煤层注水抑制瓦斯解吸效应试验研究

煤层注水宏观上具有疏松煤体、卸压排放瓦斯的效应,这是人们对煤层防突机理的初步认识。为进一步认清煤层防突机理,采用实验室试验和现场测试相结合的方法,在实验室中使干燥煤样在煤样罐中预先吸附瓦斯来模拟原始煤层,然后向试验煤样高压注入水分,注水后再测试瓦斯解吸等温特性曲线、瓦斯解吸速度及残存瓦斯含量。测验结果表明,注水后瓦斯解吸等温特性曲线上移,初始瓦斯解吸速度变小且衰减速度变慢,残存瓦斯含量增加,现场测试钻屑瓦斯解吸指标值降低。通过分析测试结果认为,注水后,水分进入并留存在煤体的微孔隙中,对煤层瓦斯具有抑制解吸效应,而抑制解吸效应可以降低瓦斯初始解吸速度,使瓦斯解吸过程变缓,避免瓦斯突然快速解吸。这是煤层注水防治煤与瓦斯突出的一项重要机理。     

水的后置侵入对瓦斯解吸影响试验研究

利用自主设计的外液条件下瓦斯解吸试验装置,首次进行了无水侵入和外来水侵入后含瓦斯煤的瓦斯解吸对比试验.共进行6组,瓦斯吸附平衡压力分别为3.5 MPa、3.0 MPa、2.5 MPa、2.0 MPa、1.5MPa、1.0MPa,环境压力分别为3.0 MPa、2.5 MPa、2.0 MPa、1.5 MPa、1.0MPa、0.5 MPa,含瓦斯煤的内外压力差为0.5 MPa,获得了相关试验数据以及6组瓦斯累积解吸量变化对比曲线.结果表明,在对含瓦斯煤实施水力压裂后,外来水的后置侵入不仅会使瓦斯解吸量大大减少,而且还会使瓦斯解吸的终止时间提前;在压差为0.5 MPa条件下,有水侵入后的瓦斯解吸量仅为无水侵入时瓦斯解吸量的23％～45％,平均降低了67.5％,同时瓦斯解吸终止时间提前约1h.水的后置侵入对瓦斯解吸具有损害作用,该损害作用源于水在孔隙中形成的毛细管阻力.因此,在评价是否采用水力压裂时,应从煤层渗透率、水驱气、水对瓦斯解吸损害影响3个方面综合考虑.     

突出煤层瓦斯吸附解吸特性核磁共振谱试验研究

随着深部开采的推进,煤与瓦斯(甲烷)突出已成为安全高效采矿的重大隐患,煤中瓦斯赋存运移微细观作用机制试验研究至关重要。采用核磁共振T_2谱技术,以阜新盆地孙家湾矿高瓦斯高突煤层为例,试验研究煤样瓦斯吸附解吸核磁共振谱,模拟煤层瓦斯赋存和运移全过程。结果表明,吸附态、游离态和自由态瓦斯核磁共振T_2谱范围可由不同T_2截止阈值定量划分;吸附过程和解吸过程中,吸附态瓦斯量与瓦斯压力的关系符合朗格缪尔方程,而游离态瓦斯量与瓦斯压力成线性关系;吸附态瓦斯解吸过程表现出一定滞后性,且存在5.5 MPa临界滞后压力,游离态瓦斯解吸过程无明显滞后性。     

高压注水中水对瓦斯解吸影响试验研究

为了解高压注水后水对含瓦斯煤中瓦斯解吸的影响,利用自主设计的外液侵入条件下瓦斯解吸试验装置,在环境温度为20℃条件下,分别开展了无水侵入和有水侵入后水对含瓦斯煤中瓦斯解吸影响的对比试验,其瓦斯吸附平衡压力分别为2.5MPa,2.0MPa,1.5MPa,1.0MPa,而环境压力则分别为2.0MPa,1.5MPa,1.0MPa,0.5MPa,瓦斯吸附平衡压力与所处的环境压力之差均为0.5MPa,共进行了四组对比试验,并对试验数据进行了对比分析。结果表明:水的后置侵入不仅会使瓦斯解吸量大大减少,而且还会使瓦斯解吸的终止时间提前。因此,在评价高压注水对提高瓦斯抽采效果时,不仅要考虑高压水对煤层的增透作用以及对瓦斯的驱动作用,还应综合考虑水对瓦斯解吸的损害影响。     

