煤样瓦斯放散性能多因素敏感性试验研究

煤的瓦斯放散性能是影响煤与瓦斯突出的一个重要因素,瓦斯放散初速度是表征瓦斯放散性能的主要指标之一,其影响因素较多。采用"四因素、四水平"正交试验方法,通过自主研发的MFGE-1型瓦斯放散初速度试验台,测定了粒径、水分、吸附时间及温度等影响下的瓦斯放散初速度;应用方差分析等方法,研究各因素对煤样瓦斯放散性能影响的敏感性,以及两者相互间的变化规律。结果表明:自主研发的瓦斯放散初速度试验装置可满足试验测定要求;粒径对瓦斯放散初速度的影响最大,其次是水分、温度及吸附时间;绘制了各因素对瓦斯放散初速度影响的直观分析图,得到瓦斯放散初速度随粒径、水分及温度增大而减小,随吸附时间增加而增大;与粒径、水分呈指数关系,与温度呈线性关系,与吸附时间呈幂函数关系,并构建了多因素影响下的综合模型。     

粒径损伤对原生煤和构造煤孔隙结构与分形特征的影响*

为了分析构造煤与原生煤因孔隙结构不同而导致的内部瓦斯存储和运移所存在的差异性。结合低温液氮实验,分析2种煤样的孔隙特征参数与分形维数之间的关系,发现破碎作用对原生煤和构造煤孔隙的破坏路径略有区别。对于原生煤,破碎作用先作用于较大孔隙,之后对微孔产生影响;而对于构造煤,破碎作用直接对较大孔隙和微孔隙产生影响。研究结果表明:原生煤孔隙表面越粗糙、微孔比表面积越大,吸附能力越强;构造煤孔隙结构越复杂、微孔孔容越大,吸附能力越强。研究结果可为构造煤与瓦斯突出的防治提供研究基础。     

水分对不同变质程度煤瓦斯放散初速度的影响研究

为研究不同质量分数水分对煤体瓦斯放散特征的影响规律,选取3种不同变质程度的典型煤样,测试了水分作用下的煤体瓦斯放散初速度,并结合扫描电镜和压汞法研究了煤体孔裂隙分布特征,阐明了水分对煤体瓦斯放散初速度的微观影响机理.结果表明:水分对煤体瓦斯放散初速度起到了明显的抑制作用,煤阶越高,水分的影响程度越大;水分对褐煤、烟煤和无烟煤瓦斯放散初速度影响规律的差异性与煤体孔隙分布有关;随水分质量分数增加,褐煤瓦斯放散初速度表现为先快速降低后缓慢减小,烟煤△p呈线性衰减,无烟煤则表现为先小幅降低后急剧下降.     

CO_2致裂对煤孔隙吸解特性与分形特征影响研究

煤与瓦斯突出煤层普遍具有瓦斯含量高、渗透率低的特点,为了消除煤与瓦斯突出,采用CO_2致裂的方法,在贵州大运煤矿取样,开展低温氮吸附试验对比致裂前后煤的微观孔隙变化。采用静态容量法比表面及孔径分析仪测试CO_2致裂前后孔径范围在3～200 nm之间煤样,并运用FHH分形理论定量描述CO_2致裂对煤岩孔隙内表面作用过程。结果表明:CO_2致裂在3 m范围内对煤层的孔隙结构有显著影响,致裂后的煤样比表面积与最可几孔直径均明显减少,同时平均孔直径与孔容明显增加;致裂对微孔破坏效果显著,致裂后微孔数量降低一个数量级,降幅最高达到83. 93%;原煤的分形维数由2. 705 93降低到致裂后最低2. 553 78,说明贵州煤层孔隙表面复杂粗糙,利用CO_2致裂能使煤层孔隙表面趋于光滑;比表面积与分形维数具有正相关关系。     

构造煤原生结构煤微孔特征的多重统计对比及其差异成因机制

孔径小于2 nm的微孔孔隙控制着煤的吸附能力,开展构造煤与原生结构煤微孔特征的对比研究有助于厘清构造煤是否具有超强瓦斯吸附能力。为统计确证构造煤与原生结构煤孔径小于2 nm的微孔孔隙是否存在显著差异,判断造成微孔孔隙特征变化的主控因素并探讨其原因,对鹤壁六矿、平顶山八矿和淮南谢桥矿3组采自同一煤层共生的构造煤与原生结构煤煤样,采用CO2吸附法测定了孔径小于2 nm的微孔孔隙特征参数,并基于CART递归分割、LSD多重比较及多元方差分析等统计分析方法对构造煤与原生结构煤的微孔孔容进行了多重统计对比研究。结果表明:1)构造煤与原生结构煤孔径小于2 nm的微孔孔容没有显著差异;2)构造变形作用对孔径小于2nm微孔孔隙变化的影响远小于变质作用;3)构造煤的吸附能力不是构造煤发育煤层易突出的主要原因;4)煤类微晶结构参数的变化是煤微孔形成的主控因素。     

