多组分酸酸化对中马村矿高阶煤增透效果的影响

为了研究酸化对中马村矿煤储层渗透性的影响,用同一体系酸液的不同配方对中马村矿粉状煤样进行了溶蚀试验,并开展了饱水煤样酸化前后的核磁共振试验研究。结果表明：1)针对中马村矿高阶煤优选出的多组分酸最佳配方为质量分数6%HCl+质量分数3%CH₃COOH,质量分数2%KCl作为防膨剂,添加适量SDS协同酸化,酸液浸泡煤样最佳时间为24 h; 2)经优选出的最佳酸液浸泡的6组煤样的t₂谱谱面积皆大于酸化前,酸化时间24 h时的煤样t₂谱谱面积约为酸化前谱面积的1.83倍;3)酸化前后煤样中水在各孔径上的比率表明,优选多组分酸溶蚀掉的矿物质主要存在于中马村矿煤样的小孔中。研究成果能为多组分酸对中马村矿低渗煤层酸化增透提供一定的理论基础。     

低透气性煤层点式酸化压裂增透技术研究与应用*

为解决富含矿物质煤层透气性问题,基于点式压裂和酸液增透煤体机制,提出点式酸化压裂增透技术,通过扫描电镜试验确定适合三元煤矿酸液配比体系。结果表明:点式酸化压裂钻孔组平均抽采瓦斯流量和浓度是普通钻孔组的3.65,1.72倍,是点式水力压裂钻孔组的1.32,1.06倍;点式酸化压裂增透效果明显优于点式水力压裂;且其增透煤体起裂压力和同等条件下注液量均低于点式水力压裂,点式酸化压裂实现煤体定点、低流量、大范围、快速增透,通过将物理增透与化学增透相结合,可有效提高煤体孔隙-裂隙结构发育程度和整体连通性,有助于煤体中瓦斯运移,提高采收率。     

基于体积应变含瓦斯煤增透率模型及采动响应研究

为获得含瓦斯煤开采过程中渗透率的采动响应规律,从孔隙率的基本定义出发,通过引入增透率来反映单位体积改变下煤体渗透率的变化,建立了基于体积应变的含瓦斯煤增透率模型。基于增透率模型,结合工程实例采用Comsol Multiphysics模拟了含瓦斯煤开采过程中增透率的变化规律,并开展了增透率采动响应的试验研究。研究结果表明:增透率模型可对采动裂隙网络形成的煤层透气性进行定量评价研究,采动是影响含瓦斯煤增透率的关键因素,受采动影响,煤体体积应变、增透率的变化规律均基本一致,煤体膨胀变形、增透率随采煤工作面的推进逐渐增大,增透率的变化滞后于体积应变的变化,且越靠近工作面煤层增透效果和瓦斯抽采效果越好;沿煤层倾向,回风巷侧最大瓦斯抽采量大于运输巷侧,煤体增透率亦大于运输巷侧。依据增透率的采动响应规律调整瓦斯抽采孔与工作面的角度,可增加抽采量,降低工作面瓦斯浓度。     

含硬夹矸高瓦斯低透气性煤层多向聚能爆破技术研究

针对在含硬夹矸高瓦斯低透气性煤层开采时，一方面煤层瓦斯抽采困难，另一方面煤层中的坚硬夹矸难破碎的问题，开展含硬夹矸高瓦斯低透气性煤层多向聚能爆破研究。理论上，分析多向聚能装药对爆破的影响，引入多向聚能影响系数，计算得出了不同方向上裂隙的范围。通过相似模拟试验，验证了多向聚能爆破实际效果；利用LS-DYNA数值模拟软件，对不同装药方式爆破作用下煤与夹矸裂隙的发育特征及应力演化规律进行了数值模拟研究。研究结果表明:多向聚能爆破能够将爆破能量积聚在夹矸弱化和煤层增透的方向上，形成以导向裂隙为主，大量分支裂隙为辅的裂隙网，在夹矸弱化和煤层增透方向上的应力峰值分别为普通爆破的1.21倍和1.16倍。多向聚能爆破能够在提高破碎坚硬夹矸能力的同时提升煤体中裂隙的发育程度，从而大幅优化爆破效果。     

