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.     

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。     

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。     

贵州北部突出煤的孔隙结构及分形特征研究

为揭示突出煤孔隙结构对瓦斯吸附能力与放散性能影响,通过贵州北部3个典型煤矿煤样的低温液氮吸附试验,研究突出煤比表面积、孔容、孔隙平均孔径、最可几孔径、分形维数等5种孔隙结构参数,以及突出煤孔隙的瓦斯扩散模式,分析突出煤孔隙特征参数对吸附能力和放散初性能的影响特征。结果表明:突出煤的孔隙结构较为发育,孔隙通透性较差;孔隙中气体以过渡型和菲克型扩散为主;相比温度,压力和孔径对努森数影响更明显;突出煤孔隙特征参数与瓦斯放散初速度呈较好的线性关系,且分形特征明显,吸附能力随分形维数呈二次函数递增,瓦斯放散初速度随分形维数线性增大。     

临涣井田岩浆侵入活动对煤体的影响规律

为研究岩浆侵入活动对临涣井田煤体的影响,本文以临涣煤矿4种不同岩浆岩侵蚀程度煤体为研究对象,从煤质、孔隙结构及甲烷吸附和解吸特性3个方面探究岩浆岩侵入对煤体的影响。结果表明：岩浆岩的接触变质作用和热演化作用导致靠近岩浆岩床的煤体挥发分减小,灰分增大,水分先减小后增大,变质程度增加;岩浆侵蚀会对煤体的瓦斯吸附、解吸能力产生显著的影响,岩浆侵入后的热演化作用与构造应力会增强煤体吸附瓦斯的能力,而岩浆岩接触变质作用会导致煤体吸附瓦斯能力减弱。研究结果为岩浆岩床侵蚀条件下的煤层安全高效开采提供技术指导与保障。     

高压注水影响阳泉3号煤孔隙特性的试验研究

为深入探讨煤层注水的防突机理,采用压汞法测试阳泉3号煤干燥煤样和高压注水后煤样的孔隙特性,通过试验发现:注水后煤样孔容、平均孔径、孔隙率及渗透率比注水前分别增加45.17%,48.88%,46.26%和122.95%;而且试验煤样孔隙发育,裂隙和大孔占总孔容的90%以上,过渡孔和微孔占总比表面积的99%以上。试验结果表明,注水前后试验煤样孔隙特性的发生明显变化,说明高压注水对阳泉3号煤的孔隙特性影响显著。通过分析认为,阳泉3号煤具备注水防突的条件,在孔容方面,裂隙和大孔发育,有利于煤层注水水分充分运移;在比表面积方面,以微孔为主,有利于水分在大孔通道中封堵吸附瓦斯,在毛细管力作用下形成抑制解吸效应。     

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。     

煤层注水防治煤与瓦斯突出机理的研究现状与进展

为了深入研究煤层注水的防突机理,在对国内外煤层注水防治煤与瓦斯突出机理研究的基础上,综述煤层注水影响煤体力学性质、采场应力分布及煤体瓦斯解吸特性3方面的研究现状;进而分析我国在煤层注水防突机理研究方面存在的问题,提出当前应急需解决注水对煤体瓦斯的抑制解吸效应问题。笔者认为:确定抑制解吸效应考察、煤体孔隙特性变化及注水煤样吸附解吸甲烷特性等课题的研究是深入探讨的方向,研究成果为进一步认识煤层注水的防突机理提供理论依据。     

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。     

突出煤层先注后冲防喷孔消突技术研究北大核心CSCD

为了解决煤与瓦斯突出煤层穿层钻孔施工和水力化措施期间的瓦斯喷孔问题,通过实验和分析研究了水对瓦斯煤流固耦合系统解吸和渗流的影响。煤体含水率增加后,瓦斯解吸的初速度下降,解吸量变小;煤层中注水后,煤体吸附瓦斯量减少,游离瓦斯量和煤的渗透率增加,瓦斯流动更容易,二者共同的影响减少了瓦斯喷孔发生概率。现场实验表明:先注后冲技术降低喷孔率39%,钻孔成孔率提高32%,冲泄煤量提高2.3倍,瓦斯抽出率平均提高10.4%。先注后冲技术与传统水力冲孔技术相比能明显抑制瓦斯喷孔、增加冲泄煤量、提高瓦斯抽出率,是一种安全可靠的煤层增透和预防瓦斯喷孔技术。     

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。     

突出煤层先注后冲防喷孔消突技术研究

为了解决煤与瓦斯突出煤层穿层钻孔施工和水力化措施期间的瓦斯喷孔问题,通过实验和分析研究了水对瓦斯煤流固耦合系统解吸和渗流的影响。煤体含水率增加后,瓦斯解吸的初速度下降,解吸量变小;煤层中注水后,煤体吸附瓦斯量减少,游离瓦斯量和煤的渗透率增加,瓦斯流动更容易,二者共同的影响减少了瓦斯喷孔发生概率。现场实验表明:先注后冲技术降低喷孔率39%,钻孔成孔率提高32%,冲泄煤量提高2.3倍,瓦斯抽出率平均提高10.4%。先注后冲技术与传统水力冲孔技术相比能明显抑制瓦斯喷孔、增加冲泄煤量、提高瓦斯抽出率,是一种安全可靠的煤层增透和预防瓦斯喷孔技术。     

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。     

压力水影响煤层瓦斯解吸的试验研究及机理分析

为进一步认清压力水影响煤层瓦斯解吸的作用机理,采用实验室试验和理论分析相结合的方法,研究压力水对山西阳泉新景煤矿3号煤层瓦斯解吸特性的影响。在实验室,按照压力水与瓦斯进入煤体的先后顺序,设计出煤样吸附瓦斯前注水和吸附瓦斯后注水2种试验。吸附前注水试验结果表明,注水煤样的瓦斯解吸等温线与吸附等温线之间分叉明显,吸附量最大相差约4 m3/t;而吸附后注水试验结果表明,注水煤样的解吸等温线明显处于干燥煤样解吸等温线上方,吸附量相差最大约5 m3/t,该结果直观表明压力水对瓦斯解吸有抑制效应。经理论分析提出抑制解吸效应的机理,认为煤体孔隙发育是先天条件,压力水的浸入是后天条件,而毛管力和贾敏效应是抑制解吸效应的根本原因。     

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。     

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。     

水分对煤体物性参数影响试验研究

为探讨水分对煤体物性参数的影响规律,试验研究水分对煤体抗压强度、渗透率和瓦斯解吸强度等指标的影响。采用试验模拟的方法,测试水分对不同破坏类型煤体渗透特性、力学特性以及孔隙结构特性等物性参数的影响。结果表明,随着煤体水分的增加,煤体抗压强度、渗透率、瓦斯解吸强度都有不同程度的降低,并呈负指数变化;水分对软、硬煤体物性参数的影响存在差异,即水分对硬煤的抗压强度和渗透率影响更加明显,而对软煤的瓦斯解吸强度影响更大。