温度冲击下煤体裂隙结构演化的显微CT实验研究

为研究温度冲击下煤体裂隙结构演化特征,以期从微细观方面揭示煤体对温度的响应机制。采用SLX–80型高低温实验系统对原煤进行4种温差条件下的冷热冲击实验,利用工业显微CT系统对温度冲击前后的煤样进行扫描和裂隙结构的三维立体重建,基于VGStudio MAX图像分析系统建立煤样清晰的裂隙可视模型,并对煤体裂隙结构演化特征进行量化表征,运用非定常热应力理论分析温度冲击下的破煤机制。研究结果表明:温度冲击促使煤体内部裂隙扩展加宽,萌生新裂隙,裂隙体积、壁厚、表面积均与温差呈正相关关系,不同温差产生的热应力决定了煤样的损伤程度;温度冲击过程中产生了大量的声发射信号,声发射信号的产生主要集中在前600 s,且温差越大所产生的声发射能量越高;温度冲击所产生的最大热应力位于煤样表面的切向方向,热应力超过煤样抗拉强度是导致裂隙萌生、扩展和相互贯通的直接原因。研究结果可为煤层气高效开发和提高煤层瓦斯抽采率提供技术支撑。     

温度冲击下煤层内部孔缝结构演化特征实验研究

为研究温度冲击下煤层微观结构的变化特征,采用高低温试验系统对原煤进行了温度冲击实验,利用扫描电镜、工业显微CT、压汞实验和低温液氮吸附实验对温度冲击前后煤的孔隙裂隙结构的演化发展进行了联合表征。基于数字图像处理技术,对温度冲击前后煤层扫描电镜图像进行二值化处理,定性与定量地分析了煤层的裂隙宽度变化,并统计分析了温度冲击前后煤层中孔隙的比表面积和孔径变化。研究结果表明:温度冲击作用促使煤样内部大孔之间相互贯通并形成宏观裂缝,导致大孔体积相应减少,中孔和小孔的体积均增大;温度冲击试验测试过程中所产生的最大热应力位于煤样表面的切向方向,温度冲击所产生的热应力超过煤样抗拉强度是导致裂隙萌生、扩展和相互贯通的直接原因。研究结果可为煤层气高效开发和提高煤层瓦斯抽采率提供技术支撑。     

基于分形表征的粗糙微纳米孔隙瓦斯气体传输方程

为揭示煤体孔隙内表面粗糙微结构对瓦斯传输的影响机制,准确研究粗糙孔隙中的瓦斯气体传输规律,运用自相似特性分形理论推导出了微纳米孔隙内壁面粗糙元有效平均高度和孔隙有效半径的精确数学表达式;采用Optical Tensiometer设备对取自煤体孔隙内壁表面进行3D形貌结构量化分析,将所得关键参数代入相对粗糙度表达式求得对应值为0.352;结合流体速度滑移效应和分子扩散传输机理,推导出了粗糙微纳米孔隙中的瓦斯气体滑流修正传输方程和非连续流扩散传输方程,再通过等效转换原则推导出微纳米孔隙内的视渗透率模型;考虑到煤体纳米级孔隙难以进行精确测量表征和规避孔隙连通性对气体传输的影响,选取结构规整的纳米级圆孔阳极氧化铝薄膜作为气体流动通道载体;基于气体压差穿透实验原理,利用实验室PMI微渗透率设备进行了纳米级孔隙薄膜的渗透性实验,将实验结果所测得的渗透率数据与本文理论模型计算值进行了对比分析。研究结果表明:基于分形表征建立的粗糙微纳米孔隙瓦斯气体传输方程合理可靠,考虑孔隙粗糙度对瓦斯流动的影响是应该且必须的,以分形理论表征的孔隙相对粗糙度公式比前人所提出的孔隙粗糙度经验性公式更为精确,研究结果可为在分形拓扑领域中构建自仿射粗糙微通道的气体流动模拟研究工作中提供借鉴。     

动静加载下含瓦斯煤层突出试验研究

为研究深部复杂应力环境中煤层开采受动态载荷扰动发生煤岩动力灾害的过程和机理,采用河南理工大学自主研制的动静载条件下煤与瓦斯突出模拟试验设备,模拟了静态和动态组合加载作用下煤与瓦斯突出现象,进行了瓦斯吸附条件下的动静载突出试验,深入研究了瓦斯吸附量对突出的影响。结果表明:在相同的动态载荷作用下,无瓦斯解吸过程比有瓦斯解吸过程更容易发生突出;无煤柱影响比有煤柱影响更容易发生突出,并且无煤柱影响的突出强度比有煤柱影响的要大。研究结果对于煤层瓦斯突出机理的研究具有重要的参考意义。     

基于工业CT扫描的数字煤心构建过程及 裂缝形态表征

为实现煤样内部裂隙结构信息的数字化,达到对其裂缝形态进行精确表征的目的,运用高精度工业显微CT,对采自安阳主焦矿的焦煤煤样进行精确扫描,利用VG Studio MAX图像分析软件,对基于CT扫描所得的可视化煤心进行裂缝提取,并对煤心的CT扫描图像进行量化分析。结果表明,基于工业显微CT扫描重建的三维数字煤心,能可靠地反映真实煤心的内部裂隙结构,图像处理软件能够对煤样中错综复杂的裂隙网络进行精确表征,满足科研工作者对裂隙煤岩体进行定量描述的要求。研究结果可为基于工业CT扫描的煤岩无损检测及数字煤心构建提供有益参考。