构造煤的瓦斯放散特征及孔隙结构微观解释

采用恒温煤粒瓦斯放散试验方法,研究了构造煤和原生煤瓦斯放散过程的差异性,结果表明构造煤在瓦斯放散初始1 min的瓦斯解吸量是原生煤的2.15~4.06倍,构造煤趋近极限瓦斯解吸量所需时间不足原生煤所需时间的25%,原生煤的极限瓦斯解吸量略高于构造煤,构造煤与原生煤对典型瓦斯放散数学表达式的适用性存在很大不同。为解释试验结果,采用压汞法和低温氮吸附法对煤的孔隙结构进行测试,分析得到中孔及大孔分布是导致构造煤和原生煤瓦斯放散特征差异的主要因素,大分子结构等其他因素对瓦斯放散特征的影响有待于进一步研究。     

构造煤的瓦斯放散特征

通过对构造煤与非构造煤在微观结构上差异的分析,进行了构造煤瓦斯放散的微观与宏观数学模型理论研究.通过研制的自动化瓦斯放散速度测试仪器,在实验室测定了最小突出压力吸附下煤的瓦斯放散速度,并结合构造煤瓦斯放散的数学模型,得出构造煤的瓦斯放散特征.认为构造煤在应力降低或解除时,瓦斯运移规律用菲克定律描述比达西定律更合理;构造煤前60 s的瓦斯放散速度规律更符合文特式V=V₁t^-a,且第1秒时的瓦斯放散速度V₁、衰减系数、Q_0-60、Δp值均与非构造煤有很大的差异.     

原生煤与构造煤孔隙结构的压力响应特征

为模拟原生煤和构造煤在煤层中的加压和解吸后的性能,实验选取原生煤赵庄3#原生煤和阳泉二矿8#煤构造煤,利用BSD-PH全自动高压气体吸附分析仪进行甲烷气体逐梯次加压到10 MPa,然后开始解吸甲烷气体到大气压,再抽真空处理。处理后的样品,利用Tristar II比表面仪进行低温氮实验研究煤孔隙结构。结果表明：（1）原生煤和构造煤在加压后,均发生孔隙结构变化,原生煤比构造煤的抗压能力强。（2）加压后,原生煤和构造煤最可几孔径均有往后移动的趋势,表明压力会影响孔径大小。（3）原生煤吸附性能较好,构造煤吸附性能稍次,甲烷解吸后,原生煤孔隙结构影响较小,构造煤孔隙结构易受到破坏。研究成果可为构造煤层气开采及煤矿瓦斯突出防控提供一定的依据。     

高阶原生煤和构造煤等量吸附热分析

对比研究了高阶原生煤和构造煤等量吸附热,进一步阐述了构造煤易于瓦斯突出的原因。主要结果如下:随着吸附量的增加,高阶原生煤和构造煤等量吸附热均呈现先缓慢增加,再快速增加的趋势;而随着瓦斯压力的增加,原生煤和构造煤等量吸附热呈现匀速增加的趋势;在不同吸附量和不同压力下,原生煤的等量吸附热均大于构造煤;说明原生煤表面与甲烷的作用力大于构造煤的,在相同压力下瓦斯分子更容易从构造煤表面脱离下来;构造煤中瓦斯运移主要受控于裂隙瓦斯渗流,在构造煤瓦斯治理时尽量采取增透措施。     

原生结构煤与共生的构造煤物性差异

为了研究原生结构煤及与其共生的构造煤之间的物性差异,对沁水盆地某矿的3#煤层的3个分层分别进行了孔隙率、孔径分布、比表面积及吸附常数测定。结果表明:随着煤破坏程度增加,煤的真、视密度和孔隙率变大,挥发分减少,变质程度加深;构造作用对煤的渗透容积影响较大,对吸附容积影响较小;煤比表面积以吸附孔占绝对优势,受构造作用影响较小;随着煤破坏程度加深,吸附常数a、b值增加。     

