深部煤层原位保压取心技术原理与瓦斯参数测定研究进展

煤层原位瓦斯压力与瓦斯含量是深部煤矿安全生产与煤层气资源精准评估的关键参数。针对深部煤层原位瓦斯含量精准测定的技术难题,提出了原位保压取心与原位瓦斯含量和压力测试的全新原理,推导并建立了煤层原位瓦斯含量计算方法和考虑含水率及多气体组分影响的煤层原位瓦斯压力计算方法。根据矿井深部原位应力环境特点与多向取心工程需求,分别自主研发了重力式、弹力式和磁力式保压控制器,可实现任意角度保真取心。自主研制了集低扰动保压取心与样品含气量一体化测试技术与装备,可实现与保压取心器对接并解锁的原位样品转移、破碎与测试,解决了原位取心、样品转移过程中瓦斯量损失问题,大大提高了瓦斯含量测定的准确性,为精准测定深部煤层原位瓦斯压力及瓦斯含量提供了理论和技术支撑,以期降低瓦斯事故,提高高突矿井安全开采效率。     

煤矿井下水平保压取心保压触发装置研制与试验研究

瓦斯含量是煤矿安全开采和煤层气资源开发利用的重要评价指标,而保压取心技术是提高煤层瓦斯含量精确测定的有效途径。针对煤矿水平保压取心特殊工况,基于煤矿原位保压保瓦斯取心原理与技术,为提高保压煤样的采取率,研制了保压触发装置,系统设计了装置的密封保压单元、液压驱动模块和捞矛头与水平打捞器连接-脱卡机构等关键部件。搭建了保压触发装置工作性能地面试验系统,对装置性能进行试验研究。结果表明：在保压控制器阀盖5个典型的翻转方向工况下,保压触发装置的各功能模块均稳定运行,保压控制器均完成了翻转闭合;同时,钢丝绳顺利从取心钻杆内取出,有效防止取心器从孔底提至孔口过程中钢丝绳缠绕,避免引起设备故障。采用电动试压泵对已完成工作性能试验的取心器保压舱进行打压测试,结果表明：在最高压力为4.1 MPa条件下,压力表读数稳定,取心器保压舱内带压流体不发生泄漏,表明保压触发装置可触发取心器的密封保压功能。最后,在煤矿井下实际条件下对装置性能进行试验,结果表明：保压触发装置可在煤层实际工况下稳定实现取心器的密封保压功能,煤样采取率高达90%。保压触发装置的研发可促进煤矿水平保压取心技术的发展,对煤层瓦斯含量的精准测...     

基于两能态吸附热理论的煤层瓦斯流动热-流-固多场耦合模型

为了研究煤层瓦斯流动过程中温度与渗流场和应力场的耦合作用变化规律,引入煤层瓦斯两能态吸附热理论,重新构建煤层温度场控制方程,推导了温度场控制方程中解吸微分热能项的理论求解方法,改进了煤层瓦斯流动的热-流-固多场耦合数学模型;从理论上阐述了煤层瓦斯流动过程中吸附解吸、应力场、温度场、渗流场相互影响的作用机制;利用该模型研究了煤层瓦斯抽采过程中煤层瓦斯流动时的煤层温度、瓦斯压力、煤层渗透率的变化规律;结合已有试验研究结果,对比验证了模型的精确性和合理性;研究结果表明,在煤层瓦斯抽采过程中,煤层温度下降的快、慢受煤层原始瓦斯含量和压力及煤层渗透率的共同影响,煤层渗透率越大,温度下降越快,煤层瓦斯压力和含量越大,温度下降越快;同时,煤层渗透率随抽采时间的增长而增加,越靠近钻孔壁面煤层渗透率增加幅度越大。     

