温度效应下煤体吸附瓦斯热力学及动力学特征

为研究煤体与瓦斯相互作用的热力学与动力学特征,利用自主研发的煤系气流固耦合试验平台,开展298、308、318、328、338 K温度点煤体等温吸附试验,分析温度效应下煤体吸附瓦斯热力学参数、吸附动力学特征。试验结果表明：随温度升高,煤体瓦斯吸附量逐渐降低,等温吸附曲线符合Langmuir型变化规律;煤体等量吸附热随吸附量的增加而增大,变化范围为-10.191～-7.127 kJ/mol;煤体吸附瓦斯为放热物理过程,温度升高抑制煤体吸附瓦斯能力,煤体极限吸附热为-11.369 kJ/mol;不同温度吸附自由能和吸附熵均小于0,分别为-6.958～-2.452 kJ/mol和-14.085～-12.607 J/(mol·K);动力学模型拟合中,吸附平衡时的瓦斯吸附量随温度升高而降低,吸附速率常数与温度呈正线性关系。煤体吸附瓦斯为动态放热过程,随温度升高,瓦斯气体分子能量逐渐大于煤体孔隙吸附势能,吸附质态瓦斯逐渐转变为游离态瓦斯,煤体吸附瓦斯能力下降。     

静电场对煤体瓦斯扩散特性影响研究

为探究静电场对煤体瓦斯扩散变化特性的影响,自主设计并构建瓦斯解吸-扩散试验系统,选取古汉山矿、鹤壁六矿、平顶山八矿和义马耿村矿4个矿区不同变质程度煤样,用以测定电场强度为0、40、120、240 kV/m下的解吸-扩散量,并利用经典单孔扩散模型计算各煤样在4种场强作用下的扩散系数。结果表明:静电场下,随着施加场强的增大,煤样扩散系数具有先增大后减小的变化特征,且呈抛物线状;特征优势场强为40 kV/m时各煤样扩散系数达到最大,而其他场强作用下扩散系数都有所减小;对比不同变质程度煤样电场下扩散特性,结果显示,平顶山八矿肥煤在电场下扩散系数最大,义马矿褐煤扩散系数最小。静电场下扩散特性变化原因为:煤体和瓦斯分子发生激发极化改变了煤体表面吸附势阱深度;电场能引起煤体内微小孔的体积和比表面积增加(减小)。     

淮北金石矿岩浆顺层侵入煤层对瓦斯赋存规律的影响

以淮北金石矿132采区3煤层为对象,通过实验室试验、现场观察、理论分析研究岩浆顺层侵入煤层对瓦斯赋存规律的影响。通过淮北金石矿地勘数据分析岩浆侵入范围及特征,结合煤体瓦斯基本参数,查明影响瓦斯分布规律的主要因素。结果表明:测定范围内大部分瓦斯含量较小,在0.19~6.69 m3/t,部分点存在以游离状态为主的瓦斯积聚现象;煤层瓦斯压力在0.11~0.25 MPa,没有明显规律,瓦斯仍处于瓦斯风化带或向甲烷带的过渡带;f在0.3~2.04,煤体普遍较硬,Δp在133.3~999.8 Pa,瓦斯放散初速度较慢;灰分、挥发分较大,随埋深有上升趋势,二者是影响该区域瓦斯分布规律的主要因素,煤的变质程度变化较大,部分变为天然焦,但大部分区域为煤焦互层。     

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.     

水分对不同变质程度煤粒瓦斯扩散系数的影响

为了研究水分对不同变质程度煤粒瓦斯扩散系数的影响,利用自制设备,对不同煤阶的干燥煤、原煤、湿煤和平衡水煤样进行瓦斯吸附-解吸-扩散实验,分析扩散过程中不同时间段内水分与变质程度两个因素对扩散系数的影响。结果表明:水分的增加,导致瓦斯扩散系数随时间衰减程度变小。寺河矿干燥煤粒和平衡水煤粒在前120min内扩散系数较前5min分别减小了58.75%和53.2%;随着水分的增大,各变质程度煤样的瓦斯扩散系数比值增大。120min内干燥无烟煤扩散系数分别为瘦煤、气肥煤的1.04和2.37倍,平衡水无烟煤扩散系数分别为瘦煤、气肥煤的1.15和2.44倍;随着水分的增加,各煤阶瓦斯扩散系数减小幅度不同,且随着变质程度的减小,扩散系数的减小程度有变大趋势,前5min内随着水分从干燥煤增加到平衡水煤样,扩散系数减小幅度从无烟煤的72.77%增大到了气肥煤的83.49%。     

