水射流促进煤基质收缩提高煤层透气性机理分析

高压脉冲水射流割缝是新型有效的增透技术,但增透机理尚未明确,制约了其在不同赋存条件煤层中的推广应用.文中从煤基质收缩提高煤层透气性角度出发,在分析高压水射流冲击煤体的动态效应基础上,得出冲击动态方程;理论分析了在高压脉冲水射流作用下煤基质的受力状态,得出了高压脉冲水射流能够促使煤基质收缩,并推导出射流冲击力-煤基质的关系方程,在此基础上采用P-M模型,得出射流作用下煤层内瓦斯渗流方程,为高压脉冲水射流割缝增透技术的推广应用提供了理论支撑.     

煤层层理对瓦斯渗流影响理论分析与实验研究

为了探讨原煤层理对瓦斯渗流的影响,先从理论上分析瓦斯沿平行和垂直煤层层理面这2种极端情况的渗流特性,经对渗透系数比较分析,得到平行煤层层理面瓦斯渗透系数大于垂直煤层层理面瓦斯渗透系数.再对原煤进行实验室实验,通过对实验数据分析,得到沿煤层层理方向瓦斯渗流速度与应力、应变关系曲线近似光滑曲线,而垂直煤层层理面瓦斯渗流速度与应力、应变关系曲呈突变曲折曲线;垂直原煤层理方向瓦斯渗流速度增长趋势大于平行煤层层理方向,但平行原煤层理方向瓦斯渗流速度明显大于垂直原煤层理方向,这一结果与理论分析结果相吻合.     

电场对煤瓦斯吸附渗流特性的影响

为了探讨地电场对包含在煤层中的瓦斯气体的储存、运移的作用以及如何利用电场采促进煤层气的渗流从而达到提高中国低压低渗煤层的煤层气抽放率等问题,研究了电场对煤瓦斯吸附渗流特性的影响．研究表明：静电场对煤瓦斯吸附特性的影响关键在于静电场的焦耳热效应使煤瓦斯系统温度升高和静电场增加煤表面吸附势阱的深度2种因素竞争的结果,当静电场增加煤表面吸附势阱深度占主导地位时,静电场使煤对瓦斯的吸附量增加,当静电场的焦耳热效应逐渐占主导地位时,静电场使煤对瓦斯的吸附量减少;外加静电场促使煤中瓦斯的渗流;交变电场作用使煤对瓦斯的吸附量减少;交变电场作用促使煤中瓦斯的渗流．     

考虑有效应力和煤基质收缩效应的渗透率模型

针对煤层气的生产过程中所存在的两个相反的效应：（1） 储层压力下降,有效应力增加,煤层裂隙压缩闭合,渗透率降低;（2） 煤层气解吸,煤基质收缩,煤层气流动路径张开,渗透率升高;建立了包含煤基质收缩效应的煤层孔隙度和渗透率理论模型,模型与已有的一些研究结果反映的规律一致。根据模型得出在体积应力恒定条件下,渗透率随孔隙压力变化存在一临界压力,孔隙压力小于临界压力时,渗透系数随孔隙压力的增加而减少,孔隙压力大于临界压力时,渗透系数随孔隙压力的增加而增大,给出了该临界压力的计算式。对不同情形下渗透率对孔隙压力的变化响应进行了讨论,结果表明,临界压力的存在与否与影响渗透率的多种因素有关,应对影响煤层渗透性的众多因素进行动态耦合研究。     

交变电场对煤瓦斯渗流特性的影响实验

对交变电场作用下煤瓦斯渗流特性进行了实验研究.结果表明,交变电场作用下煤的渗透率与体积应力的关系基本上符合负指数方程;交变电场作用使煤的渗透率增大,而且突出煤样的渗透率增大最多,延迟突出煤次之,非突出煤最少.     

煤的瓦斯渗透性影响因素的探讨

对南桐煤田煤样的渗透率进行了实验室研究，探讨了瓦斯的解吸特性、温度、煤中水分对瓦斯渗透的影响，结果表明，在瓦斯无解吸的情况下，瓦斯压力降低，煤的渗透率也降低，然而在解析瓦斯压力作用下，煤对瓦斯的渗透率会增加，煤样瓦斯的渗透率的对数与温度成线性关系。含水煤样的渗透率明显低于干煤样的渗透率，随着含水量的增加，煤样瓦斯的渗透率减小。     

含瓦斯煤的有效体积应力与渗透率关系

在现有有效应力计算公式基础上,考虑多孔介质在三轴压缩状态下产生损伤的影响,修正了有效应力计算公式,并通过试验验证了该公式可以较好的描述含瓦斯煤在三轴压缩下的全应力-应变过程。三轴压缩下渗流试验表明:含瓦斯煤样在峰值点前的有效体积应力和渗透率为负指数关系;在峰值点后,有效体积应力和渗透率仍然存在指数关系,但系数发生了变化,和峰值点前不同。含瓦斯煤样的渗透率同有效体积应力呈反方向变化,即在有效体积应力增大时,渗透率减小,反之亦然。     