深部煤矿保压取心保压控制器密封性能分析与结构优化

保压控制器作为深部煤炭原位保压取心器的核心部件,其密封设计对保压取心效果有着决定性作用。为了获取最优的密封结构方案,本文建立了保压控制器密封结构二维轴对称非线性接触模型,通过正交试验分析不同凹槽设计、锥角选型及摩擦因数对密封性能的影响,并研究不同闭合阶段、介质压力下密封圈各应力变化情况。结果表明：1.9 mm凹槽深度的30°锥角保压控制器密封效果最优;摩擦因数对密封性能的影响较小,应根据实际情况选择尽可能小的摩擦因数;室内打压试验结果表明保压控制器在较小预紧力作用下即可形成密封,且其密封性能随密封压力的升高仍维持稳定,该自适应密封特性保证了其密封能力与工作稳定性。研究成果提高了深部煤矿保压保瓦斯取心器的密封可靠性,对实现深部煤矿瓦斯精准测定具有重要工程意义。     

煤矿井下原位磁控多向保压取心原理与技术

获取煤岩体原位物理力学参数是煤炭资源开发的首要任务,瓦斯原位参数精准测量是实现煤矿安全开采的基本保障。针对煤矿原位瓦斯参数测不准的技术难题,结合煤矿井下取心的技术特点,创新提出基于磁力控制的多向保压取心技术构想。基于复合磁场特性,自主设计了磁控自触发保压控制器,优化了取心触发及密封结构,关键保压构件实现磁控非接触式自触发及自密封,提升保压触发的容错率。自主研制了多向保压取心性能测试平台,基于该平台验证了保压控制器在不同取心角度的良好触发能力及自密封能力。集成磁控保压模块,形成多向保压取心装备,通过实验室测试验证了该装备可在多个方向实现保压取心,且保压能力可以达到6 MPa,满足煤矿保压取心条件。研究成果为深部煤矿多向保压取心提供了技术支持,为保压控制结构设计提供了全新思路。     

深部煤矿保压取心触发装置仿真优化及应用

保压控制器是深部煤矿保压保瓦斯取心装备的核心部件，其保压能力与密封性能是保压保瓦斯取心技术的关键。针对保压控制器仅由重力提供初始密封力时，初始密封比压较小、密封性能差的问题，设计了一种保压取心触发装置，以期为保压控制器实现密封提供初始密封比压。采用动力有限元对该触发装置工作过程进行数值仿真，并根据仿真结果对保压取心触发装置进行优化，之后对优化后的保压取心触发装置进行室内实验。结果表明：优化后的保压取心触发装置可为保压控制器实现密封提供足够的初始密封比压，且不影响保压控制器的保压能力，可满足井下瓦斯压力的维持。同时，为了检验保压取心触发装置在整套装备中的应用效果，开展了保压保瓦斯取心现场试验，试验测试过程中保压取心触发装置运行平稳，并成功取得保压煤心样品，验证了保压取心触发装置功能的可靠性。     

沿抽采井筒的煤储层渗透率模型研究

渗透率是表征瓦斯流动的重要参数,为保证煤矿瓦斯安全高效抽采,有必要探究距抽采井筒不同位置处煤层瓦斯渗流演化特征。然而,瓦斯抽采过程中伴随有效应力、煤基质对瓦斯的吸附/解吸能力以及煤储层温度的不断变化,甚至出现抽采损伤,使得煤层瓦斯运移行为异常复杂。为探究抽采过程的煤层瓦斯渗流特性,在圆柱坐标系下,考虑压力场与温度场变化对煤储层渗透率的影响,构建温度影响的孔隙压力时空演化函数,据此建立应力与温度作用下的煤储层渗透率模型。结果表明:建立的模型能合理描述沿抽采井筒孔隙压力的演化规律以及瓦斯的运移特性,即在恒定外应力的条件下,随抽采时间增加,不同位置处孔隙压力先降低后变化平缓,煤储层渗透率先降低后升高;此外,同一煤储层位置处,考虑温度比不考虑温度的渗透率计算值更低;通过讨论发现,随抽采时间增加,根据裂隙压缩与基质收缩对渗透率演化的不同效应,设置合理的负压抽采方式可提高瓦斯抽采量。      