贵州六盘水矿区煤岩孔隙发育程度及渗透率演化规律研究

为探究煤岩孔隙结构与渗透特性的内在关系,以贵州六盘水3个矿区煤岩为研究对象,利用ASAP2020型比表面微孔分析仪和自主研制的含瓦斯煤三轴渗流装置,研究了其内部孔隙发育情况,并进行了不同孔隙压力下的三轴渗流试验。采用FHH表面分形计算分形维数,建立考虑分形维数的渗透率模型,通过试验结果与模型对比验证其合理性。结果表明:1)煤岩的吸附等温线具有Ⅳ型等温吸附线的特征,四角田煤矿7#煤层微孔到大孔均发育较好,松河煤矿3#煤层存在大量的"墨水瓶"形微孔,木冲沟煤矿8#煤层微孔和中孔较为发育; 2)煤样FHH分形维数介于2.4～2.8,与孔容、平均孔径和孔隙率均呈负相关关系,煤岩孔体积变化在20～40 nm阶段最为明显,累计孔隙容积迅速增加,煤层具有大量的微孔和过渡孔,孔隙发育良好; 3)煤岩渗透率均随孔隙压力升高而降低,四角田煤矿7#煤岩渗透率最大; 4)模型曲线与试验值吻合度较高,能很好地反映孔隙压力与渗透率的变化关系。     

二氧化碳致裂对煤岩孔隙表面分形特征影响实验研究

为了探究二氧化碳致裂对贵州高瓦斯低渗透煤层的孔隙致裂增透作用,提出了应用低温氮吸附与FHH模型相结合的方法,分析致裂前后煤样的微观孔隙特征变化,并将分形维数与孔隙特征参数结合。研究结果表明:二氧化碳致裂对煤的孔隙具有明显的作用效果,致裂后煤岩体中微孔含量、比表面积减少,而孔容、平均孔直径增加;致裂作用会使煤的分形维数减小,孔隙表面受致裂效果会趋于光滑;受二氧化碳致裂作用,分形维数的大小与平均孔直径、孔容和吸附量等存在负相关关系,与比表面积、微孔含量等呈正相关关系。     

水分对煤中瓦斯放散初速度影响研究

为了研究水分对煤中瓦斯放散初速度的影响,对水分含量分别为3%,5%及7%的不同粒径的煤样进行了测定,绘制了不同粒径煤中瓦斯放散初速度随水分变化的曲线图,并从煤对瓦斯的吸附、解吸特性及渗透率等方面深入全面地分析了产生该曲线变化趋势的原因。     

煤体瓦斯放散特性电场响应研究

针对含瓦斯煤放散特性的电场响应,对不同煤阶的煤样施加不同静电压,测试其放散初速度,结果表明,静电场具有提高瓦斯放散初速度的作用,受其影响程度由大到小为烟煤(YM)构造煤、烟煤(YM)非构造煤、无烟煤(WYM)非构造煤、无烟煤(WYM)构造煤。这一现象符合不同煤级自由基浓度的分布规律,利用灰色关联分析法验证了静电场是通过影响煤岩组分中固定碳来宏观改变瓦斯放散速度,分析其影响机理,静电场下煤与瓦斯分子发生极化,增加了吸附势阱深度,计算静电压下煤表面能的变化,即电压升高,煤表面能降低值增大,两者都使得煤表面吸附更多瓦斯,提高了瓦斯放散时的瞬时瓦斯压力梯度,从而促使瓦斯放散初速度加快。     

煤体结构对瓦斯解吸放散特征影响试验研究

为研究不同煤体结构煤在瓦斯吸附解吸与放散规律方面的差异性,对寺家庄矿15#煤层煤样进行等温吸附/解吸试验与恒温瓦斯放散试验,研究了构造煤与原生煤的吸附/解吸参数以及在不同吸附压力下的瓦斯放散特征。研究结果表明:构造煤的瓦斯吸附能力稍大于原生结构煤,吸附常数a值较原生煤提高6.3%左右;构造煤与原生煤的瓦斯放散曲线有较大差异,尤其体现于瓦斯放散初期,构造煤瓦斯放散速度更大,就达到极限解吸量所需时间而言,构造煤所需时间更短;瓦斯放散曲线拟合结果表明,孙重旭式与乌斯基诺夫式能够分别准确描述原生煤与构造煤的瓦斯放散过程。     

