受载煤样瓦斯解吸规律实验研究

为了查明受载煤样瓦斯解吸规律,自行设计了受载煤岩恒压瓦斯吸附解吸实验装置,进行了不同轴压和瓦斯压力条件下柱状煤样瓦斯解吸实验,分析了轴压和瓦斯压力对瓦斯解吸的影响,并根据瓦斯解吸经验公式,对实验结果进行了拟合。研究结果表明:在相同轴压条件下,瓦斯压力越高,煤样瓦斯解吸量越大,解吸速率越快;在相同瓦斯压力下,轴压越高,煤样瓦斯解吸量越大,解吸速率越快;轴向受载煤样瓦斯解吸规律符合艾黎公式,式中m值能够表征煤体内部孔裂隙发育程度。随着轴压增加,微裂隙逐渐发育,m值逐渐减小。     

外水侵入对受载含瓦斯煤解吸的影响

以钱家营矿5#煤层的煤样为试验煤样,利用自主研发的试验平台,进行了不同轴压、围压条件下含瓦斯煤自然解吸和外水侵入过程中瓦斯解吸的对比试验。结果表明:同样的试验条件下,外水侵入过程中煤样的瓦斯解吸量和解吸速率大于自然解吸煤样的瓦斯解吸量和解吸速率,说明外水侵入促进了瓦斯的解吸。当轴压、围压在4~8 MPa的范围内,外水侵入过程和自然解吸过程中的瓦斯解吸量和解吸速率随着轴压、围压的增加逐渐增加,当轴压、围压大于8 MPa时,瓦斯解吸量和解吸速率随着轴压、围压的增加而逐渐减小。     

水分对煤层气吸附解吸的影响

煤岩实际储存环境含有水,而目前考虑水分对煤层气的吸附解吸影响的研究较少,因此开展了不同含水率下的煤层气吸附解吸实验。结果表明在压力、温度等不变的条件下,随着煤含水率的增加,吸附量减小,解吸率增大;同一温度下,煤的饱和吸附量、最终解吸率与煤含水率表现出很好的线性关系,饱和吸附量几乎不受水分影响,最终解析率随着含水率的增加而增加。通过拟合分析发现,Langmuir模型可以准确描述煤层气的吸附行为,而改进Langmuir模型适合描述解吸行为,新型改进Langmuir模型可以准确拟合解吸率数据。随着温度增加,Langmuir模型中的参数 a减小;随着含水率、温度的增加,参数b 均减小。     

应力对含瓦斯煤解吸特征影响的试验研究

深部开采时地应力的升高和剧烈开采的扰动,容易在采掘工作面形成应力集中区,从而导致应力主导型的突出事故和冲击-瓦斯复合动力灾害发生。为了探索深部开采时应力对含瓦斯煤解吸及涌出特征的影响规律,提高矿井瓦斯灾害治理的精准性,以焦作矿区九里山矿无烟煤为研究对象,利用煤岩三轴渗流-吸附-解吸试验装置进行了不同应力状态下煤样的等温解吸试验和恒吸附压力下的应力解吸响应试验,分析了应力作用对煤的解吸涌出特征的影响规律。研究结果表明:应力直接影响含瓦斯煤的解吸能力,决定应力集中区煤层瓦斯的涌出特征;在吸附等量瓦斯气体的情况下,煤的瓦斯解吸累积量、解吸初始速率均随着应力增加逐渐增大,解吸速率衰减指数随应力增加变化不大但呈现逐渐减小趋势,应力作用促进了煤样的瓦斯解吸;通过恒吸附压力下煤样对不吸附性气体(He)和吸附性气体(CH_4)应力解吸响应的对比试验,验证了应力作用会明显诱导煤样的解吸行为,导致相同条件下煤样的吸附能力降低;研究结果阐明了应力对含瓦斯煤解吸涌出特征的影响,揭示了应力对煤基质瓦斯解吸的诱导作用,对深部开采煤层瓦斯灾害的防治和煤层气的开采具有理论和工程实践意义。     