含瓦斯煤的力学特性的实验分析

利用特制的气－固两相三轴仪对瓦斯煤在三轴应力状态下的变形特性及其强度特征进行了系统的实验研究。结果表明，具有不同气体压力的瓦斯对煤的变形特性及其峰值强度都不同程度的影响。而这种影响可通过有效应力参数予以描述。     

地电场对煤中瓦斯渗流特性的影响

煤层中瓦斯的渗流性质要受到多种因素的影响.作者在实验室采用三轴渗流实验装置和电场实施装置研究了电场作用对煤中甲烷气体渗流性质的影响.实验研究结果表明,加电场后甲烷气体渗流速度比无电场时要大,并且渗流速度随压力梯度增大成线性增加;加电场后,煤中甲烷气体渗流量随电压(电场强度)升高近似成线性增大;煤化程度越高的煤导电性越好,甲烷气体在煤中的电动效应越明显;同时,加电场时,煤的等效渗透系数ke可用解析式表达.本文在实验室所开展的电场作用下煤中甲烷气体渗流性质的实验研究将为电场作用下煤层中瓦斯渗流及运移规律的进一步研究奠定基础.     

三轴应力作用下煤渗透率变化规律实验

通过变化的围压扣孔隙压力的作用,进行含瓦斯煤三轴压缩的实验,系统地研究了含瓦斯煤在变形过程中渗透率的变化规律;并根据大量的实验数据,拟合得到含瓦斯煤的渗透率随围压和孔隙压力变化的经验方程.研究结果表明,该经验方程可应用于双层系统煤层变形与煤层气越流耦合模型的数值分析,使邻近层(采空区)孔隙压力分布或瓦斯抽放率的数值模拟更逼近实际观测结果.     

含瓦斯突出煤声发射特性及其围压效应分析

以突出煤制备的型煤试件为研究对象,利用自行研制开发的装置配合岛津伺服试验机及PC-I型声发射监测系统,对含瓦斯突出煤三轴压缩过程中的声发射特性及其围压效应进行试验,并对AE事件各参数规律进行了分析。结果表明：三轴压缩过程中,含瓦斯突出煤AE事件没有特别稠密或稀疏的事件区域出现,仅在压密阶段、线弹性阶段中间点附近、临近峰值阶段3处出现相对稠密区而呈“三峰”分布特点,但多数AE事件振幅较小,且AE事件能量变化与振幅变化趋势具有较好的一致性;外加应力场变化导致微结构变化、煤样内颗粒断裂、煤样内颗粒碎裂、煤样内颗粒相对错动和瓦斯气体逸散导致的微结构变化为AE事件的主要“源”;随着围压的增加,AE事件数呈减小趋势,而围压对AE事件总数的影响呈非线性,可用二次曲线表示;随着围压的增加,AE大振幅事件数呈减小趋势,大于某一设定值的AE事件数与围压的关系可用二次曲线表示。     

含瓦斯软弱煤三轴力学特性试验

以由具有突出倾向的软弱煤制备的型煤试件为研究对象,对围压、瓦斯压力二因素对含瓦斯软弱煤的力学特性影响进行了系统研究.试验结果表明:围压对含瓦斯软弱煤的力学性质具有明显影响,随着围压的增大,含瓦斯软弱煤的压密阶段不明显且三轴强度逐渐增加;围压对含瓦斯软弱煤弹性模量影响不明显,对应力应变曲线形状影响亦不明显.随着瓦斯压力的增加,煤样强度呈减小趋势;围压较小时,含瓦斯软弱煤强度受瓦斯压力影响较显著,而围压较大时影响较小;瓦斯压力对含瓦斯软弱煤的杨氏模量影响不明显,且对煤样进入屈服阶段的变形量影响亦不明显;瓦斯压力对煤样具有显著的力学影响,而且也存在明显的化学作用;含瓦斯软弱煤的应力应变曲线可由二次曲线表征,并认为瓦斯压力影响可归结为等效围压效应.     

屯兰矿区含瓦斯煤微结构定量表征

为了揭示含瓦斯煤微结构对瓦斯运移的意义,对屯兰矿区太原组含煤岩系不同埋藏深度7个煤样品进行了X射线衍射(XRD)定量表征,结合布拉格方程式,计算出煤微晶结构参数.研究结果表明,随着煤化程度增加,含瓦斯煤XRD图谱中(002)峰不对称性逐渐减弱,对应的延展长度(L_a)和堆砌高度(L_c)逐渐增加而层间距(d₀₀₂)却减少;结合所建立的煤物质的单位体积数学模型,发现含瓦斯煤透气性系数、孔隙度与有序相体积之间具有显著的相关性,进而提出屯兰矿区深部煤层发生瓦斯突出的潜势比浅部煤层的高,因此需要加强对深部煤层瓦斯突出的预防工作.     

