煤吸附瓦斯细观特性研究

为研究甲烷吸附孔隙压力对煤膨胀变形的影响,实验应用μCT225kVFCB型高精度显微CT实验系统,对直径为5 mm的细观煤样进行了不同孔隙压力下的吸附瓦斯扫描实验,并通过对其孔隙率与膨胀变形量的观测与分析得到了煤吸附瓦斯细观特性。研究发现：在细观实验中煤样吸附瓦斯会导致煤体孔隙率下降,并发生体积膨胀变形;体积膨胀变形规律符合朗格缪尔方程,且煤样不同位置的孔隙率与体积变化均具有非均匀性。研究结果表明：在吸附瓦斯过程中,煤体骨架体积膨胀会导致煤体孔隙体积减小与外观体积膨胀,且煤体骨架膨胀变形时更倾向于通过挤压煤体原始孔隙来获得膨胀空间。     

煤吸附甲烷结构变形的多尺度特征

通过扫描电镜对细观无烟煤样表面结构进行观测,研究了由结构镜质体与细观裂隙引起的煤体细观结构多尺度非均质特征;对比煤样表面CT扫描测试与分析结果,证实了不同尺度下煤体细观结构非均质特征与密度非均匀分布的一致性,即,在较小尺度下,由于煤中结构镜质体与细观裂隙结构的多样性,煤的细观结构和密度分布非均匀性很强,随着尺度的增大,煤的细观结构非均质特征减弱,密度分布非均匀性也减弱。通过对不同吸附压力下煤吸附甲烷CT扫描的数据进行多尺度三维分割与统计,揭示了煤吸附甲烷后细观结构膨胀/挤压变形与密度分布的相关性随结构尺度变化的规律;在小尺度上,低密度结构容易被挤压,中密度结构膨胀和挤压变形同时存在,高密度结构易于发生膨胀变形。随着煤结构尺度的增大,变形方式与原始结构密度的相关性降低。通过对不同尺度与吸附压力下的煤结构膨胀/挤压变形量、膨胀/挤压变形体积统计与分析,发现在甲烷吸附过程中,煤结构的膨胀变形和挤压变形均随结构尺度的增加而减小。煤的膨胀变形主要受吸附压力和结构尺度的影响,而挤压变形主要受结构尺度的单一因素的影响;煤中挤压变形体积始终小于膨胀变形体积。煤体结构的膨胀变形量与挤压变形量随尺度增加的衰减过程是非同步的,在小尺度下,煤体结构的挤压变形量比膨胀变形量更大,随着尺度增加,挤压变形量衰减速度比膨胀变形量衰减速度更快。研究结果对于煤层气开采过程中的气体渗流特征的多尺度精准动态评提供借鉴。     

高瓦斯低透气性煤层不同瓦斯抽采方式的研究

煤层的瓦斯抽采是避免煤矿瓦斯灾害发生的根本防治措施。根据瓦斯解吸理论,提出通过水力割缝及水力冲孔技术,在煤体中人为再造裂隙,增大煤体在空气中的暴露面积,同时形成瓦斯流动通道,达到加快瓦斯解吸,提高瓦斯抽放效果的目的。本文以水力割缝及水力冲孔进行机理分析为基础,根据在阳泉矿区某煤矿回风巷中进行现场实验,对普通钻孔抽放瓦斯、水力冲孔抽放瓦斯以及高压水力割缝抽放瓦斯三种方案进行比较。实验结果表明,相对于高瓦斯矿井中通常采用的普通钻孔抽放瓦斯,水力割缝技术瓦斯抽放量提高了4.11-4.34倍,水力冲孔技术瓦斯抽放量提高了0.46-0.56倍。水力冲孔对提高瓦斯抽放速度作用不明显。     

温度和应力对砂岩渗透率影响规律研究

岩石的渗透率反映了其通过流体的能力,为了解决砂岩气、页岩气等油气藏开采过程中储层岩石渗透率低,资源开采量少的问题,在太原理工大学自主研发的高温高压真三轴试验机上,模拟研究了页岩气藏储层砂岩在地下深部实际高压状态,探究了真三轴试验状态下砂岩在100～400℃下的渗透率演化规律。研究结果表明:砂岩的渗透率在100～280℃内的渗透率变化为缓慢下降,渗透率为10~(-16)～10~(-17)m~2数量级,渗透率在阈值温度280℃后,砂岩渗透率增大数倍到数10倍,最高增幅达46倍,在温度340℃后渗透率趋于平稳,处于10~(-15)m~2数量级。同时也表明岩石的应力状态对渗透率有直接的影响,相同围压条件下的砂岩,最大主应力大多试件其最大主应力方向上的渗透率在阈值温度前后的增幅越大。     

