煤体多孔介质孔隙度的分形特征研究

煤体是一种多孔介质,其内部孔隙结构十分复杂,准确评价煤体的孔隙特征对研究瓦斯的吸附解吸和高效瓦斯抽采具有重要意义。根据分形理论,研究了一种描述多孔介质孔隙空间分布的随机分形模型,并根据其构造方法,建立了煤体多孔介质孔隙度和分形维数之间的关系。通过压汞实验,验证了分形模型的正确性。对煤体多孔介质孔隙度进行了分形描述,结果表明：分形维数决定了孔隙度,分形维数越大,孔隙度越小;观测尺度越小,孔隙度越大,同一阶次孔隙平均直径越小,孔隙度越小,同一阶次孔隙数量越少,孔隙度越小;相同孔隙度条件下的孔径分布不尽相同,这也导致了瓦斯流动和吸附解吸规律的不同。因此,煤体多孔介质的分形维数反映了煤体内部孔径分布特征,对研究煤体孔隙类型和探讨煤层内瓦斯流动有重要意义。     

煤体孔隙结构分形特征研究

基于6个煤矿不同煤样的压汞和扫描电镜实验结果,绘制各个煤样的log[d VP(r)/dp(r)]与log p(r)的散点图,结合分形理论计算煤样的分形维数、分析散点图不同趋势特征,利用十进制分类系统计算煤样的孔径分布特征。     

煤体对瓦斯吸附热的理论研究

系统地阐述了吸附热产生的微观机理，根据势能模型，得到了基于玻尔兹曼分布的两能态模型，并推导出相应的吸附热计算公式。根据巨正则系综理论，得到了朗缪尔单分子层统计力学模型，并推导出相应的吸附热计算公式；引入德布罗意平均热波长后，得到了朗缪尔单分子层模型吸附热的近似计算公式。比较两种模型的结果可以看出：吸附热受吸附量、吸附中心和分子间平均距离的影响较大，对于外层瓦斯(相对于煤体表面)和内层瓦斯应该采用不同的物理模型进行分析。根据朗缪尔单分子层模型，从吸附的角度出发，研究了煤体表面结构的分形特征，并将二维平面吸附推广到分形表面吸附，得到了基于德布罗意平均热波长的分形维数。     

煤体增透与抽采瓦斯的关系研究

基于了解煤体增透与抽采瓦斯的关系的目的,采用了液态二氧化碳致裂增透技术对煤体进行增透。对比分析了煤体增透前后抽采瓦斯的浓度和流量,得出了经过液态二氧化碳致裂增透以后的煤层平均抽采瓦斯浓度提高近3.5倍,平均抽采瓦斯流量提高3～5倍。研究结果表明:煤体增透能促使煤层裂隙发育,增加煤层透气性,提高瓦斯抽采率。     

基于高压电脉冲的煤体增透实验台

介绍了一种基于高压电脉冲的煤体增透实验台,详细地描述了实验台的工作原理和各组成系统的功能特性。该实验台由高压脉冲电源、脉冲放电装置、脉冲水激波传递管道、刚性三轴压力室4部分组成,可模拟10 MPa水压、500 m深度原岩应力下的煤体试样钻孔环境,并在此环境下实现最高15 k V的放电实验。该实验台可完成高压电脉冲水激波衰减特性实验、原岩应力下的煤体静态水压致裂实验、原岩应力下的煤体高压电脉冲水压致裂实验等多项研究工作,为高压电脉冲用于煤体增透的应用研究,提供了硬件支持。     

机械扩孔煤体增透应力变化规律研究

机械扩孔作为一种新型煤层卸压增透强化措施,可广泛适用于低透气性瓦斯煤层。为了探究机械扩孔应力演化规律,通过理论分析,揭示机械扩孔应力分布特征,以车集煤矿2616煤层为研究背景,借助ABAQUS数值模拟软件分析扩孔过程中煤层应力演化规律。结果表明：机械扩孔后孔洞周围煤体应力场存在动态演化过程,由内向外呈圆环状分布,依次为破碎区、塑性区、弹性区和原始应力区;机械扩孔过程中造穴阶段应力扰动范围和应力集中情况都显著大于钻进阶段。     

导电溶液浓度对高压电脉冲煤体致裂增透效果影响实验研究

为检验溶液浓度对高压电脉冲煤体致裂增透效果的影响,采用水溶液和浓度分别为0.5 mol/L、1.0 mol/L、1.5 mol/L、2.0 mol/L的NaCl溶液作为导电介质,运用高压脉冲放电系统对相似煤样进行水中放电致裂实验,并采用超声波检测技术分析致裂效果。实验结果表明：采用水作为导电溶液时放电压力峰值为1.26 MPa,而采用NaCl溶液作为导电介质时放电压力峰值明显提升,采用NaCl溶液实验后煤样的首波声时差也高于水溶液实验后煤样的首波声时差,煤样的内部裂隙改造效果更为显著,表明导电溶液的加入可以优化煤样的导电性能;随着导电溶液的浓度增大,放电压力峰值越大,高压电脉冲在一定浓度的NaCl溶液中放电,能够提高电能转化为等离子通道能量的利用率,导电溶液浓度增加可以加强煤样的导电性,优化高压电脉冲放电致裂增透效果;但随着浓度继续升高,相较于1.5 mol/L NaCl溶液,2.0mol/L NaCl溶液放电压力峰值仅由2.20 MPa提升到2.25 MPa,两者首波声时差的变化也不大,煤样的致裂情况相仿,此时煤样对各导电离子的吸附量达到饱和状态,煤样吸附离子的数量基本维持不变,因此...     