山阳井田构造煤与原生结构煤的孔隙特征差异

为了研究山阳井田构造煤与原生结构煤的孔隙特征差异,对山阳井田构造煤与原生结构煤样品分别进行压汞、低温液氮吸附、扫描电镜等实验,结果表明与原生结构煤相比,构造煤的孔隙度、孔容、比表面积增大,其中大孔孔容、比表面积减少,中孔、小孔及微孔孔容、比表面积增大;构造作用促使构造煤中的惰质组破裂产生角砾,外形多呈不规则,尖角直棱,角砾之间没有位移或位移量很小,角砾孔多为大孔级孔隙,角砾孔大小以2μm左右居多,且连通性较好,相对有利于煤层气资源勘探开发。     

高阶原生煤与构造煤的孔隙及分形特征研究

为了研究高阶原生煤和构造煤的孔隙结构与分形特征,采用压汞法、低压N₂吸附法和低压CO₂吸附法对所选的煤样进行了研究,比较了原生煤与构造煤之间的孔径分布、孔容和比表面积、孔型和连通性以及分形维数差异。结果表明：构造煤以开放型孔为主,并比原生煤具有更好的连通性;原生煤和构造煤二者的Dubinin-Radushkevic(D-R)和微孔比表面积之和都占到了总比表面积的99%以上,从而为瓦斯的吸附提供了更多的空间;构造煤较大的孔容和比表面积造成其高瓦斯含量的特征;构造煤渗流孔孔隙简单,吸附孔孔隙结构复杂性较低,孔隙表面相对光滑,提高了瓦斯在孔隙中的运移能力。     

突出孔洞构造煤与原生结构煤瓦斯吸附特性对比研究

为研究突出孔洞构造煤与原生结构煤孔隙特征对瓦斯吸附特性的影响,以三甲煤矿突出孔洞构造煤和原生结构煤为研究对象,运用压汞和液氮吸附实验相结合的方法对不同结构煤体孔隙结构进行研究;结合Menger几何模型分析不同结构煤体孔隙分形特征,进一步阐述孔隙结构分形特征对瓦斯吸附特征的影响。结果表明:原生结构煤与突出孔洞构造煤均存在滞后环,且突出孔洞构造煤的滞后环明显大于原生结构煤的滞后环;突出孔洞构造煤分形维数大于原生结构煤,突出孔洞构造煤孔隙复杂程度比原生结构煤高,突出孔洞构造煤孔隙复杂程度为瓦斯的吸附准备了良好条件;突出孔洞构造煤整体孔隙发育情况比原生结构煤要好,微孔、小孔阶段孔隙发育情况远大于原生结构煤。     

构造煤与原生结构煤孔隙结构及瓦斯解吸特征对比研究

为了研究构造煤的孔隙结构对瓦斯解吸特征的影响,选取了发耳煤矿和青龙煤矿的煤样,进行了压汞试验和瓦斯解吸试验,对构造煤和原生结构煤的孔隙结构及解吸特征进行了对比分析,结果表明:原生结构煤中的大孔和中孔的孔容含量约占总孔容的12.81%～12.19%,构造煤中的大孔和中孔的孔容含量约占总孔容的69.85%～82.15%,原生结构煤和构造煤的孔比表面积占比较高的都是微孔和小孔,表明构造煤结构变化主要体现在大孔和中孔的孔容占比增加;构造煤的初期瓦斯解吸速度和瓦斯解吸量明显大于原生结构煤,主要原因是构造煤的大孔和中孔的孔容含量增加,使瓦斯有了更多的渗流通道和储存空间,增加了瓦斯解吸速度。     