不同变质煤的瓦斯膨胀能演化特征及其突出预测启示

为了提高煤与瓦斯突出(突出)预测的准确性,选取6种不同变质程度的煤样,开展高压压汞实验、等温吸附实验,计算瓦斯膨胀能,分析不同变质程度煤的瓦斯膨胀能演化特征及其与突出预测指标间的关系。结果表明：不同变质程度煤的孔隙结构与吸附性的差异,导致煤体所含的瓦斯膨胀能存在差异。煤的总瓦斯膨胀能与吸附瓦斯膨胀能随瓦斯压力的升高而增大,增加趋势逐渐变缓;相同瓦斯压力下,煤的变质程度越高,总瓦斯膨胀能与吸附瓦斯膨胀能越大。煤的游离瓦斯膨胀能随瓦斯压力升高呈指数增大;相同瓦斯压力下,游离瓦斯膨胀能随单位质量煤体孔隙体积的增加而增大。当R_max>1.6%,0.74 MPa对应的游离瓦斯膨胀能与初始释放瓦斯膨胀能突出临界指标42.98 mJ/g基本相等,进一步验证了游离瓦斯在突出触发阶段起主要作用,也为突出预测临界压力值采用0.74 MPa的合理性提供了科学依据。当R_max为0.6%～1.6%时,0.74 MPa对应的游离瓦斯膨胀能小于42.98 mJ/g,夸大了煤体所具备的突出潜能,会加大防突工作量。当R_max<0.6%,0.7...     

煤矿井下硬煤层顺层长钻孔分段压裂强化瓦斯抽采技术及应用

针对硬煤层瓦斯抽采衰减快,抽采周期长、效率低等问题,提出了中硬煤层顺层长钻孔分段压裂增加煤层透气性瓦斯强化抽采技术。以陕西彬长矿区4号煤层为研究对象,在实验室采用SEM高分辨率电子显微镜对比分析了水力压裂前后煤体微观孔隙结构变化特征;利用Abaqus软件模拟了封隔器受力特征及钻孔的稳定性;在彬长矿区大佛寺煤矿井下4号煤层进行水力压裂工业性试验。结果表明:煤层在加载压力15 MPa,保压48 h,煤体的孔隙、裂隙数量增多,孔径尺寸增大,且连通性增强,裂隙间的连通性明显提升。压裂过程中,封隔器同时受到内压和外压载荷产生膨胀变形,内压15 MPa、外压10 MPa时,可保持硬煤钻孔结构完整同时,产生最大的封隔摩擦力。工程试验完成3个顺煤层定向长钻孔分段压裂施工,孔深540~568 m,每孔分8 段压裂,单孔注液量910~1 154 m3,累计注液量3 011 m3;压裂后,利用孔内瞬变电磁测试确定压裂影响半径34~46 m。压裂钻孔平均瓦斯抽采纯量0.72~1.73 m3/min,平均抽采瓦斯体积分数42.60%~67.48%;对比试验区常规钻孔,瓦斯抽采体积分数提高1.20~2.49 倍,百米钻孔瓦斯抽采纯量是3.93~10.03 倍,实现了试验区域瓦斯超前增透和预抽,该工艺技术为类似地质条件大区域瓦斯超前治理提供技术借鉴。      

韩城地区煤储层孔渗应力敏感性及其差异

以韩城煤层气区块3号、5号和11号煤层为例,进行不同围压条件下的煤心孔渗实验,探讨了该区煤储层物性与应力之间的耦合关系,建立了相应的数学模型。结果表明,煤心孔渗随围压的增加而不断下降,渗透率应力伤害远强于孔隙度应力伤害,但各煤层的应力敏感性各不相同:在实验围压从4.14 MPa（600 psi）增加到12.42 MPa（1 800 psi）条件下,11号煤层孔渗应力敏感性最强,孔隙度应力伤害达76.5%,渗透率应力伤害达93.3%;3号煤层孔渗应力敏感性最弱,孔隙度应力伤害38.5%,渗透率应力伤害77.9%;5号煤层孔渗应力敏感性较强,孔隙度应力伤害约45%,渗透率应力伤害达83.9%。分析认为,裂隙发育状况是造成各煤层间孔渗应力敏感差异的主要原因。从实验数据的拟合情况看,幂函数模式比指数函数模式更能准确地获取测试围压范围内的孔渗内插值。      