超临界CO_2增透煤微观图像重构及三维数值模拟北大核心CSCD

针对我国低渗透煤储层渗透性差的特点,以超临界CO_2作用后煤的微观成像为基础,构建三维实体模型;考虑煤的热损伤效应,孔隙流体流动及有效应力对渗透规律的影响,利用增透后煤微观孔隙率的变化定义损伤变量,推导出损伤函数关系式,建立超临界CO_2增透煤在温度-渗流-应力耦合作用下的力学模型,模拟超临界CO_2在低渗透煤层内部的渗流运移规律。结果表明:由于煤体各处煤基质和矿物的密度、弹性模量和热膨胀系数等物理参数的不同及其分布的随机性,超临界CO_2注入过程中应力场、温度场、渗流场均呈现明显的非均匀性;在一定压力和温度超临界CO_2注入过程中,煤体内部各处孔隙、裂隙的变形、开裂以及扩展等的不均一性,使得煤体各处的损伤量不同。在其他注入参数一定的条件下,增加CO_2的注入时间,有利于提高煤体的渗透性。     

超临界CO_2增透煤微观图像重构及三维数值模拟

针对我国低渗透煤储层渗透性差的特点,以超临界CO_2作用后煤的微观成像为基础,构建三维实体模型;考虑煤的热损伤效应,孔隙流体流动及有效应力对渗透规律的影响,利用增透后煤微观孔隙率的变化定义损伤变量,推导出损伤函数关系式,建立超临界CO_2增透煤在温度-渗流-应力耦合作用下的力学模型,模拟超临界CO_2在低渗透煤层内部的渗流运移规律。结果表明:由于煤体各处煤基质和矿物的密度、弹性模量和热膨胀系数等物理参数的不同及其分布的随机性,超临界CO_2注入过程中应力场、温度场、渗流场均呈现明显的非均匀性;在一定压力和温度超临界CO_2注入过程中,煤体内部各处孔隙、裂隙的变形、开裂以及扩展等的不均一性,使得煤体各处的损伤量不同。在其他注入参数一定的条件下,增加CO_2的注入时间,有利于提高煤体的渗透性。     

液氮冷浸煤岩增透作用影响因素分析

为考察液氮冷浸煤岩后的增透效果,控制冷浸循环次数、冷浸时间、煤种和煤岩含水饱和度4种因素,通过渗流试验研究其对增透效果的影响,并分析了液氮冷浸煤岩的损伤增透机制。结果表明:循环作用和煤种对干燥煤岩渗透率的影响较弱;渗透率随冷浸时间先逐渐增大后趋于稳定,冷浸时间对渗透率的提升存在一定上限;液氮冷浸条件下,煤岩中的水分对渗透率的提升有很重要的作用,煤岩渗透率随含水饱和度的变化存在一个从增幅缓慢到迅速增加的临界含水饱和度,临界含水饱和度约70%;对含水煤样进行循环,可得到较好的增透效果,但渗透率增幅随循环次数的增加而逐渐降低;可通过在每次冷浸循环间隙尽量提高煤岩的含水饱和度,来达到理想的增透效果。     

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。     

高瓦斯低透气性煤层深孔预裂爆破增透技术研究及应用*

为解决高瓦斯矿井开采过程中煤体透气性差、瓦斯预抽周期长、抽采效果不佳的难题,提出利用深孔预裂爆破技术提高煤体裂隙发育度,增加煤体透气性,从而提高瓦斯抽采率的方法。通过现场调研、理论分析、数值模拟及工业性试验等方法,分析深孔预裂爆破卸压增透内在机理,确定爆破影响半径为4.5~5.3 m,并在A110605工作面进行现场应用,同时考察煤层增透效果。研究结果表明:煤层爆破致裂后,平均瓦斯抽采浓度提高了2.17倍,平均瓦斯抽采纯量提高了2.02倍,煤层透气性系数提高了近5.3倍,煤层卸压增透效果显著,很大程度上消除了煤与瓦斯突出危险性,为实现工作面的安全开采及正常接替提供了保障。     