构造煤瓦斯放散特性及其影响因素分析

构造煤的发育是发生煤与瓦斯突出的必要条件,利用WT-1型瓦斯扩散速度测定仪测定了不同破坏程度构造煤的瓦斯放散初速度,结合试验煤样的坚固性系数,总结出构造煤的瓦斯放散初速度随着煤体破坏程度的升高(f值减小)而增加的结论;得出了构造煤具有快速放散瓦斯的特性;并分析了影响构造煤瓦斯放散特性的主要因素。     

中梁山南矿构造煤吸附孔分形特征

采集华蓥山煤田中梁山南矿9个有代表性的煤层样品进行低温氮吸附实验,分析构造煤吸附孔分形特征及分形维数与气体吸附能力的关系。低温氮吸附、解吸曲线表明不同变形序列构造煤在相对压力0.5~1.0范围内吸附特征各异。在此基础上,运用分形FHH方法得到构造煤分形维数D。研究表明：分形维数D可以表征构造煤吸附孔孔径结构和孔表面的变化关系;分形维数越高,微孔含量越多,孔表面越不规则,孔隙结构非均质性愈强;分形维数大小可反映煤的吸附能力,分形维数增高,吸附能力增强。因此,由构造变形增强引起的高分形维数和复杂的孔隙结构显示出更高的吸附能力。     

构造煤的成因—属性分类

为了研究原生煤和构造煤的吸附扩散特性,采用甲烷吸附装置和解吸装置对2种煤样进行了实验。结果表明,构造煤的极限甲烷吸附量是原生煤的1.18倍,并且在相同甲烷吸附压力下构造煤的吸附能力强于原生煤。当甲烷吸附平衡压力为0.74 MPa和2 MPa时,构造煤的固定扩散系数分别是原生煤的7.3倍和4.5倍,表明构造煤的初始气体扩散能力远高于原生煤。2种煤样的时变扩散系数都随着解吸时间的推移先快速降低后趋于稳定。构造煤的扩散衰减系数在0.74 MPa和2 MPa气体平衡压力下分别达到了96.6%和95.8%,远大于原生煤的扩散衰减系数38.1%和45.7%。

     

分阶段卸荷过程中构造煤的力学特征及能量演化分析

采用恒定轴压以不同卸荷速率分阶段卸围压的方式,分别对初始围压不同的三组煤样进行卸荷试验,然后对比分析了构造煤常规三轴加载和分阶段卸荷试验的应力-应变曲线特征,并从能量演化的角度分析了分阶段卸荷过程中煤样的能量变化规律。试验结果表明,构造煤分阶段卸围压试验的力学强度和变形能力明显小于常规三轴加载试验。分阶段卸荷过程中构造煤的偏应力和应变变化均呈现明显的阶梯状。在卸荷段,围压对试件的变形起到了限制作用,围压越大,应变增量越小、卸荷段越多;卸荷速率通过改变围压卸荷量影响应变变化,但相同卸荷速率时,围压越大应变增量越小;在恒压段,试件的应变变化呈现蠕变特征,通过数据拟合得到了其叠加开尔文体的蠕变方程。分阶段卸围压过程中,围压卸荷诱发弹性应变能持续释放,煤样吸收的总能量不断增加,其转化的耗散能也不断增大;围压卸荷速率越大,弹性应变能释放越快,耗散能变化率也越大,煤样强度衰减也更快;并且相同卸荷速率条件下,围压越小弹性应变能变化率也较小。     

构造带石门揭煤诱导突出的力学特性模拟及声发射响应

为揭示地质构造区域石门揭煤诱导突出的机理,运用自行研发的大型三维煤与瓦斯突出模拟试验系统,对石门揭露断层构造带煤层的过程进行了相似模拟,同步采集分析了突出全过程的应力变化规律及揭煤过程的声发射响应规律,并对构造带揭煤突出过程的能量耦合跃迁失稳过程进行了理论分析。结果表明:在构造带掘进巷道的推进过程中,巷道上方的岩层和煤层均会经历应力增大和减小的过程,但构造区域煤层的应力集中系数大于岩层区域,呈现较强的应力敏感性;在开挖时和突出的过程中,声发射信号能较好地反映煤岩动态变化;在巷道掘进过程中,构造区域煤层不断积聚弹性能和瓦斯内能,并相互耦合逐步达到能量的极限平衡状态,一旦揭煤扰动到该系统,就会引起能量的耦合跃迁失稳,从而诱发突出。     

