液氮溶浸对不同煤阶含水煤样渗流特性的影响

中国包含多种煤阶煤层,由于煤质、地质条件等差异,不同煤层中的水分赋存情况也具有较大差异性。煤阶、饱水度作为影响液氮低温致裂效果的两个重要因素,有必要对其进行深入研究。为此,分别选择褐煤、烟煤与无烟煤3种煤阶煤样,并制备得出饱水度分别为0%、33%与99%的煤样进行液氮溶浸处理,使用摄像机定点拍摄、观察煤样表面宏观裂隙处理前后的演化规律,并对煤样进行氮气渗流试验。试验结果表明：液氮溶浸后褐煤因产生的一条与多条贯穿裂隙发生整体结构上的断裂,烟煤表面有新裂隙产生,原生宏观裂隙有一定的扩展与延伸,无烟煤表面宏观裂隙无明显发育;煤样饱水度越高,液氮的致裂增透效果越显著;液氮溶浸对3种煤阶煤样的致裂增透效果关系为：褐煤>烟煤>无烟煤,在完全干燥状态下,由于热应力不足以破坏颗粒间链接,烟煤与无烟煤的增透效果近似相等;对于褐煤,液氮溶浸处理对完全干燥状态下的煤体即产生有效致裂,渗透率平均增幅高达559.35%,对于烟煤,在饱水度为33%和99%的状态下,液氮溶浸对煤体具有明显致裂效果,渗透率平均增幅分别为330.60%和448.77%,对于无烟煤,在饱水度为99%的状态下液氮溶浸处理才能对煤体产生有效致裂,渗透率平均增幅为185.53%。     

基于NMR技术的超声波频率对煤体激励致裂效果的影响

为了深入研究超声波频率对煤体激励致裂效果的影响,利用超声波发生仪对原始煤样进行致裂实验,并利用低场核磁共振设备NMR设备对煤样进行测量,通过分析弛豫时间T₂曲线,深入研究煤样致裂前后孔隙结构的变化。研究结果表明:超声波可以有效改善煤体的孔隙结构,经超声波激励致裂后,煤样内部的孔隙数量增多,总孔隙率、有效孔隙率及渗透率均明显增大;同时,煤样内部小孔数量的增长率与超声波频率呈负相关关系,中孔和大孔数量、总孔隙率增长率、有效孔隙率及渗透率的增长率与超声波频率均呈正相关关系。研究结果为煤储层超声波致裂增透技术奠定理论基础。      

静态致裂作用下低渗厚煤层瓦斯增透数值模拟研究

为提高煤层静态致裂井下作业效率,优化致裂布孔参数,以中煤华晋王家岭矿12316综采工作面胶带巷为实验背景,结合煤层变形破坏方程、瓦斯扩散渗流方程和煤层渗透率演化方程,构建煤层破坏及渗透率演化模型;采用FlAC^3D-COMSOL Multiphysics对煤体静态致裂增透过程及影响因素进行数值模拟,揭示静态致裂作用下煤层应力分布、塑性扩展与瓦斯压力传递演化规律。通过优化选取致裂工艺参数开展现场试验,定量分析不同孔距下静态致裂过程中煤层瓦斯抽采量的变化特征。结果表明：静态致裂过程中膨胀应力在煤体内部沿致裂孔半径方向向四周均匀传递,单孔致裂过程中形成圆环状应力圈和塑性区;在双孔致裂条件下,两致裂孔内膨胀应力的水平叠加效果优于竖直叠加效果,使煤体水平方向破坏效果较竖直方向显著,且两致裂孔中间区域的煤层先于其他区域破坏。受静态致裂作用范围的限制,增透促抽后煤层内瓦斯压力大小与孔距呈正相关关系,煤层渗透率与孔距间呈负相关关系;现场试验表明,将孔距设为1.6 m以内进行静态致裂增透,在抽采负压为20 kPa条件下抽采30 d,测得致裂后瓦斯抽采纯量提升1倍左右,说明静态致裂对瓦...     