微生物作用下煤体微观结构演化特征研究

为研究功能微生物作用下煤体微观结构演化特征，选用山西寺河矿无烟煤作为底物，添加功能菌剂进行微生物厌氧降解煤驱动瓦斯解吸实验。通过压汞实验、低温N₂吸附实验和X射线衍射仪测试分别对微生物降解前后煤孔隙结构发育及晶体结构演化特征进行表征。研究发现：微生物降解后，一方面煤体微孔、过渡孔、中孔孔容及比表面积下降，大孔孔容及平均孔径得到显著提升，煤体孔隙结构发育明显；另一方面，煤体结晶度降低，内部晶体结构变疏松，大分子间排列更加无序。煤在功能微生物降解后实现增透效果，吸附能力降低，从而促使煤体内瓦斯快速解吸。     

煤氧化放热特征及影响因素的关联分析

为研究煤在低温氧化过程中的放热特征，确定影响煤氧化放热强度的主要因素，以4种不同煤化程度煤样为研究对象，采用封闭式煤氧化试验方法，结合键能平衡法计算煤在25～70℃、氧气体积分数0～21%范围内的氧化放热强度，获得煤氧化过程中氧氧气体积分数、温度和氧化放热强度三者间的关系表达式；运用灰色关联法分析挥发分、水分、含硫量、灰分、氧气体积分数和温度与煤氧化放热强度的关联度。结果表明，煤耗氧速度、CO释放速率和CO₂释放速率随温度升高呈指数增长趋势。通过比较挥发分、水分、含硫量、灰分、氧气体积分数和温度与煤氧化放热强度的关联度可知，影响不同煤化程度煤样氧化放热强度的主要因素是煤自身的挥发分质量分数，而外部因素中的温度对同一煤样氧化放热强度的影响要强于氧气体积分数。     

高硫煤增钙粉煤灰矿物组成特性试验研究

粉煤灰的矿物组成是决定粉煤灰资源化水平的重要指标.调整粉煤灰矿物组成,改善其水化活性,是提高粉煤灰资源化水平的重要手段.为获得高硫煤增钙粉煤灰矿物组成变化规律,以高硫长广煤为试验煤种,在两段多相反应实验台上开展了高硫煤增钙粉煤灰矿物组成特性试验研究.对试验获得的粉煤灰样品进行了XRD、SEM和EDS图谱分析.试验结果表明:长广煤原状粉煤灰晶体矿物主要由莫来石、石英、斜铁灰石等非水化活性矿物组成;随着混合煤粉中添加的CaO质量分数在0%～35%范围内逐渐增加,增钙粉煤灰矿物组成中具有水化活性的2CaO·SiO2、3CaO·Al2O3和3CaO·3Al2O3·CaSO4等矿物出现并逐渐增加,非活性成分逐渐消失,但粉煤灰矿物组成中早强、高强矿物质量分数较低;当混合煤粉中同时添加适量的CaO和MgO,增钙粉煤灰矿物组成中出现了水化活性优良的Q相矿物,且其质量分数达27.2%,粉煤灰矿物组成得到了进一步的调整和优化.高硫煤增钙粉煤灰矿物组成特性试验将为高硫煤增钙粉煤灰资源化提供新的技术选择.     

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.     

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。     

顶板水力挠动强制卸压煤层瓦斯抽采工程实践*

对塑性松软煤体进行水力挠动较难取得理想的瓦斯增浓提效效果,为克服该措施的局限性,使松软煤层有效卸压增透,可将挠动对象转移至煤层顶板砂岩。基于对顶板砂岩水力挠动裂隙发育、延展及煤层卸压增透机理分析,在试验矿井的松软煤层及顶板砂岩中分别施工钻孔进行水力挠动试验,同时采用多级指标对措施后的瓦斯抽采效果进行考察。结果表明:水力挠动作用下砂岩体内部形成有利于下部煤层瓦斯流动的裂隙网络,抽采流量、浓度及累计抽采纯量大幅提高;但由于高压水作用下松软煤体内部发生塑性变形、裂隙堵塞、瓦斯流动性弱化,导致抽采流量、浓度及累计抽采纯量不升反降。研究结果可为松软煤层实施水力挠动提供参考,以期实现较理想的瓦斯治理效果。     

