受压状态下块状煤体透气性试验研究

煤层渗透性是瓦斯流动理论重要的研究内容,含瓦斯煤渗透率是反映瓦斯气体于煤层中渗流难易程度的重要指标,是标志着煤层中瓦斯抽采抽放难易程度的关键参数,同时也是煤层瓦斯多场耦合的重要物性参数。以新安矿块状软煤煤样为研究对象,搭建了单轴煤层渗透性试验平台,对煤块渗透特性的固气耦合进行试验研究,旨在探索耦合作用下瓦斯气体的流动和煤岩体的固气耦合特性,以确保高瓦斯煤矿在服务年限内的正常使用。实验结果表明,煤体渗透率与垂直煤体裂隙节理面的轴压和进气压力呈反比关系,而与煤样的体积呈正比关系。     

含瓦斯煤渗透率演化模型和实验分析

与气体压力有关的煤层渗透率变化规律是煤矿开采和煤层气开发过程中的重要问题,不同应力条件下,不同类型煤样的渗透率演化特征不同。为了研究瓦斯压力变化过程中煤样渗透性的变化规律,以开滦赵各庄煤矿9号煤层的煤样为研究对象,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,在恒定温度、轴压和围压,降低瓦斯压力的实验条件下测定了煤样应变和瓦斯渗透率。实验结果表明:随着瓦斯压力的降低,煤样收缩应变加剧,渗透率表现为两种变化趋势:逐渐增大和先减小后增大(渗透率回升对应的瓦斯压力小于1. 0 MPa)。瓦斯压力降低至0. 3 MPa时,渗透率为初始条件下(瓦斯压力2. 0 MPa)渗透率的1. 9～2. 9倍。考虑到煤样在径向和轴向的收缩应变数值接近,针对三维变形煤样建立了渗透率模型,模型同时体现了气体压力和气体解吸对渗透率的影响。理论分析表明,降压过程中煤的渗透率将在某一气体压力(反弹气体压力pr)时由降低转为升高。推导的反弹气体压力pr计算公式显示pr的取值由煤样的体积模量K、与吸附效应有关的Langmuir系数εp和pL共同决定;体积模量K与吸附变形系数εp越大,pr越大。值得注意的是,pr的取值与煤样的外部应力以及内部的气体压力无关。结合本文和前人的实验数据,由本文的渗透率模型计算得到了不同应力和瓦斯压力条件下的煤样渗透率变化曲线以及相应的反弹气体压力pr。模型计算结果与实验数据接近,最大相对误差低于8. 9%。研究表明,实验测得煤样的渗透率表现为何种变化趋势,取决于反弹气体压力pr和实验气体压力的关系。当pr≥pmax(实验测点中最大的气体压力值)时,渗透率随着气体压力增大而降低;当pr≤pmin(实验测点中最小的气体压力值)时,渗透率随着气体压力增大而增大;当pminprpmax时,随瓦斯压力的增大,煤样渗透率呈"V"形变化,即先减小后增大。     

有效围压对煤体渗透性演化的影响研究

煤体变形和瓦斯渗流的耦合作用是煤矿瓦斯突出机理研究中的重要问题,煤渗透率的变化与其应力状态密切相关。为了理清有效围压对煤体渗透性的影响,对煤样进行了不同瓦斯压力下全应力应变过程的渗透性实验,分析了瓦斯压力对煤样强度和渗透率的影响;针对不同瓦斯压力,设计完成了相同有效围压下三轴压缩力学实验(无瓦斯作用);并利用孔隙介质力学的分析方法,依据应力应变数据计算了煤样孔隙度。研究发现,有效围压相同条件下的煤样孔隙度计算结果与渗透率实验结果的变化趋势一致;在三轴压缩实验条件下,煤样峰值强度前的渗透率降低幅度受有效围压的控制,有效围压越高,渗透率所历经的降低幅度越大。     

大佛寺低阶煤瓦斯储层的渗透性及其关键受控因素分析

彬长矿区大佛寺煤矿井田具有丰富的煤层气资源,瓦斯抽采的关键因素为煤层中瓦斯运移的难易程度,即渗透性。通过现场取样、实验室制样并采用煤样渗流实验系统进行测试,分析煤层渗透性大小及其关键受控因素,煤样垂直层理方向瓦斯流动通道与平行层理相比发育较少,水分进入煤体后阻塞瓦斯流动通道,瓦斯在垂直层理方向的运移受其影响更大,渗透率随着煤样含水率增加显著下降,不利于瓦斯抽采。     