煤粒瓦斯解吸温度变化影响因素及与突出的关系研究

基于扩散理论和热力学基本原理建立了瓦斯解吸过程温度变化公式,以及温度变化与瓦斯膨胀能、瓦斯解吸量的关系式,在此基础上研究了煤粒粒度、瓦斯压力、吸附常数a、扩散系数对解吸过程温度变化的影响及温度变化与煤与瓦斯突出的关系.结果表明:随煤粒粒度减小,瓦斯压力、瓦斯含量增大,扩散能力增强,瓦斯解吸引起的温度下降幅度增大.随解吸过程中温度降低,瓦斯解吸量、瓦斯膨胀能呈明显增大趋势,由此可见,解吸过程中温度下降幅度越大,煤层煤与瓦斯突出危险性越大.     

动扩散系数新模型下不同粒径构造煤的瓦斯扩散特征

为揭示不同粒径构造煤的瓦斯扩散特征,采用瓦斯解吸仪分别在井下现场和实验室内开展了原煤样和不同粒径的构造煤瓦斯扩散实验,并采用低温氮吸附法测定其孔径分布,采用动扩散系数新扩散模型计算各类扩散实验的初始扩散系数D0及其衰减系数β、有效初始扩散系数De0和有效动扩散系数De(t)。结果表明:各类粒径构造煤的瓦斯扩散率初期增长较快,但衰减迅速。同时刻下,粒径越大,D0越大,β越小,构造煤中孔隙由表及里孔径逐渐缩小,正是这种孔径特征控制了D0和β的大小。同时,粒径越大De0和De(t)越小。与之相反,井下构造煤原煤样具有更小的粒径,致使原煤样的瓦斯扩散速度更快,因此构造煤具有更严重的突出危险性。     

纳米级孔隙对构造煤吸附瓦斯能力的影响

为了理清构造煤是否具有超强瓦斯吸附能力及纳米级孔隙与吸附能力的关系,通过压汞、低温液氮吸附和高压等温吸附试验,对比分析采自焦作、平顶山和永夏矿区的不同煤级的IV—V类构造煤和同层共生的原生结构煤在孔隙结构、瓦斯吸附能力方面的差异,并探究纳米级孔隙与吸附能力关系。结果表明:煤中纳米级孔隙是比表面积的主要贡献者,是煤吸附瓦斯能力的决定因素;构造煤相对于同层共生的原生结构煤,纳米级孔隙和比表面积略有增加,吸附能力增加不大,且不具有超强吸附能力;构造变形作用对纳米级孔隙变化及吸附瓦斯能力的影响远小于变质作用。     

低阶煤孔隙结构特征及其对瓦斯吸附的影响

为分析低阶煤孔隙结构特征及其对瓦斯(甲烷)吸附特性的影响,采用高压容量吸附装置对3个低阶煤煤样和一个高阶煤煤样进行等温吸附试验和低温液氮吸附试验,并对比分析不同变质程度煤的吸附性能和孔隙结构。结果表明:低阶煤的吸附特性符合朗缪尔(Langmuir)方程;不同变质程度煤孔的结构存在明显差异,不同低阶煤的孔隙结构基本相近,在高压段均出现微小的滞后环,其孔形以两端开口的楔形孔为主,其对瓦斯的吸附主要集中于中孔和微孔中,中孔占比更大;煤体孔隙比表面积决定瓦斯吸附能力,中孔的比表面积与煤样的Langmuir体积线性相关,对吸附起决定性作用,而微孔的比表面积与Langmuir体积没有明显的正相关关系。     

林华煤矿煤与瓦斯突出构造控制及其分形特征

采用事故树分析法,对林华煤矿历次的煤与瓦斯突出事故资料进行了定性、定量分析,得出构造为林华煤矿煤与瓦斯突出事故的主控因素。运用分形理论对林华煤矿突出主控构造的特征进行分析,发现构造分布符合分形规律,信息维法比盒维法更能表征构造的分形特征。林华矿信息维数达到或超过一定数值的范围内,应采取抽放瓦斯等综合防突措施,加大防突力度。     