酸化土壤与镉对大豆萌发种子抗氧化保护酶的复合影响

为探索酸化土壤与镉对大豆萌发种子抗氧化保护酶的复合影响,采用种子常规萌发试验的方法,模拟pH=5.93和pH=2.5的酸化土壤,并用0.182 mg·L-1和20 mg·L-1的Cd2+处理大豆种子,测定不同酸化土壤及镉浓度胁迫对大豆萌发种子过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)、丙二醛(MDA)和质膜透性的影响.结果表明,轻度酸化土壤(pH=5.93)或低质量浓度镉(0.182 mg·L-1)可激活POD与CAT活性,降低MDA含量及质膜透性,且与胁时相关;复合处理上述效应更显著,但随胁时延长4指标变幅加大,膜系统恢复时间推后.重度酸化土壤(pH=2.5)与高质量浓度镉(20 mg·L-1)胁迫下的POD与CAT活性随胁时延长而降低,MDA含量及质膜透性则随胁时延长而升高;低-高、高-高复合处理时,4指标随胁时延长变幅更大,7 d时偏离CK更显著,且CAT、MDA和质膜透性峰值推后.由此可见,酸化土壤与镉复合污染可加剧对种子萌发的伤害,二者存在协同作用.     

水分对无烟煤瓦斯吸附影响的低场核磁试验研究

为研究水分对无烟煤瓦斯吸附的影响,以山西晋城集团王台铺煤矿无烟煤为研究对象,利用低场核磁共振技术,研究了煤样在不同水分含量下的核磁共振T2谱图,分析了T2谱图核磁信号与瓦斯吸附量的关系。结果表明:煤中水分质量分数较大时,水分在微孔、小孔、中大孔内均有分布;水分含量较小时,水分主要存在于微孔内。瓦斯吸附量随水分增加而减少,但水分对煤瓦斯吸附的抑制程度不同,水分质量分数从0增加到1.92%,水分主要存在于微孔隙中,瓦斯吸附量显著降低;而水分质量分数从1.92%增加到3.09%时,水分主要在小孔隙及中大孔隙内增加,瓦斯吸附量降低幅度较小。微孔隙中水分对瓦斯吸附的抑制作用较明显,随含水量增加,瓦斯吸附速度逐渐降低,吸附平衡所需时间增大。     

径向强力膨胀法封孔提高抽采效果技术研究

通过分析钻孔周围煤体在地应力作用下的变形与裂隙发育规律,结合鹤煤三矿原采用的瓦斯抽采钻孔封孔工艺,发现原采用的瓦斯抽采钻孔封孔工艺存在影响抽采瓦斯体积分数与效果的因素。确定合适的封孔材料需要满足4个主要的性质特征,提出了径向强力膨胀法封孔提高抽采效果技术。使用RFPA3D数值模拟软件研究了孔壁周围煤体裂隙发育范围,据此确定了封孔深度工艺参数,并在鹤煤三矿进行了现场对比试验。结果表明,与原封孔技术相比,应用径向强力膨胀法封孔技术封孔成功率高,抽采瓦斯体积分数和抽采纯量均有大幅度提高。     

高瓦斯低透气性煤层CO_2相变致裂增透技术研究北大核心CSCD

针对高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采效果差,且炸药爆破增透存在危险性大等问题,采用理论分析与计算、数值模拟及现场实验等方法,分析了液态CO_2致裂增透煤层原理及煤层损伤,计算了液态CO_2致裂当量,模拟优化了关键部件释放管几何类型及参数,研究了相变致裂点数对致裂效果的影响。结果表明:CO_2相变致裂利用高压气体冲击破碎煤岩体,增强了煤岩层的裂隙发育及透气性;1 kg液态CO_2相变致裂爆炸的当量相当于398 g TNT炸药;关键部件释放管最优结构为空心圆柱结构,最优长度18 mm,最优直径24 mm,最优压力276 MPa;瓦斯抽放影响半径与致裂管数满足三次函数关系,单孔一点致裂方案能够实现增透促抽;致裂后增透促抽瓦斯效果显著,为安全高效抽采瓦斯提供了有效的技术支撑。     

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。