瓦斯隧道中煤的渗透性研究

煤的渗透率是反应煤体中气、水等流体的渗透性的重要参数,决定着煤体中瓦斯等气体产出量大小及产出的速度.煤的渗透率除受自身裂隙程度影响外,还受外部因素(如有效应力、Klinkenberg效应、基质收缩效应等)的影响,其中煤体自身裂隙系统起着关键作用.本文以山西省临吉高速松卜岭隧道穿过的煤层为试验煤样,分析研究了煤的渗透率与体积应力和渗透压力的变化规律,为隧道的开挖、瓦斯监控、通风量大小等现场施工工作提供指导,并为以后注入二氧化碳气体驱替煤层甲烷的研究工作提供理论参考.     

煤层非稳态法气和水相对渗透率实验研究

以沁水盆地南部某区块煤样为实验对象,利用非稳态法测定气驱水和水驱气情况下气和水的相对渗透率。结果表明:水驱气实验中,经过不同驱替压力、不同气体的水驱气相对渗透率实验后,煤样的束缚水饱和度在每次实验后均发生不同程度的变化。气的相对渗透率均小于水的相对渗透率。分析为煤样在高压吸附气体作用下变得更加具有亲水性,如甲烷、二氧化碳。但对于非吸附气体氦气,高压反而阻止了水渗流至小空隙,导致束缚水饱和度的下降。气驱水实验中:测定并计算得到的数据相对分散,不具有一定的规律,气和水相对渗透率曲线波动大。研究认为煤层中气和水的相对渗透率取决于煤层中气体的性质、煤层内压力以及各相流体与煤层的相互作用。     

煤体结构的定量表征及其意义

煤的坚固性系数f与瓦斯放散初速度△p是反映煤与瓦斯突出危险的主要指标,渗透率则反映了煤层瓦斯抽采难易程度,而煤体结构在某种程度上决定了f、△p的大小与渗透性的好坏。如何快速判识煤体的f、△p和渗透率,为瓦斯突出预测及抽采服务是人们关注的焦点。为此,通过井下煤壁观测,获取一个煤体结构定量表征参数-地质强度指标GSI,并通过实验建立GSI与f、△p、渗透率的定量关系,即通过GSI的直接观测估算这3个参数,使得这3个参数的获取快捷、简便,随时可指导生产。研究表明:f随GSI的增大而增大,呈正相关线性关系;△p随GSI的增大而减小,呈负相关线性关系;渗透率随GSI的变化呈正态分布,在GSI=52.7处达到了最大值。此外,同一煤样湿润后,f增大,△p减小,但与GSI仍然保持同干燥煤样类似的线性关系。     

高压空气爆破致裂效果影响因素分析北大核心

为了提高低透气性煤层的增透效果,提出了高压空气爆破增透技术,阐述了高压空气爆破技术工作原理和工艺流程,利用高压空气的瞬间爆破冲击煤体,使煤体产生裂隙网络,从而有效地增加煤层透气性,同时分析了影响高压空气爆破煤体致裂效果的几个影响因素。通过数值模拟,研究地应力、高压气体、煤体硬度、瓦斯压力对高压空气爆破时裂隙产生的影响,结果显示高压空气爆破冲击可以有效地使煤岩介质产生破碎裂纹,地应力对裂隙扩展效果具有明显的抑制作用;高压气体、煤体硬度、瓦斯压力的大小对裂隙的产生和扩展具有积极作用。     

高压空气爆破致裂效果影响因素分析

为了提高低透气性煤层的增透效果,提出了高压空气爆破增透技术,阐述了高压空气爆破技术工作原理和工艺流程,利用高压空气的瞬间爆破冲击煤体,使煤体产生裂隙网络,从而有效地增加煤层透气性,同时分析了影响高压空气爆破煤体致裂效果的几个影响因素。通过数值模拟,研究地应力、高压气体、煤体硬度、瓦斯压力对高压空气爆破时裂隙产生的影响,结果显示高压空气爆破冲击可以有效地使煤岩介质产生破碎裂纹,地应力对裂隙扩展效果具有明显的抑制作用;高压气体、煤体硬度、瓦斯压力的大小对裂隙的产生和扩展具有积极作用。     

