μCT技术研究煤的孔隙结构和分形特征

煤的孔隙结构是影响煤中气体吸附和渗流的一个重要因素。从实现精细化、无损化和定量化入手,应用μCT 225kVFCB型高精度CT试验分析系统,通过显微CT切片,提取研究了4个煤样孔隙分布特征,讨论了煤级、煤显微组分和灰分对煤孔隙结构的影响程度。采用公约数网格序列盒维数法定量表征了孔隙结构的复杂程度和不规则性,探讨了孔隙率、渗透率和分形维数的关系。研究表明,研究煤样的孔隙分布总体受煤显微组分含量控制,同时煤中矿物充填作用在一定程度上降低了煤的孔隙率、平均孔径和孔隙数量。煤孔隙分形维数D的变化与孔隙分布特征密切相关,有效地反映了孔隙结构的非均质性。孔隙率、渗透率与分形维数呈现显著的幂指数正相关关系。由此指示,基于显微CT切片的煤孔隙分形维数可作为煤储层孔隙特征和渗透性评价的定量指标之一。     

长焰煤热解过程中孔隙结构演化特征研究

随着煤热解温度的升高,煤孔隙结构和数量发生剧烈变化。为研究其变化规律,以长焰煤为研究对象,应用压汞法分别对300℃～600℃常规热解和600℃高温蒸气热解固体产物的孔隙结构参数进行测定和分析,计算不同热解温度下的孔隙分形维数,详细比较2种不同的热解方式下固体产物的孔隙特性。研究结果表明:(1)常规热解条件下,总孔隙体积和孔隙率随温度的演化表现为:黑岱沟煤先减小后增大,温度高于500℃后增长的速率较大,而子长煤先增大后减小再增大,增长速率最大的区段是300℃～400℃;比表面积随温度的演化表现为:黑岱沟煤一直增加,而子长煤持续减小。(2)常规热解条件下,长焰煤孔隙体积分布以中孔和大孔为主,温度超过300℃时,大孔占绝大多数;而比表面积的分布以微孔和过渡孔为主。(3)高温蒸气热解条件下,长焰煤热解固态产物的孔隙体积分布以中孔和大孔为主,大孔占主导地位,子长煤表现更为明显,大孔比例达99.91%;孔隙比表面积分布表现为:黑岱沟煤以微孔和过渡孔为主,而子长煤以大孔为主。(4)高温蒸气热解固体产物表现出更为优良的渗透性能,与注入惰性气体相比,注入高温蒸气是煤层原位热解工艺实施的最佳方法。在煤层原位热解工艺实施过程中,该研究可为煤体孔隙结构随温度变化问题提供科学依据和理论指导。     

突出煤层水力割缝的参数优化研究

水力割缝是一项能够有效提高煤层透气性的本煤层渗透性改性技术。改性效果与水力割缝的施工工艺参数紧密相关,其中割缝的射流压力、高压水泵的排水量,以及割缝速度是最基本的参数。以工业性试验为基础研究了割缝的射流压力和割缝速度对抽放效果之间的关系。研究表明:最佳的射流压力为50~60 MPa;最佳的割缝速度以0.5~1.0 m/min为宜。     

深钻孔高压水力割缝增透技术在突出煤层中的应用

水力割缝是一项能够有效提高煤层透气性的本煤层渗透性改性技术。深钻孔与高压水力割缝相结合可以大大提高施工效率。寺家庄煤矿在突出煤层进行了水力割缝的推广试验。根据进行切割半径的试验,在突出煤层中利用60MPa的射流进行切割,切割半径可以达到1.5m;对100m深的钻孔进行割缝,成功率可以达到80%以上;割缝后的瓦斯流速是普通抽放钻孔的4~5倍。试验证实深钻孔高压水力割缝具有良好的经济效益和安全效果。     