构造煤分布规律对煤与瓦斯突出的控制

根据对华北366对主要生产矿井统计分析,得出构造煤的区域分布主要受构造控制,挤压构造带是构造煤主要分布区,其次是伸展构造带的边缘,伸展构造带的内部主要是原生结构煤分布区;构造煤的层域分布主要受煤厚控制,即构造煤主要发育在厚煤层中;构造煤最发育的区域和层位,煤与瓦斯突出也最严重。纵弯褶皱作用下构造煤主要形成在褶皱的翼部,断层作用下构造煤主要形成在断层的上盘,因此,褶皱的翼部和断层的上盘也是煤与瓦斯突出最严重的部位。     

无线电波坑道透视构造煤的研究

为提高矿井煤与瓦斯突出危险性预测的准确性和可靠性 ,研究了利用无线电波坑道透视技术探测构造煤的物性前提及电磁波在由构造煤和硬煤组成的瓦斯突出煤层中传播时的电性响应。以一个采煤工作面构造煤及分布的探测为例,阐明了探测方法、资料解释及回采验证的情况和效果,说明了无线电波坑道透视技术可以成为非接触性探测构造煤的一种方法。同时,指出了存在的问题和进一步的研究方向。     

构造煤和煤与瓦斯突出关系的研究

为探究向斜构造中煤体孔隙结构发育规律,以长城三矿1311S工作面向斜构造为研究对象,从向斜构造区域不同位置选取煤样,通过低温氮气吸附实验,对煤体孔隙结构特征进行分析。结果表明,向斜构造区域内煤体孔隙结构呈现规律性分布,比表面积与总孔体积从轴部向两翼逐渐减小,平均孔直径则逐渐增大;最可几孔径均分布在2 nm左右,向斜轴部最可几孔径小于两翼;通过对比分析分形维数得出,随着两翼距离向斜轴部越近,分形维数数值呈现线性增大趋势。通过对同一向斜不同位置煤体的孔隙结构特征进行分析,总结出向斜构造中煤体孔隙结构发育规律。

     

淮南矿区C_(13-1)煤层构造软煤分布特征及其主控因素分析

利用钻孔测井曲线,结合井巷工程揭露情况和工作面坑透,对潘三矿构造软煤发育和分布进行了综合分析,查明了潘三矿C13-1煤层构造软煤的分布特征。研究表明,南北向推覆作用形成的褶皱顺层滑动对该煤层构造软煤的发育和分布起着主要控制作用,断层及其与褶皱的叠加是煤层局部构造软煤加厚的主要原因。这些认识为潘三矿突出危险性区域划分奠定了基础。     

CO 2和CH 4在煤基质表面竞争吸附的热力学分析

利用煤表面自由能变化值和等量吸附热评价了25、30、40 ℃条件下CO₂在煤层中优先吸附性以及CO₂与CH₄竞争吸附机理。煤吸附CO₂后的表面自由能变化值要普遍大于煤吸附CH₄后的表面自由能变化值,揭示了单位面积煤基质表面对CO₂吸附量要高于对CH₄吸附量的热力学本质;通过变换CO₂和CH₄的等量吸附曲线,得到煤样对CO₂和CH₄的初始等量吸附热值Q_st0分别为48.2 kJ/mol和33.4 kJ/mol,揭示了煤对CO₂的吸附作用力要强于CH₄,并且煤对CO₂的等量吸附热随吸附量的增加呈现增加趋势,与吸附气体分子间的相互作用力相关,表明CO₂在煤基质表面存在多分子层吸附。