高压空气冲击煤体增透技术实验研究

煤层渗透性是矿井瓦斯抽采及瓦斯突出防治的重要参数,而高压空气冲击煤体技术为提高低透气性煤层的渗透性提供了新的思路。该技术与炸药深孔爆破有较大的区别,其免去了较多的潜在危险。对所选取的海州煤矿和艾友煤矿的煤样进行抗压实验和高压气爆实验,记录煤样的物理参数和实验参数,测试计算了高压气体冲击煤体前后煤层渗透率的变化规律,结果表明:气爆后煤样的渗透率总体增大,平均增加了81%以上;高压气体的压力越大,煤样气爆后渗透率的增量越大。根据海州矿10组煤样气爆后渗透率的增量与气爆压力,经回归分析,煤样气爆后渗透率的增量Δk与气爆压力p呈幂函数关系,Δk=2×10-13p11.148。这些规律为高压空气冲击煤体增透技术在现场的实际应用提供了理论依据。     

新疆阜康矿区煤储层孔隙分形特征研究

基于压汞实验,分析了新疆阜康矿区9个煤样煤储层压汞孔隙分布特征,利用分形理论定量计算了煤样的孔隙分形维数,对煤样进行镜质组反射率测定、煤质分析,分析了煤的分形维数特征。研究表明,煤孔隙体积分形维数与水分呈正相关关系,灰分对分形维数也有重要的影响,随着分形维数的增加储层孔隙度相应增加。     

深部含瓦斯煤体渗透率演化及卸荷增透理论模型

利用渗透率理论模型对深部煤层渗透率的变化进行了探讨,认为深部煤层地应力主导有效应力的变化,直接或间接的控制着渗透率。要有效增加煤层的渗透率,只能降低地应力。据此开展了煤体卸荷渗透率试验研究,获得煤体卸荷过程中既存在原始裂隙的扩展,也有新生裂隙的产生,两者的综合作用是导致卸荷煤体渗透率骤增的原因。在实验和理论分析的基础上提出了煤体卸荷渗透率演化概念模型,建立了考虑有效应力和瓦斯吸附/解吸变形等因素的、以应变为变量的煤体卸荷损伤增透理论模型。该模型搭建了煤体卸荷与增透的桥梁,可采用岩石力学软件获得的采场围岩应力场和应变场计算得到卸荷后煤岩的渗透率演化规律。最后在窑街煤田海石湾煤矿进行了应用,理论模型的应用使瓦斯抽采设计更科学和有效。     

基于压汞法的煤岩各段孔隙的分形特征

采用压汞法对大同和屯留煤样进行微结构测试。根据煤岩孔隙不同半径范围内累积孔隙体积分数所占的比例大小对孔隙进行了大小分类。结合孔隙结构分形维数计算原理,通过线性回归计算了各类孔隙的分形维数。结果表明用分段回归方法计算煤中不同孔隙的分形维数能较好地反映复杂的孔隙结构。小孔分维数较小,中孔和大孔分维数较大,说明中孔和大孔孔隙结构很不均匀,煤岩孔隙在这个阶段的分布离散性较大。     

煤的孔隙结构分形定量研究

煤是一种具有复杂孔隙结构的物质，难以用传统的欧几里德理论予以描述。分析用压汞法测出的煤中不同孔径段的比孔容资料，发现最小孔半径在６５￣８７ｎｍ的大孔和中孔具有分形特点，可以用分形维数定量表征煤的孔隙特征。分形维数能反映组成煤的煤岩组分的复杂程度和煤结构遭受破坏的严重程度。在煤的变质系列中，中变质程度烟煤的分形维数最大。     

相变蓄热作用下煤体增透影响因素研究北大核心

为了研究相变蓄热作用下煤体增透的影响因素,开展了相变蓄热煤体增透试验和煤体瓦斯渗流试验,分别分析了相变蓄热作用下相变初始温度、相变次数、煤体含液率、煤体破碎程度等因素对煤体渗透率变化的影响。研究结果表明:煤体渗透率增幅随相变初始温度的增加呈线性增长;煤体含液率和相变次数是相变蓄热作用下影响煤体增透效果的重要因素,随着煤体含液率或相变蓄热次数的增加,煤体渗透率增幅整体上呈指数型增长,分别最大可增至556.04%和406.92%,但是当相变蓄热次数增高到一定程度时,煤体渗透率增加的幅度快速减小;且煤体增透效果和煤体破碎程度关系密切,当煤体碎程度较高时,煤体渗透率增幅也较明显。     

