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。     

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。     

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.     

瓦斯在石门揭构造软煤诱发煤与瓦斯突出中的作用

为了更好地认识和防治煤与瓦斯突出,利用扫描电子显微镜和静态液氮吸附仪研究一种构造软煤的微孔结构特征,同时利用自主搭建的大型石门揭煤相似模拟试验系统,研究石门揭露构造软煤过程中瓦斯压力的变化规律。在试验研究的基础上,分析构造软煤的微孔特性对瓦斯赋存的影响,以及瓦斯在石门揭露构造软煤诱发煤与瓦斯突出中的作用。通过试验得出:构造软煤的结构破坏严重,微孔发育并且为特殊瓶颈的不透气孔,为瓦斯的赋存提供了极为有利的条件;瓦斯在突出的启动和发展过程中起重要作用,即在瓦斯压力突然降低、释放膨胀潜能时,瓦斯压力作为动力来源,加速了煤体向采掘空间抛出的过程。     

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。     

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。     

煤与瓦斯突出过程中煤体瓦斯的作用研究

为了研究煤与瓦斯突出过程中煤体瓦斯的作用,采用煤体中瓦斯总量守恒的原理研究瓦斯含量与瓦斯积聚内能的基本方程和影响因素;分析煤与瓦斯突出产生的力学条件和机理,建立了煤与瓦斯突出危险程度的矩阵图。结果表明:瓦斯含量是煤体瓦斯内能最直接的反应,其值大小决定瓦斯内能的大小;瓦斯压力梯度、煤体的断裂韧性及煤体内的裂隙发育程度决定着瓦斯突出的危险性,低渗透性构造煤对瓦斯运移阻力较大,容易形成较大的瓦斯压力梯度,从而更容易发生煤与瓦斯突出。煤层中的瓦斯含量、瓦斯压力、地应力越大,煤体的强度、渗透率越小,越容易发生突出。煤层瓦斯情况、力学性能、地质构造和煤层的应力状态是决定煤与瓦斯突出的主要因素。     

损失瓦斯量与煤的破坏类型关系研究

损失瓦斯量是准确获取煤层瓦斯含量的基础数据。通过实验室测定和不同损失量计算模型的对比分析,表明采用 传统的t法和幂函数法获取损失瓦斯量时,Ⅱ类、Ⅲ类和Ⅳ类煤符合性较好,误差小于20%,I类煤和Ⅴ类煤的损失瓦斯 量误差为25%~31%;煤中孔隙结构的差异是误差产生的原因,I类煤中原生孔隙占多数,Ⅴ类煤的孔隙受构造影响最大, 其它类型煤的孔隙结构介于I类煤和Ⅴ类煤之间;对于I类煤和Ⅴ类煤,采用表征原生孔隙和构造孔隙双孔隙特征的模型 获得的损失瓦斯量误差低于10%。研究结论对煤层瓦斯含量测定具有重要意义。     

煤与瓦斯突出的物理模拟和数值模拟研究

利用自行设计的实验装置,通过现场采集具有突出倾向的煤样,分别向实验装置煤样中充入吸附能力较大的CO2和吸附能力较小的N2来模拟不同级别的煤与瓦斯突出现象,物理试验结果表明:瓦斯压力越大,突出强度越大;当瓦斯压力相近时,吸附和解吸能力大的瓦斯突出强度大。通过数值模拟对煤与瓦斯突出进行研究,数值模拟再现了煤矿开采过程中诱发的煤与瓦斯突出全过程,同时验证了煤与瓦斯突出是瓦斯压力、地应力及煤岩体的力学性质综合作用的结果,该验证对进一步深入理解认识煤与瓦斯突出的机理具有重要的理论和实践意义。     

粒状煤和块状煤等温吸附CH4试验研

为探究不同尺寸煤样吸附瓦斯特性的差异,以漳村矿3#煤为研究对象,利用自主研制的多功能煤吸附/解吸瓦斯参数测定试验装置,开展粒状煤和块状煤的等温吸附试验,测定不同吸附压力下的吸附量和变形量。试验结果表明:在相同的吸附平衡压力下,吸附量随煤样粒径的增大而减小;粒状煤吸附瓦斯的能力大于块状煤,原因是粒状煤的有效比表面比块状煤大,增加的微孔吸附瓦斯使得煤吸附瓦斯量增加。块状煤的变形量随吸附平衡压力而增大,但增加量逐渐减小。经讨论分析可知:煤体吸附膨胀变形是煤基质吸附膨胀和气体压力压缩共同作用的结果;粒状煤测定的吸附常数应用到煤层数值模拟中会引起一定的误差。     