水-力耦合下煤岩力学特性及损伤本构模型研究

为探究水分对煤岩力学特性的影响,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验装置,开展不同含水率下原煤三轴压缩试验研究。基于弹性损伤力学,推导表征不同含水率下煤岩整体损伤的损伤变量,建立水-力耦合作用下煤岩分段损伤本构模型,得到煤岩的变形随含水率的变化规律。结果表明:(1)不同含水率下煤岩的变形规律基本一致,破坏过程可分为峰前应力阶段、峰后应力阶段和残余阶段;(2)随着含水率增大,煤岩受水分作用峰值应力降低,泊松比增大,弹性模量均呈线性单调减小,煤岩脆性逐渐减小;(3)所建立的损伤本构模型可以较好地表征不同含水率下全应力-应变过程中的变形特征,适用于分析不同含水率下煤体三轴压缩应力应变问题;(4)损伤修正系数q和损伤本构系数n共同决定了损伤本构模型的曲线形状,q反映了煤岩残余变形的特征,n反映了应力-应变曲线的峰后不同的软化程度。     

考虑支撑剂压实和嵌入作用的滑脱效应及渗流机制

水力压裂技术是煤矿瓦斯灾害防治与煤层气开采的关键技术之一,在实施水力压裂过程中,支撑剂的嵌入往往会诱发煤储层裂隙宽度的一系列变化。其中,滑脱效应的强度与渗透率的变化主要由裂隙宽度决定。因此,支撑剂嵌入将影响水力压裂技术的有效性。为探究水力压裂背景下气体的滑脱效应与煤的渗流规律,采用赫兹接触理论量化支撑剂的嵌入深度,并构建支撑剂与有效应力综合作用的气体滑脱系数计算方程与渗透率模型。结果表明:在不同瓦斯压力下,煤的渗透率随有效应力的增大先减小后趋于平缓;恒定有效应力条件下,瓦斯压力越低,渗透率相对越高;且铺置多层砂的增透效果相对铺置单层砂的增透效果更佳;两种铺置条件下,滑脱因子b在不同瓦斯压力下呈相同的变化趋势,均随支撑剂嵌入深度的增大而增大;不同形态裂缝的滑脱因子均随着有效应力的增大而增大,其中球形裂缝的滑脱因子最大,圆柱形次之,狭缝形最小。同时,不同形态裂缝煤的渗透率均随有效应力的增加而减小,而3种形态裂缝渗透率之间的大小关系与滑脱因子大小关系一致;考虑到有效应力与支撑剂对裂缝宽度的贡献,构建了考虑支撑剂和有效应力综合作用的裂隙渗透率模型,并通过公开发布的试验数据验证其合理性。研究结果将有助于水力压裂技术在煤矿瓦斯灾害防治与煤层气开采中的进一步应用。      

突出危险煤渗透性变化的影响因素探讨

通过对突出危险煤渗透性试验研究,系统分析了不同围压、不同瓦斯压力和不同应力-应变状态条件下突出煤样的渗透特性,分别建立了突出危险煤的渗透性与围压、瓦斯压力和应力-应变等主要控制因素之间的定性和定量关系,探讨了不同载荷条件下突出危险煤渗透性的控制机制和变化规律。研究结果表明,载荷条件对突出危险煤的渗透性具有重要影响：(1) 在固定瓦斯压力条件下,突出危险煤样的渗透率随围压的增大而减小,且服从指数函数变化规律。(2) 在固定围压条件下,受Klinkenberg效应影响,渗透率与瓦斯压力之间大致呈“V”字型变化;Klikenberg效应发生在瓦斯压力p < 1 MPa的范围内。(3) 在三轴压缩下的应力-应变全过程中,不同载荷条件下突出危险煤样的渗透率-应变曲线变化趋势几乎一致,且都呈“V”字型走势;在微裂隙闭合和弹性变形阶段,煤样渗透率随应力增大而减小;进入屈服阶段后,渗透率达到最小值并在峰值强度到达之前完成反超过程;峰值强度之后渗透率持续增大直至试验结束;煤样渗透率反超后的变化要较反超前变化平缓。     