地质因素对煤层瓦斯赋存影响的研究

为研究地质因素对煤层瓦斯赋存的影响,针对淮北矿区石台煤矿3煤层,采用瓦斯地质块段划分的方法,以井田内主要断层和天然焦区为界,把3煤层划分为3个独立的地质块段,分区对不同地质块段内地质因素对煤层瓦斯赋存规律进行研究,分析褶皱构造、断裂构造及岩浆侵蚀等对煤层瓦斯压力和瓦斯涌出量的影响。结果表明:地质构造对瓦斯保存和运移起到重要作用,岩浆岩侵入对石台煤矿3煤层煤与瓦斯突出的控制作用最为明显,地质块段的划分(分区管理)对地质构造复杂的高瓦斯及煤与瓦斯突出矿井具有重要意义。     

辽宁省煤矿瓦斯赋存构造控制规律与瓦斯分带划分

瓦斯赋存规律认识不清,是导致煤矿瓦斯突出灾害频发的根本原因。应用瓦斯赋存地质构造逐级控制理论,结合辽宁省煤矿瓦斯地质图编制资料,分析了全省瓦斯赋存构造控制规律,进行了瓦斯分带划分。研究结果表明:印支运动(主幕),在形成一系列EW向、NE向和NW向断裂褶皱带过程中,煤体破坏,形成构造煤。燕山运动,形成了一系列NNE向、NE向的褶皱和逆冲推覆构造,与EW向构造相叠加,构造应力集中,有利于瓦斯突出;同时,岩浆侵入煤系地层使煤变质程度增高,生烃能力增强。喜马拉雅运动时期,挤压作用逐步被拉张取代,拉张裂隙作用有利于瓦斯部分释放。将辽宁省煤矿瓦斯赋存分布划分4个高突瓦斯带,即阜新-铁岭高突瓦斯带、抚顺-沈北高突瓦斯带、北票-南票高突瓦斯带和红阳-本溪高突瓦斯带。     

卸压煤层瓦斯抽采渗透率演化模型研究

为研究井下卸压抽采时瓦斯流动规律,建立煤层渗透率演化模型。为建该模型将煤体简化为有2组相互垂直节理发育的等效连续介质,假定瓦斯在煤体裂隙中的流动符合立方定律,考虑煤基质对吸附性气体的吸附膨胀作用和外荷载对煤的压缩变形作用,不考虑孔隙压力对裂隙张开的影响。从应力条件和孔隙压力2个方面,结合煤样渗透率试验,对该模型进行有效性验证。结果表明,渗透率模型能反映应力和低孔隙压力对煤样渗透率的影响,但不能体现高孔隙压力对煤样损伤导致的渗透率增大作用。     

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。     

热力耦合作用下深部煤层渗流规律试验研究

为了进一步揭示深部煤岩渗透率的变化规律,进行了高有效应力和高温条件下煤体渗透规律测定试验.结果表明:随着有效应力的增大,煤层渗透率呈现递减趋势;温度升高,煤体出现膨胀现象,渗透率减小.初步提出了热力耦合作用下含瓦斯煤渗透率影响机理,即温度升高,煤固体骨架膨胀,试件内部孔隙裂隙体积减小,瓦斯渗流通道减小,渗透率减小;有效应力增大,煤体孔隙裂隙被压缩,导致渗透率逐渐减小.     

