吸过程中降温趋势符合对数函数关系;煤体变质程度也会影响吸附-解吸过程中温度变化特征,煤体变质程度越大,吸附-解吸造成的温度变化幅度越大。拟合函数△T=K(1-et/b)参数K表征了吸附-解吸所引起的煤体温度变化最大值,温度变化最大值与煤体瓦斯解吸量成线性正相关。     

煤体含水量对瓦斯解吸特性影响规律实验研究

为了验证含水量对煤体中瓦斯解吸特性的影响,以新景矿3号煤层为实验对象对煤体的饱和吸附量、解吸量和解吸速度进行了测试。结果表明:随着煤体含水量的增加,煤体的瓦斯吸附量逐渐减少,且减少幅度越来越小;随着煤体含水量的增加,煤体的瓦斯解析量减少且解吸速度越慢;含水量达到11.5%后,含水量对煤体的瓦斯解吸特性影响非常小。研究结果对确定瓦斯压力和突出风险具有重要的作用。     

不同温度下型煤吸附解吸变形规律的研究

采用自主研制的高压瓦斯煤岩吸附-解吸测试系统,进行了型煤在不同温度条件下的吸附-解吸变形全过程试验,对型煤吸附与解吸瓦斯产生变形进行了研究。研究结果表明,型煤在不同温度条件下随时间的变形曲线具有相同的变化规律,即先后经历快速膨胀变形、缓慢膨胀至平衡变形、卸压瞬时膨胀变形、快速收缩变形、缓慢收缩至平衡变形5个阶段;型煤的吸附膨胀和解吸收缩曲线均具有朗格缪尔方程和幂函数方程特征;型煤在吸附过程中的膨胀变形具有各向异性,在解吸过程的收缩变形具有各向同性,解吸平衡的残余体应变与温度呈负相关。     

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。     

Experimental study of deformation rules during the process of gas adsorption and desorption in briquette coal

Gas is one of the most important factors which causes coal and gas outburst and can influence the mechanical characteristics of coal. Coal itself is a kind of elastic carbonaceous material which can swell and shrink under the influence of gas adsorption and desorption. Solid deformations influence the porosity of coal which also changes its adsorption and desorption capability. Gas pressure due to gas adsorption in porous materials is the cause of elastic deformation of coal, which can be assessed by direct experimental measurements. In this paper, briquette coal samples are made with different sizes of coal particles and the deformations are tested during the process of gas adsorption and desorption in samples under different gas pressures. The results show that coal swells during gas adsorption and shrinks during desorption. Deformation of different coal samples under different gas pressures is variable. It is further observed that deformation of coal is proportional to gas pressure and particle size. Also, deformation is not recoverable and residual deformation develops. The relationship between residual deformation and gas pressure is derived. This study helps to reveal the damage mechanism of pore gas in cola mass.     

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。     

煤吸附解吸CO2变形特征的试验研究

无商业开采价值的煤层被认为是理想的CO2储存场所,煤吸附解吸CO2的变形特征是煤中CO2封存的重要问题。利用煤体吸附-解吸变形试验系统,在预定压力的CO2气体环境下,对取自赵各庄煤矿9号煤层煤样的轴向应变和径向应变进行了近600 h的观测,研究煤样在不同气体压力下吸附、解吸CO2的变形特征。实验结果显示：煤样吸附/解吸CO2产生的膨胀/收缩变形,煤样吸附变形需要12 h甚至更长时间才能趋于稳定,原煤样品的吸附解吸变形呈各向异性;经历了吸附和解吸CO2的煤样均有不同程度的残余变形,气体压力低于1.5 MPa时残余体积应变低于0.6×10-3,可近似认为煤样吸附解吸变形过程可逆。通过煤样吸附解吸变形实验数据的拟合发现,Langmuir方程可反映煤样吸附解吸CO2变形随气体压力的变化规律。     

煤层对CO2、CH4和N2吸附/解吸规律研究

针对目前我国煤层气开发中存在的产气率低、煤层气开采理论规律研究欠缺等问题,根据试验对比分析了不同温度15、20、25、30℃时,CO2、CH4和N2在煤岩中的吸附／解吸规律。试验结果表明,当温度升高时,气体分子的平均自由程越大,气体吸附量变小;对同一种煤介,当压力相同时,临界温度高的气体,具有较强的吸附能力,煤层对CO2、CH4和N2吸附能力依次下降;压力升高时,煤层对气体的吸附量变大;降压解吸过程存在解吸滞后现象,温度降低显著,这与吸附、解吸表达式和吸热反应有关。     

祁东井田71煤层煤层气开发潜力评价

针对煤层气开发潜力评价过程中的常规参数难以定量描述气体解吸完整过程的缺点,以祁东井田为例,在对该区地质特点和储层特征进行分析的基础上,结合等温吸附曲线提取临储压差、临废压差、有效解吸量、解吸效率等指标,分析了研究区煤层气的解吸过程并建立了煤层气开发潜力的定量评价方法。结果表明:祁东井田71煤层为碎粒结构煤,塑性大,渗透率低,需要通过水平井分段压裂的方式进行开发;该储层产气过程中只经历敏感解吸阶段,最大解吸效率为8.23 m³/（t·MPa）,见气后短时间内可获得较高产量的工业性气流,解吸量最高可达7.5 m³/t,具有较高的产气潜力;该煤层临储压差高达4.83 MPa,表示井底见气前要经历长时间的降压过程,随后产气量快速上升,应该采用平稳缓慢的排采方式,避免压力波动和煤粉产出。     

煤岩三轴蠕变-渗流-吸附解吸实验装置的研制及应用

为研究受载含瓦斯煤岩流变过程中的渗流规律和煤体瓦斯吸附解吸特性,自主研制了煤岩三轴蠕变-渗流-吸附解吸实验装置,该装置主要由主机、伺服加载系统、三轴压力室、孔压控制系统、吸附解吸系统、温度控制系统、变形测量系统以及安全防护系统等8个部分组成,其最大轴压为500 kN、最大围压为50 MPa、最高加热稳定温度为90 ℃,试件尺寸为50 mm×100 mm。该装置具有以下主要优势：能实现煤岩孔隙率的测试、煤岩力学参数测试、煤岩瓦斯吸附解吸实验和受载含瓦斯煤的蠕变-渗流等多种实验,功能强大、性能稳定、测试准确;采用了滚珠丝杠加载方式,满足了蠕变-渗流等实验的长期加载需求,最长加载时间能达2个月以上;配备了高低温控制系统,能实现煤岩试样进气端、出气端和三轴压力室3处的气体温度保持一致,有效避免了温度变化所导致的气体流量上的测量误差。同时利用该装置分别开展了煤样孔隙率测试、受载含瓦斯煤样解吸特性和含瓦斯煤样的蠕变-渗流实验研究,实验验证了该装置在功能上的多样性和在测试上的准确性和可靠性。