空化水射流热效应影响煤体渗透率试验研究

对空化水射流空泡溃灭瞬间和空化噪声声场作用产生的热效应进行了分析,得到了热效应作用下的煤体渗透率表达式,并开展了不同空化条件(泵压、空化腔围压)下的煤体温度和瓦斯渗流试验。结果表明:空化腔围压一定时,温度随泵压的增大而升高;而泵压一定时,温度随空化腔围压的增大而减小。当热应力大于平均有效应力时,煤体热膨胀出现微变形,产生的张应力使裂隙变宽、数量增多;热效应使得游离瓦斯内能增加,分子自由程大大缩短,同时吸附瓦斯解吸使得煤基质发生收缩效应,导致微孔隙及微裂隙结构产生膨胀变形,从而影响煤体渗透率。试验得到渗透率随温度升高呈指数规律增大,与理论得到的渗透率表达式描述的规律相符。     

淮北许疃矿构造煤孔隙结构及压敏效应

为了探究构造煤的孔隙结构及压敏效应,采取淮北许疃矿煤样,利用扫描电子显微镜、压汞实验、含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置进行相关参数测试,研究构造煤的孔隙结构以及有效应力对煤样渗透率渗透系数的影响。实验结果表明:碎裂结构煤裂隙规则、平直,连通性较好;原生结构煤中主要以微孔为主,构造煤中以微孔和过渡孔占主导。韧性变形系列构造煤的有效应力与渗透率呈抛物线关系;有效应力小于4 MPa时,煤体渗透率敏感性显著,大于4 MPa时其渗透率敏感性弱。该趋势是有效应力和解吸效应共同作用的结果;由于解吸和有效围压的共同作用,渗透率存在最小值。与沁水盆地相比,许疃矿煤样部分渗透率损害系数较高。      

分级加-卸载条件下原煤的渗透及能耗特征研究

利用自主研制的含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验装置,进行了含瓦斯原煤分级加-卸载试验,分析探讨了煤岩的变形、渗透特性及能耗特征,结合能耗特征建立了损伤变量方程。研究结果表明：随分级加-卸载进行,煤样的累积残余变形逐渐增加,相对残余变形先降低,后出现残余变形稳定区,临近煤样破坏又上升。随分级加-卸载进行,渗透率总体变化趋势呈螺旋状先降低,后上升,破坏瞬间急剧增大;定义渗透率绝对恢复率?j和渗透率相对恢复率?x定量分析了加-卸载渗透率的变化情况,发现?j先减小,临近破坏又增大,?x逐渐增大,其中弹性段?x保持在85%～95%,临近破坏超过100%。随分级加-卸载进行,煤体累积耗散能呈指数函数增加,单级循环耗散能增加。随着轴向应力的增加,主应力差增加,损伤变量值增大,且煤样破坏时的损伤变量临界值Dc ≈0.9。     

超临界CO2温变对低渗透煤层孔渗变化的实验研究

为解决我国高瓦斯煤层渗透性差导致瓦斯抽采率低的难题,利用超临界二氧化碳强扩散和溶解增透等独特优点,采用自制三轴渗透实验装置,开展不同温度下超临界二氧化碳作用后煤的宏观增透实验,在宏观增透实验基础上进行煤微观扫描成像实验。结果表明:恒定体积应力和孔隙压力条件下,不同温度超临界二氧化碳作用后,煤的渗透率较增透前提高一个数量级,但在二氧化碳的超临界温度范围内,煤的渗透率随温度增加呈负指数变化规律。超临界二氧化碳作用后,煤微观孔隙率较增透前提高两个数量级,随着温度增加,煤微观孔裂隙的演化速率减慢,孔隙率随温度增加呈负指数变化规律。宏微观实验数据同时表明,煤宏观渗透率随微观孔隙率增加而增大。超临界二氧化碳增透过程中,孔隙压力对低渗透煤层的增透效果起主控作用。      