覆压-注水作用下含瓦斯煤解吸特性试验研究

深部开采易形成地应力与瓦斯的耦合作用，出现地应力主导型的煤与瓦斯突出事故。为了提高矿井瓦斯灾害防治的精准性，亟需深入了解地应力作用下水分介入后对含瓦斯煤解吸特性的影响。在试验室搭建了覆压作用下注水对煤样瓦斯解吸特性影响的模拟测试装置，通过向试验煤样施加覆压，同时注入水分，研究覆压-注水作用下含瓦斯煤的解吸特性。基于该试验装置，测试了古汉山矿（GHS）煤样在覆压5、10、15 MPa，水分0、2%、4%和6%，相同充气量条件下的瓦斯解吸数据。通过分析试验数据，得到覆压-注水作用对GHS煤样累计瓦斯解吸量、瓦斯解吸速度、初始瓦斯解吸速度影响系数和残存瓦斯含量的影响规律。研究结果表明：覆压作用使干燥煤样累计解吸量和初始瓦斯解吸速度增大，促进了瓦斯解吸；随着水分的介入，覆压大的煤样累计瓦斯解吸量和初始瓦斯解吸速度反而变小，说明水分抑制了瓦斯解吸，水分介入后覆压作用从促进瓦斯解吸过渡为抑制瓦斯解吸。理论分析认为，覆压的活塞效应促进干燥煤样的瓦斯解吸，随着水分的介入，水分在煤体裂隙和孔隙中产生了强烈的毛细管阻力，随着覆压增大，煤样被压碎压实，煤中孔隙尺寸变小，毛细管阻力变大，从而产生更强的抑制解吸...     

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。     

水力耦合作用下煤岩渗流动态演化规律

为探究煤层注水时水在煤体中的渗流演化规律,采用实验室试验与数值模拟结合的方法,开展了地应力及孔隙水压力耦合作用下煤体结构变形及渗透率演化规律试验,并建立了水力耦合下体积变形演化数学模型,基于UDF二次开发进行了煤岩注水渗流动态演化数值模拟。研究结果表明:煤岩孔隙率变化受应力与水压共同作用的影响;煤岩轴向变形量与水压分布由上至下呈递减式传递,体积变形与轴向力、孔隙水压大小成正相关;孔隙水压为赋存于孔裂隙的自由水提供渗透动力,并对煤岩基质骨架产生力学作用,水压越大,煤岩基质骨架越容易破坏;采用UDF程序加载渗透性试验结果对孔隙率随孔隙水压变化进行拟合的结果更接近试验结果,误差较小,对于研究煤岩渗流规律可以提供一定的参考。     

煤层气钻井工程多因素损害机理研究

单并产量低严重制约着国内煤层气的效益开发,钻完井过程中的煤层渗透率损害被认为是影响单井产量的重要因素之一,针对山西沁水盆地中高阶煤岩的物理化学特性,通过煤岩解吸和渗透率、恢复率、X射线衍射、溶剂抽提后质谱分析、扫描电镜、低温氮吸附和压汞法,测试煤岩的有机分子结构、割理和基质孔隙在钻井液单组分作用下的物理化学性质变化,并对不同类型钻井液在压力波动下应力敏感性损害、钻井压力波动下钻井液滤失量大小以及钻井液侵入后的渗透率损害进行了系统研究.     

钻井液滤失对煤岩井壁稳定性的影响

煤岩具有割理、孔隙等多孔特性,钻井液易侵入,导致井壁围岩失稳。考虑钻井液滤失对煤岩的物理作用,以Mohr-Coulomb塑性模型为煤岩破坏准则,建立了煤岩井壁稳定评价的流固耦合模型,通过数值模拟,对比分析了钻井液滤失对煤岩应力场和渗流场的影响。结果表明:不均匀地应力的挤压作用使钻井液容易沿着最大水平地应力方向滤失;而钻井液滤失会导致孔隙压力增大,继而使井壁煤岩的应力发生改变,应力场最大值由最大水平地应力方向转移到了最小水平地应力方向,且应力极值由15 MPa增至17 MPa,不利于煤岩稳定;在正向压差条件下,钻井液会侵入煤岩孔隙,使孔隙压力增大,导致煤岩应力增大,引起煤岩失稳;因此,钻井液密度设计时应综合考虑井筒液柱支撑井壁和孔隙增压破坏井壁的影响。     

煤岩瓦斯扩散特性试验研究

为研究不同破坏程度煤岩瓦斯扩散特性,分别采用原生煤、碎粒煤、糜棱煤等不同粒径煤样开展了瓦斯解吸试验,并利用变扩散系数瓦斯扩散模型分析了各扩散实验的初始扩散系数及其衰减系数。分析结果表明,当粒径在某范围内,煤岩瓦斯解吸率和初始扩散系数将趋于相同。在某粒径范围内的煤岩瓦斯解吸率随破坏程度增加而增大。随破坏程度增加,煤岩瓦斯初始扩散系数依次增加,而衰减系数依次减小,孔隙更加发育。高破坏程度煤岩瓦斯解吸量大,且瓦斯扩散阻力小,在短时间内能够涌出大量瓦斯从而产生较高的瓦斯压力,更容易引起煤与瓦斯突出。     