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。     

煤层瓦斯压力测定的合理封孔注浆压力研究

煤层瓦斯压力测定是煤矿安全生产基础参数测定的重要内容之一,测压成功的关键是封孔技术。当围岩裂隙较发育时需要采用压力注浆封孔,注浆压力就成为封孔的技术关键。为了确定一定围岩岩性条件下的合理封孔注浆压力,采用数值模拟的方法对测压钻孔塑性区大小进行了仿真模拟,并根据浆液渗流规律和钻孔围岩性质之间的关系建立了浆液流动数学模型,得出了合理的注浆压力为4MPa,结合新型“两堵一注”囊袋式封孔装置与CPD8M型煤层瓦斯压力自动测定仪进行了现场应用,结果表明4MPa的注浆压力满足平煤十三矿试验现场围岩条件下的封孔要求,对同类条件下瓦斯压力测定具有一定的指导意义。     

突出危险型煤瓦斯等温解吸试验研究

为深入研究突出危险煤瓦斯解吸特征,以块状型煤为研究对象,开展瓦斯等温吸附和解吸试验,分析解吸试验过程中最小平衡压力对解吸过程吸附常数的影响,探讨瓦斯吸附和解吸过程的可逆性、合理的解吸试验压力条件及其数据处理方法。结果表明:最小平衡压力对解吸过程吸附常数拟合结果影响较大;突出危险型煤在实验室条件下,等温吸附/解吸瓦斯过程有典型的可逆性,解吸过程有滞后性;等温解吸曲线仍服从Langmuir方程;为使解吸试验结果可靠性更高,拟合中应考虑解吸完全时的状态,即解吸平衡压力为0 MPa、残余吸附量为0 m L/g时的数据;解吸试验过程中,最小平衡压力不宜高于0.51 MPa。     

煤层瓦斯压力测定中的钻孔注浆新技术研究

为简化复杂地质条件下测定煤层瓦斯压力的工序并提高高压注浆的成功率和可靠性,以达到准确、快速测量瓦斯压力的效果,基于胶囊注水封孔器的原理和特性及高压注浆的现场情况,提出了一种新型的注浆方法。通过钻孔注浆模型的建立和数值分析、模拟,发现新式注浆工艺可满足10 MPa的注浆压力,能有效封堵钻孔中的裂隙。现场对比实验证明新式注浆方法较传统注浆方法减少了工序,提高了安全性和可操作性,节省时间约35 h。新型注浆方法在复杂地质条件下可提高测压工作整体的效率。     

瓦斯气体在煤层中的扩散机理及模式

根据气体在多孔介质中的扩散模式 ,结合煤结构的实际特点 ,分析了瓦斯气体在煤孔隙中的扩散机理 ,得出瓦斯在煤体中几种扩散模式 :菲克型扩散、诺森扩散、过渡型扩散、表面扩散和晶体扩散。从微观上看 ,影响瓦斯气体在煤层中扩散的主要因素是瓦斯气体的平均自由程和煤不同尺寸微孔隙的分布情况。根据不同孔隙分布的煤层 ,探讨了各种扩散模式的适用条件     

抽采钻孔周围煤层瓦斯压力分布理论分析及应用

在煤层瓦斯抽采工艺中,抽采钻孔周围煤层瓦斯压力分布状况决定了最佳抽采时间和抽采半径。为研究抽采钻孔周围煤层瓦斯压力分布情况,通过理论分析和数值模拟,构建抽采钻孔周围煤层瓦斯流量表达式;应用达西渗流定律,推导出抽采钻孔周围煤层瓦斯压力解析表达式;采用瓦斯抽采半径随抽采时间的变化速率作为确定瓦斯抽采最佳时间的依据,给出临界值,并进行工程应用。结果表明:随着测定点与钻孔中心距离的增加,煤层瓦斯压力逐步上升,最终趋于原始值;随着抽采时间延长,瓦斯压力大致呈指数规律下降;瓦斯抽采半径随抽采时间的变化速率临界值可暂定为0.47。     