煤体温度对瓦斯渗透性影响的实验研究

运用实验室自制研究的煤层瓦斯动力模拟系统,进行了煤体在不同温度作用下对瓦斯渗透性影响的实验研究。阐述了温度作用下煤渗透性实验的方法与过程,得到考虑温度变化情况下煤层瓦斯渗流规律。试验结果表明:在不同温度条件下,煤的渗透率随气压的增大而呈指数形式减小;在一定的气体压力下,煤体的渗透率随温度的增加而减少。     

高压脉动空气量子植入蠕变预裂增透技术研究与应用

高压脉动空气量子植入蠕变预裂增透技术主要是利用高压空气间歇式增压和减压，沿着煤层的层理和节理穿透煤层，以达到增加煤层透气性和渗透性的目的。通过在煤矿现场的实际应用表明，该创新技术能有效解决复杂地质条件下煤层瓦斯抽采率低的难题，其原理科学、先进，实际操作安全、实用，对于瓦斯治理具有研究意义，也可为广大煤矿瓦斯治理工程技术人员提供借鉴。     

高地应力条件下高压空气爆破卸压增透技术实验研究

为探索高地应力条件下的非常规卸压增透技术,研究了深部矿井高压空气爆破卸压机理,分析了地面与井下气爆致裂煤体的差异性,构建了高地应力条件下高压空气爆破卸压范围的理论计算模型,以丁集煤矿为工程背景,理论计算了气爆致裂煤体的卸压范围;详细介绍了高压空气爆破技术与装备,开展了高压空气爆破的地面实验,得到了有、无位移约束2种条件下混凝土试件气爆破坏效果与破坏特征,分析了气爆压缩波反射作用对试件的破坏影响作用;开展了丁集矿的井下现场试验,研究了气爆卸压增透效果,分析了气爆前后钻孔瓦斯流量、瓦斯抽采量、衰减系数与透气性系数的变化特征,结合以往经验类比与理论计算,得到了气爆后卸压增透的最佳范围。研究结果表明:在气爆压力达到60 MPa左右时,有、无位移约束的混凝土试件破坏程度很高,主要呈现出径向断裂特征;在淮南丁集煤矿气爆后的煤层钻孔瓦斯流量是无气爆的6～8倍,瓦斯抽采量是气爆前的4～7倍,透气性系数是未气爆的5～1 050倍,衰减系数是未气爆的0.4倍,气爆的最佳卸压增透半径不超过2 m;首次气爆使爆孔周围煤体的力学性质得到弱化,相当于爆孔周围发生了卸荷效应,在二次气爆与高地应力共同作用下形成了较大的松动破坏范围,从而达到卸压增透目的。     

瓦斯压力变化过程中煤体渗透率特性的研究

为了研究煤体渗透率与瓦斯压力之间的关系,以吸附瓦斯煤体变形的应力、应变研究为基础建立了煤体渗透率与瓦斯压力变化的数学模型,并在温度恒定、径向应变受到严格约束和水份不变的条件下进行了实验。采用测量不同吸附特性煤样在不同孔隙压力和不同压差条件下瓦斯渗透流量的方法测定渗透率,渗透流量测量采用排水法与气体微流量计法相结合的测量方法,将其测量结果与数学模型产生的曲线进行对比分析。研究结果表明:渗透率随瓦斯压力的变化而变化,且瓦斯压力对于不同吸附性能的煤样影响程度不同;煤样瓦斯渗透率的理论值与实验值的相对误差最大可达到8.62%。但是从总体的数据来看,理论值和实验值的变化趋势基本一致,因此,可以依据煤样的基本参数和渗透率数学模型计算出该煤样在某一瓦斯压力下的渗透率。     

穿层钻孔超高压水力割缝技术试验研究

为提高张集矿1煤层瓦斯抽采效果,解决低透气性厚煤层瓦斯抽采率低、瓦斯涌出量大的难题,矿井采用超高压水力割缝卸压增透技术在1415A底抽巷进行了试验应用。通过对割缝钻孔和未割缝钻孔的等效直径、钻孔瓦斯流量、瓦斯抽采量、瓦斯含量下降率等分析表明,采用超高压水力割缝术后,钻孔内煤体的暴露面积大大增加,为瓦斯释放提供了有利空间,同时使煤体充分卸压,改善煤层透气性,大幅度提高瓦斯抽采率,减少了抽采达标时间,解决了厚煤层采掘工作面瓦斯治理的难题。研究为矿区类似条件厚煤层的瓦斯高效治理提供了技术指导。     