基于红外作用条件下瓦斯解吸特征实验研究

为了研究红外作用条件下的颗粒煤吸附/解吸特征,采用自主研发的红外条件下的吸附/解吸装置,通过不同红外温度条件下颗粒煤解吸实验以及红外和水浴条件下颗粒煤解吸对比实验,结合不同吸附/解吸公式对实验数据进行拟合分析。研究结果表明:红外能够促进颗粒煤解吸,增大解吸速率,增加解吸量;在相同的吸附条件下,红外作用下的解吸总量是水浴条件下的1.3~1.4倍;红外作用下颗粒煤的解吸符合有上限单调递增函数,且王佑安式能很好的描述解吸特性。     

煤层处置二氧化碳模拟实验研究

为了研究CO2在煤层中的储存能力与置换驱替CH4特性,利用沁水煤田潞安矿区3号煤层大尺寸(100 mm×100 mm×200 mm)煤样,在确定应力约束条件下,开展了CO2在煤体中的吸附特性与其在含甲烷煤试样中的驱替实验,并对含甲烷煤和不含甲烷煤中CO2的储存特性做了对比分析。结果表明:在模拟真实地应力(围压=轴压=8 MPa)条件与0.5 MPa注入压力作用下,180min内试验煤样中储存CO2量达11.03 L,CO2在测试煤体中的渗透率随其吸附量的增加而减小;在既定的地应力条件和近于14.93 cm3/g煤层平均瓦斯含量条件下,当CO2注入压力由0.5 MPa提高到1.0 MPa时,CO2在试验煤体中的储存量可提高93.00%、储存率提高13.50%、相应CH4的解吸量提高了18.13%;在实验初期,CH4的解吸量高于CO2的吸附量,随注入过程的持续,煤体中CH4的解吸量逐渐趋于平缓且远小于CO2的吸附量;同等条件下,含CH4煤比不含CH4煤可多储存59.29%的CO2,储存率提高了12.51%。     

寺河煤矿煤岩颗粒解吸—扩散特征实验研究

煤层气赋存于煤岩层的割理和基质孔隙中,以吸附状态为主,通过降压解吸释放.利用自主研制的煤岩解吸分析实验装置,研究寺河煤矿3#煤样粉碎后的4种不同粒径的干煤岩颗粒的解吸特征,随着解吸压力的降低,干煤岩颗粒在不同解吸压力下的解吸量不同,呈高—低—高的变化;解吸初始阶段,主要是解吸过程,解吸量主要与比表面积相关;解吸中后期阶段,主要是解吸—扩散过程,解吸量主要与扩散半径相关.     

四川矿区典型煤层地应力场瓦斯渗透性规律实验研究

在深部开采或复杂地质条件下,地应力对煤岩渗透率的影响明显,进而影响煤矿瓦斯抽采的效果。对四川矿区不同典型煤层条件下的原煤进行了实验研究,分析矿区典型地应力特征条件下煤岩渗透率的变化规律,拟合了煤岩渗透率与有效应力的函数关系模型。研究发现:煤岩的渗透率与有效应力呈规律性的反比例关系,并存在拐点。这一发现为该矿区根据地应力条件进行煤层强化增透措施选取提供了依据,该研究成果在四川矿区白皎煤矿的保护层开采应用中取得了较好的效果,瓦斯抽采效果良好。     

煤体变形与瓦斯解吸/吸附关系的研究实验

专门针对瓦斯解吸及吸附作用与煤岩形变的相关性做出实验认证,条件是恒压恒温,利用物理上的排水法间接获得瓦斯体积,又由于解吸量与吸附量是一对互逆过程,那么即可利用回归分析便能够算出朗格缪尔体积常数a以及压力常数b,进而把所获得数据进行拟合分析,得到了体积变化与解吸量的关系式,最终分析出瓦斯解吸及吸附作用和煤岩体积形变的定量关系。     

煤与页岩中瓦斯解吸特性对比实验研究

为了分析煤与页岩中瓦斯解吸特性,以四川盆地龙马溪组黑色页岩和重庆南桐煤矿无烟煤为研究对象,利用瓦斯吸附/解吸装置,开展了不同温度条件下的瓦斯解吸实验,研究结果表明:瓦斯初始解吸速率极快,随着时间的增加,解吸速率逐渐减小,解吸量最终达到最大值;随着温度的增加,瓦斯最终解吸量增大,煤的解吸量增幅明显大于页岩;同等条件下煤在瓦斯解吸量和解吸时间上大于页岩,但页岩的瓦斯解吸速率大于煤。基于渗透模型,通过引入曲率的概念,将瓦斯解吸过程划分为急速解吸、快速解吸、缓慢解吸、极缓解吸4个阶段。     