基于氮吸附、压汞联合试验的CO2致裂对煤岩孔隙的影响

煤岩中的孔隙结构特征对瓦斯运移和富集有着至关重要的影响。为了研究CO₂致裂对煤岩孔隙的影响,利用低温氮吸附试验与压汞试验相结合的方法对致裂前后的煤岩孔隙变化进行定量表征,并使用扫描电镜、现场致裂后煤岩瓦斯抽采分别从定性和宏观上反映CO₂致裂对煤岩孔径分布和孔隙结构特征的影响。结果表明,CO₂致裂会迫使煤岩中微孔、小孔孔隙结构改变,从墨水瓶形孔转变为开放型孔隙,各孔径段孔容有所增长扩张,致裂主要迫使孔径在10 000~100 000 nm的孔隙有较为明显的发育扩张。煤岩中存在渗流孔隙和扩散孔隙,致裂后渗流孔体积和百分比呈现先增长后逐步降低的现象,扩散孔体积变化趋势与渗流孔一致,但其百分比先降低后逐步回升。通过扫描电镜、现场测定及计算等辅助手段从宏观方面反映出CO₂致裂对孔隙有明显作用,对消除煤与瓦斯突出有积极效果。     

构造煤孔隙结构与瓦斯耦合特性研究

利用压汞法、低温氮吸附法、瓦斯等温吸附和解吸试验对平煤八矿构造煤和共生原生结构煤进行综合分析,探讨了构造煤孔隙结构与瓦斯耦合特性.结果表明,构造煤以微孔为主,中孔和大孔相对发育且含较多细颈瓶孔,孔隙连通性差.与共生原生结构煤相比,构造煤各孔径阶段的孔容和孔比表面积都有所增加.构造煤比表面积的增加具有阶段性,即孔径＜ 1.2 nm时为慢增加阶段,孔径=1.2 ～ 4.9nm时为快增加阶段,孔径＞4.9 nm时为稳定阶段.构造煤极限瓦斯吸附量a的增大与比表面积快增加阶段关系密切,但小于其BET比表面积的增幅.瓦斯解吸初期0～2 min内构造煤瓦斯解吸速度和解吸量明显大于共生原生结构煤,与中孔和大孔的变化一致,2 min以后瓦斯解吸迅速衰减.低煤体强度、高瓦斯含量的构造煤以气-煤共溶体形式储集更多弹性潜能,突然卸压时瓦斯膨胀能迅速释放,煤层中发育的构造煤增加了煤与瓦斯突出的危险性.     

Fisher判别法在煤与瓦斯突出危险程度预测中的应用

为了提高煤与瓦斯突出的预测精度,根据煤与瓦斯突出的综合作用假说,选取开采深度、瓦斯压力、瓦斯放散初速度、煤的普氏系数以及煤体破坏类型作为判别指标。利用国内典型突出矿井20个实测数据作为训练样本,建立煤与瓦斯突出危险程度预测的Fisher判别分析模型,并应用于其他待判样本的预测。结果表明:Fisher判别分析模型能够反映多因素对煤与瓦斯突出的影响,分类性能良好,误判率低,借助SPSS软件实现,具有计算简单的特点,是煤与瓦斯突出预测的一种有效方法。     

颗粒活性炭吸附染料时的表面分形分析

采用N2吸附-脱附实验研究了颗粒活性炭吸附染料前后表面特征的变化,运用表面分形维数表征了表面屏蔽效应和表面粗糙性等性质.结果表明,颗粒活性炭的孔结构是倾斜板交错重叠而形成四面开放的缝隙,桃红、绿色、天蓝、耐晒黑可以撑开颗粒活性炭的孔隙,增大平均孔径;耐晒翠蓝具有降低孔径的能力;大红却有些微孔阻塞作用.FHH理论计算出的相应的7个颗粒活性炭样品吸附6种染料前后的孔隙表面分形维数Ds很接近,为2.97左右,证明颗粒活性炭上吸附的染料并没有发生表面屏蔽效应,也没有使颗粒活性炭表面的粗糙性降低.分形吸附等温线法与基于N2吸附-脱附的FHH理论法计算出的Ds相差较大,这与两种算法的理论基础和码尺大小有关.而热力学模型计算出的Ds远大于3,与Sahouli等的研究不符.     

高温高压吸附后焦煤的孔隙结构变化特性

为研究高温高压气体吸附试验中焦煤基质膨胀后孔隙结构变化特性,首先开展了软、硬焦煤在不同吸附平衡温度(30℃、40℃、50℃)下的高温高压吸附试验,然后利用压汞法测试吸附试验前、后煤样的孔隙结构,研究了不同吸附平衡温度下的软、硬焦煤吸附性能及高温高压吸附试验对软、硬煤孔隙结构的影响.结果表明:在相同温度和压力下,硬煤瓦斯吸附量及吸附常数a均小于相应的软煤;随吸附平衡温度升高,同一煤样的瓦斯吸附量减少;高温高压吸附试验后,煤样含有大量的半封闭型的微孔和小孔,孔隙连通性变差,煤中孔隙向着更加致密的方向发展,有利于瓦斯的储存.