冷冻取芯过程煤芯瓦斯解吸特性试验研究

为探究冷冻取芯过程煤芯瓦斯解吸特性,基于模拟试验的相似性,依托自主研发的含瓦斯煤冷冻取芯响应特性测试平台,开展不同变质程度煤样(长焰煤、贫瘦煤、无烟煤)及不同吸附平衡压力(1.0,2.0,3.0,4.0 MPa)下冷冻取芯过程煤芯瓦斯解吸特性试验研究。研究结果表明：冷冻取芯过程中,煤芯瓦斯解吸量与吸附平衡压力及煤变质程度呈正相关关系;在煤芯瓦斯解吸过程中存在倒吸现象,煤与瓦斯初始吸附平衡压力越大,煤的变质程度越高,倒吸开始时间越迟;冷冻取芯过程中,瓦斯解吸速度与吸附平衡压力及煤变质程度呈正相关关系,且瓦斯解吸速度随吸附平衡压力及煤变质程度变化曲线符合幂函数关系。     

煤层瓦斯含量影响因素分析及灰色预测

矿井煤层瓦斯含量与煤层埋藏深度、围岩性质等密切相关,以不同煤层地质参数及其相对瓦斯含量数据为原始序列,通过灰色处理建立微分方程预测模型,使用GM(1,4)灰色预测模型建立了未开采区瓦斯含量的预测方程,并进行了残差检验.同时对不同因素对瓦斯含量的关联程度进行了分析.     

软硬煤瓦斯解吸规律及影响因素的实验研究

为了研究软硬煤瓦斯解吸规律,搭建了大质量瓦斯解吸实验系统,进行了不同变质程度软硬煤的瓦斯解吸实验,对比分析了软硬煤的孔隙结构特征,查明了软硬煤的瓦斯解吸规律及影响因素。研究结果表明:软煤相对于硬煤,具有更多的瓦斯解吸总量和更快的解吸速度,采用幂函数可以较好的描述软硬煤的解吸规律,煤的破坏类型和变质程度是影响瓦斯解吸量的主要因素;软硬煤瓦斯解吸规律的差异性主要受煤的孔隙结构影响,软煤总孔容是硬煤的1.18～2.14倍,且软煤中孔及大孔更为发育,这为瓦斯解吸提供了更优质的通道;软煤相对硬煤在同等条件下变质程度更高,煤吸附甲烷的能力更强,这有利于软煤瓦斯解吸量的增加及解吸速度的加快。研究成果为准确测试煤层瓦斯含量和钻屑解吸指标提供了理论依据。     

瓦斯压力对煤体爆破应力影响规律试验研究

为研究瓦斯压力对煤体爆破应力的影响规律,开展了不同瓦斯压力条件下煤体爆破试验,对煤体爆破应力进行测试与分析,并利用LS-DYNA3D模拟软件对试验结果进行了验证。结果表明:煤体中瓦斯压力的能够增加煤体爆破应力波峰值,应力波的作用时间延长大约200us;随着瓦斯压力增加,煤体爆破应力波峰值也随之增大,从而更利于煤体爆破裂纹的扩展;煤体中瓦斯压力对煤体爆破中远区影响较大,在爆破近区,瓦斯压力基本可以忽略;当瓦斯压力存在时,煤体爆炸应力波均将出现两个完整的波形。     