软硬煤孔隙结构特征及对变压解吸规律的影响

以河南平煤十矿、郜成矿和贵州新田矿的硬煤和软煤为研究对象,通过变压解吸实验分析煤样在变压条件下的解吸规律,并结合压汞实验,从孔隙结构层面分析硬煤和软煤变压解吸的控制机理。结果表明:变压解吸过程中,所有煤样解吸速率均由最大初始值随时间逐渐减小;不同压力值下的解吸量随压力变化上下波动,整体呈现逐渐降低趋势;当压力降至3 MPa以下时,由于在连通的中孔及大孔中解吸出的气体压力不足以持续克服毛细管压力,波动幅度急剧加大;同等压降条件下,软煤比硬煤解吸量更大;总体上软煤解吸速率更快,累计解吸量更多。     

煤矿地下水库煤岩变形特性的尺寸效应试验

煤矿地下水库煤岩变形不仅直接影响水库的储水能力,而且还严重威胁水库的稳定性.论文以神东矿区大柳塔煤矿地下水库为工程背景,选取拟建水库工作面采空区砂岩、泥岩和煤开展不同粒径煤岩碎胀与压实变形试验,揭示煤岩粒径对变形特性的影响规律.研究表明:自然或饱水条件下松散砂岩、泥岩和煤块试样的碎胀系数分别为1.587～1.828,1.591～1.787和1.435～1.753,且碎胀系数均随粒径增加呈对数曲线形式增大;混合粒径煤岩块试样碎胀系数介于各单一粒径之间,相同粒径煤块试样碎胀系数最小,泥岩块试样居中,砂岩块试样最大.加载煤岩块试样的应变和碎胀系数也均与粒径满足对数函数关系变化,相比自然煤岩块试样,饱水煤岩块试样碎胀系数变化幅度更为显著,饱水砂岩块碎胀系数变化为0.382～0.530,平均增幅9.45％,饱水泥岩块碎胀系数变化为0.410～0.627,平均增幅16.67％,饱水煤块碎胀系数变化为0.506～0.807,平均增幅13.34％.通过X射线衍射和扫描电子显微镜观测煤岩块试样矿物成分及细观结构,分析煤岩块内部组构特征与宏观力学性质关系,阐释应力-水岩作用下煤岩变形的尺寸效应,为煤矿地下水库储水量预测和稳定性控制提供理论依据.     

关于煤与瓦斯突出的数值模拟

根据煤岩体介质变形与瓦斯渗流的基本理论,建立了煤岩破裂过程气固耦合作用的RF-PA2D-GasFlow模型,应用该模型对煤与瓦斯突出进行数值模拟,再现含瓦斯煤岩在瓦斯压力、地应力及煤岩力学性质共同作用下煤岩损伤破裂并诱致突出的全过程,这为进一步深入理解煤与瓦斯突出机理及瓦斯抽放防治突出等提供理论基础和科学依据。     

电化学强化无烟煤瓦斯解吸特性及其机理研究

介绍自主研制的电化学强化煤岩气解吸试验装置,该装置主要由高压注气系统、真空脱气系统、电化学作用系统、环境温度测控系统和数据采集系统等5部分组成。该装置的创新性如下:特殊研制了一种耐酸碱腐蚀且绝缘的吸附解吸罐,内设电解液腔与电极定位环,实现了电化学作用场的施加;吸附解吸罐的两端盖均有出气孔和注液孔,配合电化学作用系统可研究电解液在煤岩孔裂隙中定向移动并驱替气体的过程,是建立煤岩流体电动力学这一新理论较为关键的试验装置。采用该装置进行不同酸碱度电解液的电化学强化无烟煤瓦斯解吸试验,结果表明:在酸性电解液中,阳极侧的瓦斯解吸率较阴极侧高,而在中性或碱性电解液中,阳极侧解吸率较低;随电解液pH的升高,瓦斯最终解吸率增大,由61.84%增至87.26%,平均解吸速率提高5.59倍。这是由于电化学方法提高了煤瓦斯扩散系数,主要基于以下3方面作用:电渗作用驱动煤体孔裂隙中的电解液运移,并洗刷、携带煤基质表面吸附瓦斯,提供了瓦斯运移动力;电解反应产生的H+溶蚀碳酸盐和黄铁矿等矿物以及电泳作用迁移煤粒与黏土矿物等带电颗粒,疏通了孔裂隙,缩短了瓦斯扩散距离;热效应增强了甲烷气体分子的活性。