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。     

煤与瓦斯突出热动力学过程试验研究

为进一步加强煤与瓦斯(甲烷)突出等矿山重大灾害预测预报的工作,开展煤与瓦斯突出全过程热动力现象研究。将煤样破碎后在煤与瓦斯突出相似模拟试验台内加压成型,开展不同粒径煤样的吸附、解吸及突出试验,获取试验过程中的煤体温度变化数据。结果表明:煤与瓦斯突出过程中煤体温度随时间的演化关系近似符合自然对数函数;煤样粒径对煤体温度变化有显著影响,煤样粒径越小,在吸附解吸瓦斯时温度变化量就越大、变化速度也更迅速。通过分析煤与瓦斯突出试验结果及能量关系得出,煤的粒径很大程度上决定了瓦斯吸附能力及瓦斯内能,瓦斯内能又很大程度上决定了煤与瓦斯突出强度。     

温度对瓦斯流动及全过程煤体变形的影响研究

为揭示不同温度下瓦斯吸附-解吸-渗流全过程煤体变形的差异性,应用自主研发的煤体瓦斯流固耦合试验系统,研究三轴应力加载下瓦斯吸附-解吸-渗流及全过程煤体变形随温度变化的响应特征。试验结果表明：瓦斯吸附阶段,煤体变形量与吸附时间呈Langmuir型上升变化;瓦斯解吸阶段,煤体变形量与解吸时间呈指数型衰减趋势;瓦斯渗流阶段,煤体变形量与时间呈幂函数上升趋势。瓦斯吸附量、渗透率及过程中煤体变形量均随温度升高而降低,瓦斯解吸率随温度升高而增大;煤体变形量与瓦斯吸附量、解吸量、渗透率呈正相关关系。温度效应对全过程煤体变形具有显著影响。     

冲击载荷作用下煤岩孔隙演化特征试验研究

为研究冲击载荷作用下煤岩的孔隙与裂隙演化特征,以贵州马场矿的突出煤岩为研究对象,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统、核磁共振(NMR)试验系统和扫描电镜(SEM)试验系统对不同冲击载荷作用下的煤岩孔隙与裂隙的演化特征进行试验研究,分析煤岩在冲击载荷的作用下的孔隙、裂隙的演化规律与煤岩冲击对煤与瓦斯突出的影响。研究表明:随着冲击气压的增加,煤岩的微小孔峰值信号量与孔径占比先增大后减小,孔隙与裂隙的连通性增强,中大孔峰值孔径占比先减小后增大;马场矿煤样微小孔的孔喉分布占总孔喉的38. 85%～56. 14%,中大孔的孔喉分布占总孔喉的43. 86%～61. 15%;在冲击载荷作用下,煤体中孔隙与裂隙演化是以孔隙扩展、裂隙扩张与延伸和次生裂隙的产生等形式进行的,冲击载荷增强了孔隙与裂隙的连通性,瓦斯的吸附/解吸平衡被打破,瓦斯压力升高,煤体中产生了应力集中和能量积聚,使得煤与瓦斯突出发生的可能大大增加。     

粒状煤和块状煤等温吸附CH_4试验研究

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。     

水分对煤粒瓦斯扩散动态过程的影响规律

水分是含瓦斯煤粒扩散规律的重要影响因素之一,运用自制设备,试验研究当水分小于等于平衡水时,3种变质程度煤样的瓦斯扩散量、扩散速度和扩散系数随水分、扩散时间的变化规律;基于气体在多孔介质内的吸附解吸理论和Fick扩散定律,分析水分对瓦斯在煤粒内扩散动力参数和动态过程的影响机理。结果表明,在不大于煤样平衡水分条件下,高、中、低变质程度煤样的瓦斯极限扩散量、解吸速度和瓦斯扩散系数随水分增加而显著降低,同一种变质程度干燥煤样的瓦斯扩散系数基本是平衡水分煤样的3~5倍;水分的增加降低了煤粒内的瓦斯初始质量浓度和扩散系数,进而大幅度降低了瓦斯扩散速度;水分子更容易占据煤基质表面吸附位,致使煤对瓦斯的吸附量减少,水分子在煤粒内表面发生多层吸附,而堵塞部分的瓦斯分子在煤粒内表面扩散,缩小了扩散通道,增大了瓦斯扩散阻力,导致含瓦斯煤粒的瓦斯扩散系数减小。     