注水在煤层开采过程中的作用及影响

为研究注水在煤层开采过程中的作用及影响,以煤层注水对煤层力学特性的影响为基础,分析总结煤层注水在抑制瓦斯突出和瓦斯解吸、软化中硬顶煤、防治煤尘和减缓冲击倾向中的作用。结果表明:矿井注水后瓦斯的喷出频率比未注水时降低了56.4%;含瓦斯煤体在4MPa高压水的浸泡作用下,解吸率比未浸泡时降低了80%左右;注水使顶煤的采出率提高9%左右;长时(48h以上)注水可以使煤尘产出率降低20%;注水使矿井的冲击倾向降低一个等级。     

岩石的细胞元特性及其非均质分布对岩石全曲线性态的影响

采用非均质数值试验方法,研究了在无限大刚度的试验机条件下,岩石的细胞元特性及其非均质分布对岩石单轴压缩全程曲线性态的影响。结果表明,当岩石的非均质参数m≥6时,细胞元的非均质参数m是决定岩石单轴压缩全程曲线性态的主要因素;当m<6时,岩石的细胞元特性是决定岩石单轴压缩全程曲线性态的主要因素。     

孔隙介质三维逾渗机制数值模拟研究

 论述三维孔隙介质的逾渗研究方法，基于VC++6.0开发三维逾渗模拟软件。利用重正化群原理，通过数值模拟的方法研究孔隙介质三维逾渗机制和逾渗团特性，提出有效表面积率概念。研究结果表明：团的数量随着孔隙率的增加先增加后减小，在孔隙率为0.20时达到最大值；随着孔隙率的增加，最大团表面积在孔隙率大于阈值时开始快速增加，然后呈减小趋势，在孔隙率为0.55时达到最大值，此时的有效表面积率达到0.98；当孔隙率为逾越阈值0.311 6时，发现逾渗团的大小是一种统计上的随机分形，其分形维数D = 2.934。     

水射流在煤层中水平钻孔的试验研究

分析了水射流流动结构中存在的三个射流阶段和水射流作用于煤层时所具有的撞击、冲击、水楔、气蚀、剪切等破岩机理和岩石的破坏过程。深入探讨了目前有关水射流破岩的前沿问题，提议从岩石动态破碎和水射流与岩石的相互耦合作用的角度来分析水射流的破岩过程。提出了用高压水射流在煤层中钻孔的一种新方案，即采用缠绕在辊筒上的连续钢管，将水射流钻头与高压水泵连接起来，在煤层中实施连续钻孔作业，本方案自动化程度高。可加快钻孔速度。通过试验数据分析了水射流破岩距离与射流压力的非线性关系，对钻孔煤渣做了分样分析，认为水射流钻孔产生的煤渣颗粒大于普通的钻孔煤渣。研究结果表明：水射流破岩时存在一个门限压力，水射流压力和流量与破岩效率成非线性变化的相关规律，与流量相比，射流压力对破岩作用更为重要。     

岩体裂隙面数量的三维分形分布仿真理论与技术

以岩体裂隙面数量分布具有分形特征为基础,建立了岩体裂隙面数量的三维分形分布仿真模型,并采用 VisualC 6.0 开发出岩体裂隙面数量的三维分形分布仿真系统。利用该仿真系统可方便地研究岩体内部任意剖面的裂隙迹线分布特征以及任何子块内裂隙面的分布特征,为岩体工程稳定性及其应力分布分析带来了极大的方便。     

岩体裂缝面数量三维分形分布规律研究

采用计算机仿真的数值试验方法,首先证明了岩体裂隙面数量服从三维分形分布规律这一自然现象。然后根据大量的计算以及理论推演,得到了裂隙面的2个重要的分形参数(分形维数和分形分布初值),以及分形维数DS和分形分布初值NS与二维剖面裂隙迹线分形参数DL,NL的相关关系。即二维分形维数与三维分形维数遵循:DL = DS-1,二维分形维数DL与裂隙面的其他参数无关;二维分形分布初值NL与三维裂隙面的倾角ST,方位角SP遵循投影关系;二维分形分布初值NL与三维分形分布初值NS遵循正比关系:NL = kNS,k值决定与岩体剖面和三维裂隙面的投影关系。实测结果证实了这些关系的正确性。这些结论为研究裂隙岩体的其他物理力学性质奠定了基础。