高压水射流水力扩孔抽采半径考察研究

潘三矿为大型现代化矿井,13-1煤层原始透气性系数低且瓦斯压力及含量均较高,煤层突出危险性严重,直接抽采煤层瓦斯难度大。采用新型高压水射流扩孔技术,可达到扩大钻孔直径、增加煤层暴露面积和卸压范围的目的,从而提高煤层的透气性,增大煤层的抽采半径。在测定煤层原始瓦斯压力及含量的基础上,采用瓦斯压力和含量降低法考察水力扩孔后的煤层抽采半径,为试验区煤层抽采钻孔设计提供了依据。     

吸附作用对原煤渗透特性的影响

为了解吸附作用对原煤渗透特性的影响,利用自制的煤岩三轴渗透仪,在不同轴压和围压组合条件下,对以打通一矿低渗透突出煤层的原煤试样,采用稳态渗流法进行CO2和N2渗流试验。从渗流力学的观点,分析不同吸附性气体对原煤渗透率的影响。试验结果表明:气体吸附作用越强,气体吸附量越多,则煤样渗透率越低;气体吸附性越强,煤样受围压影响越小,煤样对气体吸附量增加幅度越大;气体压力与原煤渗透率呈乘幂函数关系。同时,给出了吸附膨胀应力与渗透率的关系表达式。研究结果对探索煤层真实的瓦斯运移规律具有一定的参考价值。     

无烟煤型煤和原煤的渗透特性对比研究

通过搭建渗流实验平台,选取焦作矿区具有代表性的无烟煤型煤和原煤煤样,研究了煤体渗透性实验中型煤和原煤的差异。同时,在改变围压、气体压力等单一条件下,研究了不同围压和气体压力对型煤和原煤渗透性的影响差异;以及在固定围压和气体压力时,在施加轴向应力加载的条件下,对比分析了应力变化过程中型煤和原煤的渗透率变化。结果表明,型煤的渗透性在围压和气体压力变化时趋势相近,但在应力加载过程中有较大差异,渗流实验中煤样的选取对结果有着较大的影响。     

区域井下高压气体掏穴增产技术在煤层气开采中的应用

 我国存在不少单一贮层、松软结构、低渗透性的煤层结构,同时这类煤层也多是瓦斯突出区域,对此类结构煤层采用水力压裂、割缝、深孔控制爆破、松动爆破等技术抽采煤层气,效果十分有限,基于此本文提出一种沿底板岩巷钻井,高压气体旋转喷射切割煤层,掏穴卸压开采煤层气的方法,并对其机理和运行模式进行分析,为我国低渗透性煤层煤层气开采提供一种新思路。     

低浓度抽采钻孔压缩空气循环脉冲疏堵增透技术研究

针对瓦斯抽采过程中存在的透气性低、钻孔堵塞，引起瓦斯流动通道封闭造成的瓦斯抽采浓度低等问题，通过研究压缩空气循环脉冲疏堵增透机理，优化关键技术参数，研制基于压缩空气循环脉冲动力作用的抽采钻孔自动疏堵增透装置，并进行现场工业试验。研究结果表明：利用压缩空气循环脉冲装置对钻孔疏堵增透后，能将钻孔内的堵塞物破碎运出钻孔，并在抽采钻孔周围煤体中形成新的裂隙。疏堵前后，典型代表性钻孔瓦斯浓度最大变化倍数8.3，平均变化倍数5.2。纯流量最大变化倍数24.18，平均变化倍数11.6，明显提高了低浓度瓦斯钻孔的抽采效果。     

煤层注水增湿区域防突试验与参数优化的渗流力学数值解

为增强煤体黏结力和塑性并抑制瓦斯放散强度,以达到稳定煤体区域防突的目的。以重庆天府三矿K4煤层为目标区,进行了低温液氮孔隙结构分析实验、煤体润湿性实验和湿润边角测定实验,分析了煤层注水可行性。实验表明:煤体孔隙多数为平板状开放孔,润湿边角<90°,吸水性强,具注水可行性。在重庆天府矿业公司850 m深井底板岩巷进行了煤体扩孔卸压后的高压注水试验,测定了卸压后煤体透水性系数。建立了煤层注水的径向渗流力学方程,以实测数据为基础,优化计算了合理的注水压力、时间、注水半径等动态时空参数。