基于自动水位补偿的含水煤层瓦斯压力测定方法研究

通过研究含水煤层瓦斯压力测定方法现状,确定主要影响测定结果的因素为水压干扰、煤泥水干扰。针对以上问题提出了测定新方法,运用自动水位补偿方法剔除水压对测定结果的干扰,通过设计装有复合材质倾斜滤网的煤泥沉淀池,完成对煤泥的过滤和导流,实现对煤泥水的净化。此方法直接测定瓦斯压力,避免反推计算,从而减小了环境因素对测定结果的干扰。依据理论设计了含水煤层瓦斯压力测定装置,并进行了井下对比试验,现场试验结果表明:运用新设计装置测定结果比普通方法更接近理论值,数据利用价值高。该装置操作简单、自动化程度高、测定结果准确,可为含水煤层瓦斯治理提供数据支持,确保生产安全。     

煤屑暴露初期较长时间段瓦斯解吸规律的试验研究

为了解决长钻孔取样暴露时间长、损失瓦斯量推算误差偏大的问题,采用自主研发的试验系统对煤屑暴露初期长时间段内的瓦斯解吸规律进行试验研究,找出了极限瓦斯解吸量与吸附平衡压力的关系,并对Qt=K t和Qt=Q∞(1-eλt+A)两个理论公式在不同时间段内的拟合效果和损失量推算误差进行对比。结果表明,两公式在不同时间段内的拟合效果显著,决定系数均在0.94以上。从损失瓦斯量的推算误差来看,前者在30 min内的推算误差较小,相对误差最大值小于7%,但随拟合时间段的向后推移,推算误差越来越大,最小值在40%以上;后者在30 min内的推算误差较大,相对误差都在24%以上,而在30~70 min和70~120 min内的推算误差较小,相对误差都在11%以下。因此,前者适合煤样暴露短时间内损失瓦斯量的推算,后者则适用于暴露长时间后的损失瓦斯量推算,联合两个公式,按时间段推算损失瓦斯量,就可以减少长时间段内的计算误差。     

松软煤层瓦斯突出模拟试验相似材料研究

为探究松软煤层瓦斯突出规律,基于正交试验以腐殖酸钠溶液为胶结剂、不同粒径煤粉为骨料,配制不同配比的相似材料,采用极差分析、数据拟合等方法研究腐殖酸钠溶液质量分数、成型水分等对相似材料的力学特性及吸附解析等特性的影响。结果表明:腐殖酸钠溶液质量分数对相似材料力学特性起主要控制作用。成型水分和腐殖酸钠溶液质量分数均显著影响相似材料瓦斯吸附解析等特性,累计解吸量和瓦斯吸附量随着腐殖酸钠溶液质量分数的增加;累计解吸量随水分含量的增加而减小,瓦斯吸附量随平衡压力增大而增大。材料渗透率随着腐殖酸钠溶液质量分数呈负指数函数变化。     

煤层倾角对采空区流场及瓦斯分布的影响研究

为获得不同煤层倾角条件下的采空区流场及瓦斯分布变化规律,以平煤六矿22310工作面为原型,通过建立采空区数学物理模型并设置边界条件,数值模拟了工作面采空区气体压力、漏风和瓦斯分布情况,并与该工作面现场实测通风参数对比,对模型可靠性进行验证。在已建立模型的基础上,模拟了煤层倾角分别为5.75°、35.75°、65.75°时的采空区气体压力、漏风和瓦斯分布,对比分析了三种煤层倾角下的采空区流场及瓦斯分布变化规律。结果表明:随着煤层倾角增加,采空区气体压力降低,压力梯度升高;工作面漏风量变化微小,漏风分布规律不变;采空区瓦斯浓度和采空区瓦斯总量降低。     

基于压力与温度对损失瓦斯量影响试验研究

为研究取芯管取芯过程中压力与温度对损失瓦斯量的影响,以及t法的偏差,利用自主研发的取芯管取芯过程模拟测试装置,基于模拟试验的相似性,开展不同加热功率下取芯过程模拟试验与室温(30℃)对比,以及变温条件下不同吸附压力取芯过程模拟试验.结果表明:前30 min煤芯瓦斯解吸曲线符合Qt=a+b/[1+(t/t0)c].吸附压...