考虑基质收缩效应的致密煤储层数值模拟

我国煤层普遍属于低渗透储层,尤其埋深在千米以上的煤层更属于致密多孔介质.低渗透气藏中的气体渗流具有明显的滑脱效应,同时煤基质收缩效应对煤层渗透率的影响也是不容忽视的.本文考虑致密煤层中气体滑脱效应和基质收缩效应的影响,建立了三维、非平衡吸附拟稳态条件下煤层气-水两相流动的数学模型和全隐式数值模型,并编制程序进行模拟计算.模拟结果表明:致密煤层气藏开发过程中,气体滑脱效应和基质收缩效应对煤层气井的产能影响十分明显,考虑这两种效应影响时预测产气量普遍比未考虑时要高,其中基质收缩效应的存在可使预测的累积产气产量增加12.2%.     

空化水射流声震效应强化煤层瓦斯解吸渗流的实验

针对含瓦斯煤层微裂隙、低透气性、高吸附的赋存状态以及煤层瓦斯难抽采的问题,提出了利用空化水射流声震效应强化瓦斯解吸渗流的方法.本文研究了空化水射流声震效应促进煤层瓦斯解吸渗流的机理,对空化声震效应作用下煤样的解吸渗流特性进行了对比实验研究.实验表明:在空化数为0.020 0的条件下,空化声震效应作用下的煤样瓦斯解吸量增加36.9%,解吸时间缩短19.6%,空化声震效应作用效应下瓦斯的渗流速度明显增大,可达0.383 3 mL/s,提高率为35.3%.     

深部含瓦斯煤内时本构方程体积响应

通过深部含瓦斯煤的体积响应特性分析,将体积响应分为纯体积响应和滴体积响应,得到了本构方程的显式。纯体积响应是在只有静水压力作用下体积应变所对应的有效体积应力：偏体积响应是由于偏应力的存在体积应变所对应的体积应力对纯体积响应的修正。根据实验结果确定了方程中的各材料参数。根据内时塑性理论所得到的含瓦斯煤的本构方程反映了材料微元的内部特性,更加符合瓦斯煤层的实际情况。含瓦斯煤内时本构方程体积响应的修正公式,考虑到了偏体积响应曲线的连续性和光滑性,更加符合试验结果。     

含瓦斯煤破裂过程声发射时空演化规律

 利用MTS815岩石力学试验系统和气体渗透试验系统,开展了不同瓦斯压力下含瓦斯原煤煤样的3轴压缩声发射试验,研究了含瓦斯煤破裂过程中声发射时空演化规律。试验结果表明,煤样内的声发射定位点随载荷增加逐渐密集且主要分布在主裂纹面附近;随着载荷增加,单位载荷区间的声发射振铃数经历了初期的沉寂期、中期的低水平稳定期、峰值前的快速发展期和峰后的高水平稳定期,与煤样累计声发射振铃数变化特征类似;瓦斯压力增加增强了损伤前煤样的声发射活动,减小了煤样的初始损伤应力,促进了煤样的损伤发展。     

考虑瓦斯解吸影响的煤渗流应力耦合模型

为了模拟瓦斯解吸引起的煤基质收缩对煤层瓦斯抽放的影响,采用数值计算方法建立了考虑瓦斯解吸影响的煤岩渗流应力耦合数学模型。并对Seidle模型不考虑有效应力对渗透率影响的缺陷提出了改进,开发了相应的数值计算程序,并对数值计算程序的可靠性做了验证。数值算例按考虑和不考虑瓦斯解吸影响两种工况分析了一个试井的瓦斯抽放过程,结果表明:瓦斯解吸诱发的煤基质收缩会较大提高煤岩的渗透率,在瓦斯抽放数值计算中应予以考虑;建立的改进Seidle模型能很好地模拟有效应力和瓦斯解吸对煤岩渗透率的影响。     

基于格子Boltzmann方法的回采工作面瓦斯渗流模拟

工作面回采会导致其前方煤体中的应力重新分布，在工作面前方形成减压区，增压区和稳压区，致使回采工作面前方煤体中的渗透率沿煤层走向呈现不均匀分布，因此，不能再将煤体视为均匀介质。鉴于这一工程事实，采用格子Boltzmann方法，结合算倒，研究了煤体渗透率沿走向呈现不均匀分布情形下的瓦斯渗流规律，为回采工作面瓦斯灾害防治提供依据。研究表明：采用格子Boltzmann方法可以有效模拟回采工作面瓦斯渗流，能够生动再现瓦斯流向回采工作面这一过程。     

采场应力和煤结构对煤与瓦斯突出的影响

本文通过具体实例,分析讨论了采场应力对矿井煤与瓦斯突出的控制作用;煤的物理性质对矿井煤与瓦斯突出的影响。研究表明:煤的灰分、挥发分含量直接影响着煤体瓦斯压力、含量及煤与瓦斯的突出。