煤层地面井保压取心控制器闭合轨迹模型

传统煤层勘探方式采用开放式取心工具获取煤样,并通过理论估算的方式计算损失气。导致所测得的煤样含气量普遍偏低,严重制约煤层气开发利用,影响煤矿安全开采。为满足深部煤层勘探需要,创新设计了一款煤层地面井保压取心工具,工具总长6.7 m,单次可取保压煤心样品3 m。为提高深部煤层保压取心可靠性和成功率,构建了孔底液体环境下保压控制器闭合轨迹模型,并通过实验测试和理论推导获取了控制器触发弹片弹力转矩的变化曲线。为验证闭合轨迹模型的准确性,了解保压控制阀盖在钻井液环境下的翻转闭合过程,进行了保压控制器触发闭合室内实验。结果显示,实验所测得阀盖运行轨迹与理论计算结果的偏差小于5%,验证了模型的准确性。在此基础上,优化了煤层地面井保压取心工具内保压控制器触发系统,并在深度为30 m的试验井下,密度1.1 g/cm³、黏度60 s的膨润土基泥浆环境中进行了8次孔底抽拉触发实验,保压控制器均能稳定闭合,成功率为100%,并能保证压力在14 MPa时连续工作至少350 min无泄漏,证实了保压控制器触发系统的可靠性。本文所建立模型可以实现井下保压控制器运行轨迹预测,进而可以针对不同钻...     

煤层应力敏感性对煤层气产量预测的影响

大量现场实践和室内实验表明,煤层气藏为典型的应力敏感性气藏,随着煤层气的开采,储层孔隙压力降低,渗透率大幅度降低,引起产量下降。为了研究煤层应力敏感性与渗透率的关系,进行了应力敏感性实验,结果表明:煤层渗透率对于应力变化非常敏感,当有效围压从1MPa增加到12MPa时,其渗透率最大值只有初始的10%,即使围压恢复至1MPa,岩心渗透率损失率在54.98%~79.09%。由于煤层这种应力敏感性,其渗透率不再是常数,而是压力的函数,利用实验得到的动态渗透率与有效围压的关系,建立了考虑渗透率变化、带人工裂缝的预测煤层气产量的二维气、水两相数值模型,现场应用表明预测的产量与和实际产量吻合。     

深部煤矿保压取心煤样自锁转移机构研制

保压取心技术能够将获取的深部煤层样品在孔底直接封存,以最大限度消除取心过程中瓦斯逸散;基于获取的保压岩心开展带压转移及测试是实现瓦斯含量精准测定的技术前提,而如何实现保压取心与带压转移测试的精准对接,已成为亟需解决的关键技术难点。围绕保压取心系统与测试系统对接转移的核心部件自锁转移机构开展研究,基于理论计算与室内试验,对自锁转移机构的装配关系、运动特性与承载能力等进行分析。首先,创新设计了可集成于保压取心系统内部的自锁转移机构,根据取心作业实际工况揭示了锁紧轴顺利通过与安全承载的临界条件;通过理论计算,获取了锁紧环与锁紧轴的最佳装配过盈量为0.1 mm,此时无论通过性还是抗拉承载特性均能保持良好的力学性能。其次,开展了室内锁紧轴通过性及拉伸承载测试,验证了5 kN拉伸载荷作用下锁紧机构的工作安全性。最后,完成了自锁转移机构的样机试制与装配,并进行了入井功能及带压转移动作测试,验证了自锁转移机构动作可靠性。研究成果为获取原位保压岩心并开展带压转移测试等提供了技术基础与装备支撑。     