煤样渗透率有效应力与基质收缩双重耦合效应及其与煤阶关系

为研究煤层气在排采过程中不同煤阶煤储层渗透率动态变化规律,利用煤岩三轴应力应变（基质收缩膨胀）测试系统,对褐煤、气煤和无烟煤样开展了有效应力与基质收缩双重效应物理模拟实验。固定轴压和围压不变,改变气体平衡压力,模拟开发过程中储层压力变化特征,测试其动态渗透率。利用实验结果,分析了不同煤阶煤岩在排采过程中动态渗透率反弹特征,并对比分析煤岩动态渗透率改善效果的差异性。研究表明：气体平衡压力从5 MPa降至1 MPa过程中,在有效应力和基质收缩双重效应作用下,褐煤样的归一化渗透率依次为1.00、0.60、0.57、0.57、0.52,气煤样依次为1.00、0. 64、0.50、0.54和0.55,无烟煤样依次为1.00、0.74、0.58、0.50和0.56。随气体平衡压力下降,中阶及高阶煤样动态渗透率先下降后上升,整体呈不对称“V”型变化规律,但拐点略有不同;低阶煤样动态渗透率呈先下降后基本稳定的趋势,整体呈斜“L”型变化规律。在有效应力和基质收缩双重效应影响下,中阶及高阶煤样动态渗透率改善效果优于低阶煤样。     

煤层水压致裂后煤岩应力解析

水压致裂后煤岩应力分布规律对水压致裂防冲效果起关键性作用。采用理论研究方法得出高压注水压致裂后及卸水后水区和气区的孔隙、瓦斯压力和煤体应力解析解。结果表明,致裂后水区孔隙压力沿径向变化不大,与注水压力接近;气区瓦斯压力沿径向呈递减趋势;在水区外围一定范围内形成瓦斯压力升高区;水区煤体环向应力将会减小,直到变为拉应力;气区煤体径向应力沿径向递减。卸水后水区孔隙压力、煤体径向应力沿径向呈递增趋势;气区煤体径向应力沿径向呈递增趋势,趋近于原始煤体应力;气区煤体环向应力沿径向呈递减趋势;气区孔隙压力沿径向呈递减趋势。这为煤层水压致裂预防冲击地压提供理论基础。      

CO2相变致裂本煤层增透技术研究

研究液态CO₂相变特征和煤体对气相CO₂和CH₄的吸附规律,在不同煤质、温度和平衡压力条件下,实验得出在无烟煤和焦煤的煤体中CO₂竞相吸附的能力是CH₄的1.8~2.4倍。研究发现,液态CO₂在0.2 s内完成相变过程,体积瞬间膨胀至794倍。通过理论研究建立了采用不耦合致裂条件下的爆破孔初始冲击压力峰值、裂隙圈有效半径和爆破致裂钻孔孔径3个主要爆破参数变量的数学模型。采用液态CO₂瞬间相变出口压力为200MPa的致裂器,进行致裂爆破本煤层增透现场实验研究,研究得出距离致裂爆破孔2m和3m的控制孔在爆破后单孔瓦斯抽采纯量提高至6倍和4倍,单孔瓦斯抽采浓度提高至5倍和4倍,单孔瓦斯抽采浓度保持在35%~55%,而距离致裂爆破孔4m的控制孔在爆破5d后瓦斯抽采效果衰减至爆破前的水平。现场试验得出初始冲击压力峰值200MPa和钻孔孔径0.094m时,本煤层致裂爆破裂隙圈有效半径为3m。     