脉动水锤增透技术对煤体有效孔隙率影响实验研究

煤体的有效孔隙率与煤层的增透效果密切相关。针对这一特性,以透气性较差的难注水煤层为研究对象,研究脉动水锤增透技术在不同注水压力下对煤体有效孔隙率的影响。实验表明:采用常规静压注水时,煤体有效孔隙率数值较低,随注水压力的升高,其增长幅度较小;采用脉动水锤增透技术后,在较低的注水压力时,煤体就具有较高的有效孔隙率,增透效果明显,且在整个注水过程中,煤体能够保持很高的有效孔隙率。     

工作面采动煤体卸压增透效应研究与应用

为研究采煤工作面前方煤体卸压增透效应,提高煤体卸压瓦斯抽采量,分析了采煤工作面前方采动煤体变形破坏与渗透率变化过程的相关性,在工作面前方卸压区,煤体发生滑移破坏,有明显的扩容及卸压增透效应。现场实测了工作面前方煤体应力及钻孔瓦斯流量随工作面推进过程的变化规律,确定了支承压力区、卸压区分布范围。在卸压区内,因煤体渗透率增大,钻孔瓦斯平均流量提高2~3倍。基于工作面前方煤体卸压增透效应,根据不同钻孔失效距离及卸压区宽度,给出了不同偏角(钻孔与垂直煤壁方向夹角)下的预抽钻孔卸压瓦斯抽采量计算式。分析结果表明:钻孔偏角越大,卸压瓦斯抽采量越大。结合某矿N2105工作面现场条件进行计算,得出钻孔偏角最大可为21.4°,相比原垂直煤壁钻孔,单孔卸压瓦斯抽采量可增加978.5 m3,预期可有效提高本煤层瓦斯抽采率。     

潘二矿水力压裂增透范围的数值模型研究

以淮南矿业集团潘二煤矿3号煤层的现场实测数据为基础,利用RFPA2D软件从煤层的不同埋深和不同坚固性系数两方面对水力压裂中的压裂煤的水压和增透范围进行了数值分析研究,根据数值模型计算的结果,分析煤层埋深、煤的坚固性系数与起裂压力之间的关系,确定了不同埋深和不同坚固性系数条件下的卸压增透范围,得到了潘二矿水力压裂起裂压力及所需合理水压的范围。     

“三软”煤体抽采钻孔水力修复增透技术研究

针对"三软"煤体透气性差、瓦斯抽采率低的问题,通过研制水力冲孔作业机实现瓦斯抽采钻孔修复增透。分析了水力作业机在卸压增透、解堵方面的作用机理。以郑州煤业集团大平矿21181底抽巷为试验点,考察分析试验钻孔修复增透前后煤层透气性系数、瓦斯抽采纯量等参数。考察结果表明:水力冲孔作业机的钻孔修复增透效果显著,修复增透钻孔中单孔平均浓度由10%以下上升到30%左右,瓦斯抽采达标率达71%,所有的钻孔抽采量均超过消突需要抽采量的50%以上。在郑煤集团大平煤矿的现场试验充分检验了水力冲孔作业机的可靠性和上述理论分析的准确性。     

煤层膨胀增透材料放热对煤体影响范围研究

为了研究煤层膨胀增透材料水化反应放热对煤体的作用范围,通过自制的实验装置测定了膨胀材料的膨胀压力及反应温度随时间的变化数据,并采用数值模拟分析了膨胀材料在升温与降温阶段,对钻孔周围煤体的温度影响规律及影响范围。研究结果表明:煤层膨胀增透材料水化反应产生的最大膨胀压力约为47 MPa,最高水化反应温度为103.5 ℃;膨胀材料温度变化可分为缓慢升温、快速升温、降速升温和降温4个阶段;在直径100 mm膨胀钻孔条件下,煤体受膨胀材料的温度作用半径可达1.2 m,可有效增加该范围内的瓦斯分子动能,加速瓦斯解吸,提高瓦斯抽采效率。     

松软强突煤体穿层钻孔钻扩一体化卸压增透技术

当前我国煤矿深部开采中,松软煤层低渗透性是制约瓦斯抽采的瓶颈问题,水力扩孔(割缝)是有效的增透措施,但扩孔效果的评价目前多采用静态指标,导致扩孔优化费时费力且不准确,为进一步优化扩孔措施,快速确定合理施工参数,保证达到最优扩孔效果,在现场实测的基础上,提出了不同时间有效抽采半径的动态评价方法。这一方法为快速优化扩孔参数提供了理论指导。     

深部煤巷条带近距离底板巷卸压增透模型研究

为解决深部煤层透气性差、瓦斯抽采难度大、抽采达标时间长、抽采效率低等问题,采用实验室实验、理论分析、数值模拟、现场试验等多种研究方法,揭示了含瓦斯煤卸荷增透特性,分析了深部巷道围岩卸压、煤层增透规律,研究了煤巷条带卸压底板岩巷最优位置,给出了煤层显著增透区、一般增透区的计算方法和卸压底板岩巷与煤层合理距离的判别准则,构建了煤巷条带底板岩巷结合水力化技术卸压增透模型,工程应用表明底板岩巷上覆煤岩层卸压增透效果显著,为类似条件提供借鉴意义。