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。     

预氧化浸水煤体表面结构变化及复燃特性*

为研究预氧化长期浸水煤体孔隙结构变化及贫氧复燃特性,以长焰煤原煤（RC）、浸水煤(S200)、预氧化200浸水煤(O200I200)、预氧化300浸水(O300I200)煤为研究对象,采用N2吸附、电镜扫描、热重实验手段,在21%,15%,10%,5%氧浓度下进行实验分析。结果表明:浸水后煤样比表面积增大,低温氧化最大质量变化率（DTG）较高,促进低温氧化过程煤氧复合反应;预氧化浸水煤样平均孔径增加,初始放热温度较小,总放热量增加,其中O200I200煤样热参数相对较大。随氧浓度增加,各煤样着火点温度减小,活化能增加,O200I200煤样的这2个参数较小;随氧浓度降低,煤样初始放热温度增加,最大放热量与总放热量减小。O200I200煤体孔隙较发达,锁水能力较强,持续升温后氧化能力较强,更易复燃。     

高温高压下煤孔隙结构的变化对瓦斯吸附特性的影响

为了研究高温高压条件下煤孔隙结构变化对瓦斯吸附特性的影响,选取九里山矿无烟煤,在压力为7 MPa、温度为40～130℃的条件下进行等温吸附实验和压汞实验。研究结果表明:煤样对甲烷的等温吸附曲线在该压力、温度条件下符合Ⅰ型吸附曲线特性,吸附规律符合Langmuir吸附模型;在压力7 MPa和温度130℃条件下,煤样的孔隙结构发生一定的变化,煤的比表面积增大、累计孔体积降低,可见孔及裂隙的数量比例增高,加强了煤样孔隙之间的连通度,导致原本吸附在煤样表面的甲烷分子大量解吸;在压力不变的情况下,随着温度的不断增高,煤的极限吸附量逐渐减小,其主要原因是样品孔隙结构的破坏和分子间作用力的变化。     

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。     

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。     

二氧化碳与水预处理煤样对甲烷吸附热效应特性的实验研究

研究煤体吸附甲烷的热效应对于深入揭示煤层气在煤表面的吸附机理有重要意义。通过C80微量量热仪测试了无烟煤、焦煤、褐煤在二氧化碳与水预处理前后的甲烷吸附热力学参数,得到甲烷的等温吸附曲线和吸附热曲线,并建立了甲烷吸附量—吸附热定量模型,从能量角度解释了煤样预处理前后对甲烷的吸附特性。研究结果表明:经二氧化碳与水预处理后,煤样对甲烷的吸附量以及吸附过程产生的微量吸附热均有所增加,且预处理对煤体造成的影响主要体现在能增大其表面孔隙结构。     

无烟煤对超临界态CH4-CO2气体吸附特性研究*

为探究无烟煤对超临界态CH4-CO2混合气体的吸附特性,采用重量法开展无烟煤对纯CH4与纯CO2气体、3种体积浓度CH4-CO2混合气样的超临界等温吸附实验,应用过剩吸附理论和Langmuir单层吸附理论,通过校正绝对吸附量、计算吸附相密度、煤的比表面积以及测定吸附平衡后游离态气体组分,探究由亚临界状态到超临界状态下无烟煤吸附纯CH4、纯CO2以及混合气体的吸附相密度变化特征、混合气吸附特征以及吸附分子层数。研究结果表明:煤对纯CH4与纯CO2、混合气体过剩吸附量随着压力增大呈现出先增大后减小的峰值型曲线;CH4绝对吸附量随吸附压力增大不断增大,接近CH4临界压力时,绝对吸附量缓慢增加并趋于稳定。低压下CH4在煤颗粒中以单层吸附为主;超过临界压力后出现表面局部2层吸附的现象;1~3 MPa 时,CO2在煤颗粒中即表现出2层吸附为主的现象,随压力增大甚至出现局部4层吸附的现象,煤颗粒对CO2有更大的吸附能力。