循环加卸载作用下预制裂隙煤样渗透性试验研究

应用三轴加载煤岩渗流试验装置,对预制贯通裂隙煤样开展循环加卸载轴压渗透率试验,分析循环加卸载轴压作用下预制裂隙煤样渗透率的变化规律及其之间的差异。研究结果表明：预制裂隙煤样渗透率与轴压呈负指数函数关系,渗透率对应力敏感性随加卸载次数增加而降低。加载阶段渗透率差值与卸载阶段渗透率差值随加卸载次数增加而降低,渗透率差值与应力敏感性系数呈正相关性。加载阶段与卸载阶段渗透率存在明显差值,渗透率产生明显损失量,其随加卸载次数增加而降低。竖直裂隙煤样渗透率与应力敏感性系数明显高于水平裂隙煤样与完整煤样,水平裂隙煤样渗透性与完整煤样渗透性相差不大,但水平裂隙煤样应力敏感性系数高于完整煤样。竖直裂隙煤样渗透率差值与渗透率损失量明显高于水平裂隙煤样与完整煤样,水平裂隙煤样渗透率差值高于完整煤样,但两者渗透率损失量相差不大。循环加卸载轴压结束后,完整煤样渗透率损失率最大,水平裂隙煤样渗透率损失率居中,竖直裂隙煤样渗透率损失率最小;竖直裂隙煤样渗透率恢复率最大,水平裂隙煤样渗透率恢复率居中,完整煤样渗透率恢复率最小。     

合肥重塑膨胀土三向膨胀力试验研究

以合肥重塑膨胀土为研究对象,采用改进的三向胀缩仪开展了16组不同初始含水率与干密度的三向膨胀力试验。研究结果表明,(1)在所研究的含水率、干密度范围内竖向膨胀力总是大于横向膨胀力,快速膨胀阶段大致在0~2 h以内,该阶段竖向膨胀力可达到极限膨胀力的80%以上;(2)同一干密度下竖向膨胀力随初始含水率增大而减小,竖向膨胀力与初始含水率之间具有良好的线性关系,且干密度越大,竖向膨胀力随着初始含水率的变化速率越大;(3)在竖向膨胀力与干密度的关系图中,每条曲线均以干密度1.6 g/cm~3为分界点呈双线性关系;(4)由膨胀力对数与初始干密度的关系,不同初始含水率下的ln(P_z)-ρ_d关系为一系列近似平行的递增直线,直线斜率大致相同,说明膨胀力随初始干密度的变化速度不随含水率的变化而变化。     

无烟煤孔隙结构特征及其吸附特性研究

选取焦作矿区无烟煤四种不同煤体结构煤作为研究煤样,通过低温液氮吸附实验,分析了不同煤体结构煤的孔隙结构分布特征,同时对所采集的煤样分别进行高温高压平衡水分条件下CH_4气体的等温吸附实验,分析了孔隙结构、平衡水分与CH_4吸附特性之间的作用关系。研究结果表明:与原生结构煤相比,构造煤的BJH总孔容、微孔比表面积、BJH总孔比表面积随着破坏程度增大而增大。高温高压平衡水分条件下,无烟煤不同煤体结构煤表现出了吸附能力新特性,即随无烟煤破坏程度增加,朗格缪尔体积V_L呈现先增大后减小的变化趋势。不同煤体结构煤的孔隙结构由于构造应力作用而发生变化,引起平衡水分含量的不同,从而导致对CH_4的吸附能力不同。分析表明,无烟煤不同煤体结构煤表现出的吸附新特性,是特有的孔隙结构和平衡水分含量差异综合作用的结果。在不同的埋藏条件下,某一因素会占主导作用,吸附增量变化取决于主控因素控制。     