基于显微CT的不同煤体结构煤三维孔隙精细表征

为了定量研究不同煤体结构煤的孔隙连通性和渗透能力的差异性,以渭北煤田韩城矿区为研究区,通过显微CT三维空间分析技术,采用多孔介质三维逾渗理论,开展了不同结构煤的孔隙三维建模分析,实现了对不同煤体结构煤中孔隙分布三维可视化的精细表征。结果表明:构造变形对煤的孔隙结构有深刻的影响;不同变形机制对煤的孔隙度、孔隙团数和最大孔隙团规模有着不同的影响,导致逾渗概率发生明显的变化;三维逾渗概率表明煤孔隙连通性和渗透率随变形程度增加呈现先升后降的变化趋势。碎裂煤孔隙团连通性最好,渗透性最强;糜棱煤孔隙团连通性最差,渗透性最弱。研究认为脆性破坏可促进外生孔和微裂隙的发育程度,加强孔裂隙间的连通性,提升煤岩渗透性;在脆韧性-韧性变形作用下,孔隙、微裂隙、矿物以及煤岩分布的非均质性明显增强,造成孔隙连通性变差,渗透率降低。     

煤表面非均匀势阱吸附甲烷特性数值模拟

利用蒙特卡洛方法建立了煤与甲烷吸附动力学的数值模型,并对两种非均匀势阱煤样模型的吸附甲烷过程进行计算,分析其在不同温度与吸附压力下吸附甲烷特性以及吸附热的变化规律。研究表明:非均匀势阱煤样模型等温吸附过程与理想朗格缪尔曲线有明显不同,等压吸附过程可利用负指数规律精确描述。煤样模型势阱深度分布的非均匀特征对煤与甲烷吸附热,以及吸附量对于温度和压力的敏感性均有一定影响。通过对不同吸附压力下吸附速率参数b的拟合计算,推导出非均匀势阱等温吸附方程,物理实验验证表明该方程对真实煤样吸附解吸甲烷过程的描述比理想朗格缪尔方程更加精确。     

岩石密度分布规律研究

 采用最先进的mCT225KVFCB高精度显微CT试验系统,通过对5种岩石试件的显微CT扫描,以射线的衰减系数为目标,研究岩石颗粒密度分布规律。结果表明：岩石细观结构的密度分布整体符合韦伯分布规律,岩石细观颗粒密度分布具有明显的聚集性。90%～95%的岩石颗粒密度分布在很窄的范围,占密度值域的30%～40%。这些主要区域的颗粒密度符合正态分布。     

不同温度下油页岩的孔隙结构变化特征研究

为了研究油页岩在不同温度下孔隙结构的变化特征,利用压汞法测定油页岩在不同温度与压力下的孔径、孔容积。实验结果表明:油页岩的孔容积随着温度的升高而增大,在整个温度变化过程中,中孔(0.1~1μm)和小孔(0.01~0.1μm)的分布始终处于相对稳定的状态。     

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。     

基于三维CT图像的油页岩热解及内部结构变化特征分析

 利用显微CT试验分析系统,对油页岩样进行不同温度下的显微CT扫描,并应用三维衰减系数重建技术对不同温度下油页岩样内部孔、裂隙的演化特征进行分析研究,结果表明：(1) 在20 ℃～600 ℃温度范围内,油页岩样内部孔隙、裂隙的数量和规模发生了质的变化,从致密状态变为孔、裂隙发育的多孔介质。(2) 随着温度的升高,油页岩内部空隙团不断得到连通,从100 ℃时的只局限在一个很小区域的小规模,发展到200 ℃时的连通了油页岩内部立方体区域2个相对面的渗流通道,到600 ℃时,油页岩内部热解率达到了39.80%,最大空隙团在空隙团中的比例达到97.45%,空隙团已基本全部得到连通,形成了连通整个区域的渗流通道。研究结论对分析油页岩原位热解过程中油气的渗流通道的发展规律有重要意义。