瓦斯突出煤体形成的物理条件和过程

煤与瓦斯突出灾害严重威胁着煤矿安全生产,但目前对煤与瓦斯突出的物质载体形成机理研究鲜有报道。瓦斯突出煤体系指含有高能瓦斯且以强烈韧性破坏为主的构造煤体,具备发生煤与瓦斯突出的固体和气体介质条件。以煤体变形变质为主线,综述相关文献并结合研究积累,分析揭示了瓦斯突出煤体形成的物理条件和过程:煤体结构严重破坏的构造煤、积聚于此的大量瓦斯,是瓦斯突出煤体形成的物质基础;构造应力与重力、吸附/解吸作用、气体增滑与气楔作用,是瓦斯突出煤体形成的动力基础;煤体破坏、瓦斯积聚、封闭压实,是瓦斯突出煤体形成过程的主要特征。本研究对复杂地质条件下区域瓦斯预测防治具有重要指导作用。     

煤与瓦斯突出过程中煤体层裂演化特征实验研究

为了探究煤与瓦斯突出过程中煤体层裂演化特征,利用自主研制的煤与瓦斯突出实验模拟系统,研究突出过程中煤体层裂结构特征、煤体裂隙厚度演化特征和煤体质点运动演化特征。研究结果表明：在轴向应力0.9 MPa、瓦斯压力0.4 MPa时,煤体层裂发展时间持续85 ms,煤体共计出现11处裂隙。层裂从煤体后方的弱构面出现并向前方发展,其位置大多集中于突出腔体中后部,煤体层裂形式均为纵向贯通,在第9处出现最大纵向断裂裂隙。煤体裂隙总厚度约为75.6 mm、单处裂隙平均厚度约为8.4 mm,二者均呈现随时间递增的趋势。层裂过程中煤体单处裂隙厚度并不都是沿程递增的,部分煤体中部裂隙厚度呈现先增大后减小的特征。煤体的运动表现为靠近突出口端的运动速度更快、运动距离也更长。研究结果可为揭示煤与瓦斯突出层裂机制提供参考。     

烟煤煤样吸附特性及控制因素试验研究

为了补充我国煤炭主产区华北区域主要发育煤种烟煤的吸附特性等相关参数,通过等温吸附试验得到了不同变质程度烟煤的等温吸附曲线及吸附常数,并结合煤样变质程度、微孔隙结构和煤岩成分组成,分析了影响烟煤吸附特性的因素,确定了煤岩成分是影响此区域煤样吸附特性的主控因素。结果表明:随变质程度(Ro,max)增加,VL和pL呈现指数式的增加趋势,VL相近的煤样pL的差异表征着煤样吸附瓦斯难易程度的不同;随微孔所发育比表面积减小,VL和pL均呈现微增趋势,存在的这种弱相关性表征为Ro,max-微孔比表面积曲线与Ro,max-VL和Ro,max-pL曲线的反对称关系;煤岩成分是影响此区域烟煤吸附及储集瓦斯气体能力的主要原因,一方面随固定碳质量分数增加,VL线性增加,呈现极强的正相关性,另一方面煤样水分质量分数与VL呈弱相关性,水分的存在会抑制瓦斯气体的吸附。     

采动煤体渗透率实验室实验关键问题研究进展*

为了分析影响采动煤体渗透率实验结果的关键因素,结合煤体赋存结构特征和地质环境影响,针对采动煤体渗透率实验室实验中关键问题进行综述研究。研究结果表明:采动应力和瓦斯压力是影响采动煤体渗透率演化的2个主控因素。采动应力路径可划分为2段式、3段式和4段式,瓦斯压力变化对煤体渗透率的影响作用包括有效应力和吸附解吸。当前实验室渗透实验中有效应力的计算方法尚不统一。低渗煤体渗透实验中滑脱效应十分显著,但滑脱效应的影响范围和不同条件下Klinkenberg系数均难以精准确定。研究结果可为煤体渗透率实验室测定提供有益参考。