煤样渗透率有效应力与基质收缩双重耦合效应及其与煤阶关系

为研究煤层气在排采过程中不同煤阶煤储层渗透率动态变化规律,利用煤岩三轴应力应变（基质收缩膨胀）测试系统,对褐煤、气煤和无烟煤样开展了有效应力与基质收缩双重效应物理模拟实验。固定轴压和围压不变,改变气体平衡压力,模拟开发过程中储层压力变化特征,测试其动态渗透率。利用实验结果,分析了不同煤阶煤岩在排采过程中动态渗透率反弹特征,并对比分析煤岩动态渗透率改善效果的差异性。研究表明：气体平衡压力从5 MPa降至1 MPa过程中,在有效应力和基质收缩双重效应作用下,褐煤样的归一化渗透率依次为1. 00、0. 60、0. 57、0. 57、0. 52,气煤样依次为1.00、0. 64、0. 50、0. 54和0. 55,无烟煤样依次为1.00、0. 74、0. 58、0. 50和0. 56。随气体平衡压力下降,中阶及高阶煤样动态渗透率先下降后上升,整体呈不对称“V”型变化规律,但拐点略有不同;低阶煤样动态渗透率呈先下降后基本稳定的趋势,整体呈斜“L”型变化规律。在有效应力和基质收缩双重效应影响下,中阶及高阶煤样动态渗透率改善效果优于低阶煤样。     

井下高压水射流切割煤层增透效果数值模拟

针对井下高压水射流切割煤层增透技术,利用FLAC3D数值模拟软件,建立三维有限元模型,对不同煤体结构（软煤、硬煤）、切割深度和切割环数等因素的卸压增透效果进行数值模拟分析。模拟结果表明:在水力切割相同半径下,软煤的卸压范围约为硬煤的1.8倍,变形量约为硬煤的2.6倍;水力切割半径由0.5 m增至1 m时,煤体中应力降低为90%的区域和煤体变形量分别提高到1.56倍和1.66倍;相邻切割缝槽之间出现了交互影响,钻孔的卸压范围和煤体变形量显著增大,水力切割区域煤体呈现整体卸压状态。将数值模拟的卸压范围与理论公式计算结果进行了对比,二者之间的误差为0.46%~9.84%,表明采用数值模拟技术研究水力切割增透效果是可靠的。      

CO2相变致裂煤的显微构造特征与成因机制

CO₂相变致裂是一种高效增渗、增抽和消突的新型煤矿瓦斯治理技术,应用效果显著。该技术的核心是高压动力载荷作用于煤层的强化造缝及其卸压增渗效应。然而,新生裂缝的形貌特征以及破坏成因机制研究薄弱。目前井下厘米—米级尺度裂缝的观察和描述,主要用于揭示煤层的造缝增透机理。更小尺度的微米级显微裂隙研究,可更系统和全面描述裂缝的形貌和发育规律,揭示CO₂相变致裂作用下煤的破坏机理。应用自行研制的高压CO₂冲击大型物模试验装置系统,对无烟煤试件进行了120 MPa高压CO₂冲击,基于场发射扫描电镜(FESEM)的观察,研究了微米级裂隙特征、发育规律及其形成机理。结果表明：(1)致裂后煤样的割理系统充分沟通,形成多尺度的复杂微裂隙网络。(2)煤基质破碎并发育大量微米尺度的新生显微构造,发现了3种典型显微构造是“损伤坑”“三翼型”裂隙和“页理状构造”。(3) CO₂的超临界相、气相、或者二者的混合相态冲击破碎近喷孔端煤样,冲击波可能是试件远端破坏造缝的主要力学机制。(4)显微构造的形成和损伤演化...     

自吸水分对煤中瓦斯解吸的综合影响

为研究自吸水分对煤中瓦斯解吸的影响,利用自主设计的实验装置,实现了水分在煤中的自发渗吸,单独研究了水分对瓦斯的置换效应,并对不同含水率条件下煤中瓦斯的置换解吸量、卸压解吸量以及残余瓦斯含量进行了测定。结果表明:水分能够促进煤中吸附态瓦斯发生置换解吸,且含水率越大,置换解吸量越大;卸压解吸过程中,相同时间内含水煤样瓦斯解吸量小于干燥煤,且随着含水率升高,解吸量逐渐减小;充分解吸后含水煤样的残余瓦斯含量小于干燥煤,在4%~10%含水率,随着含水率升高,残余瓦斯含量逐渐降低;针对晋城矿区永红煤矿的无烟煤,自吸水分对瓦斯解吸整体上表现为促进作用,水分对瓦斯解吸的影响是置换效应与水锁效应综合作用的结果。