地应力和瓦斯压力作用下深部煤与瓦斯突出试验

基于目前煤与瓦斯突出模拟试验均为人为控制突出口打开的实际情况,自主研制了可改变轴压、围压和孔隙压,实现突出口自行打开的煤与瓦斯突出模拟仪。以典型高瓦斯矿井-阜新孙家湾矿为例,试验模拟了煤层开采深度分别为900、 1 100、1 300 m时,突出煤层临近工作面区域在地应力和瓦斯压力共同作用下诱导发生煤与瓦斯突出全过程。试验利用轴压、围压模拟地应力作用,孔隙压模拟瓦斯压力作用。经相似理论计算确定了3种开采深度下轴压和围压值、孔隙压逐级增加得到了突出时瓦斯压力,并拟合了关系曲线。研究结果表明：开采深度、轴压、围压、瓦斯压力与突出距离、突出强度间均呈幂指数增加规律。随深度增加,地应力与瓦斯压力对突出影响增量逐渐减小。瓦斯压力对突出影响作用存在3阶段特征,分别为急剧影响增加阶段、稳定影响增加阶段和缓慢影响增加阶段,确定了瓦斯压力对突出影响变化率最大值,即瓦斯压力变化异常区与稳定区分界点为0.75 MPa,对应开采深度为350 m,与前人理论分析结果基本吻合。由此可以推断,随深部开采,地应力与瓦斯压力共同作用下煤与瓦斯突出频度将增加,但强度和破坏程度增加率将趋于平缓。所得结论对该矿深部煤与瓦斯突出机制认识和预测防治具有参考意义。     

致密砂岩高围压和高孔隙水压下渗透率演化规律及微观机制

深部岩石工程具有高地应力和高水头压力的特点。为了研究岩石在高围压和高孔隙水压条件下渗透率演化规律,选取致密砂岩开展不同围压条件下变孔隙水压的渗流试验。研究结果表明:(1)在所研究的围压范围内(0~50 MPa),随孔隙压力增加,渗透率依次呈现3种不同的变化趋势,即快速增长阶段(围压为10~20 MPa)、缓慢增长阶段(围压为30~40 MPa)和保持恒定阶段(围压为50 MPa);在围压卸载时,由于高围压作用使试样内部产生不可逆变形,导致渗透率具有明显的不可恢复现象,且随围压降低,渗透率恢复存在滞后效应。(2)渗流试验过程中,体积应变和渗透率演化具有较好的一致性。(3)在围压加卸载过程中,高孔隙水压力条件下渗透率对应力的敏感程度和恢复程度均大于低孔隙水压力。(4)偏光显微镜图像从微观角度揭示了试样在围压加卸载过程中产生不可逆变形的内在机制:骨架颗粒相互挤压、错动导致原有微裂隙压缩、孔隙减小甚至坍塌,引起渗透率不可恢复。渗流试验后,纵波波速增大,说明岩石致密性提高,与试样内部微观结构变化具有较好的一致性。     

开采扰动下考虑损伤破裂的深部煤体渗透率模型研究

为了研究深部煤体在开采扰动影响下的渗透率演化规律,以三向应力条件下的煤体渗透率模型为基础,从吸附解吸作用引起裂隙变形和损伤破裂造成煤基质弹性模量劣化的角度进行理论推导,引入内膨胀应变系数的概念,同时基于Drucker-Prager破坏准则的损伤本构关系建立了两种考虑煤体损伤破裂的渗透率演化模型——指数型和立方型,并且对常规三轴加载、开采扰动加卸载和改变气体压力下的瓦斯渗透试验结果进行了拟合分析。结果表明：所构建的两种模型可以较好地反映常规三轴加载和开采扰动加卸载下煤体渗透率的分区段变化特征,也可以描述有效围压恒定条件下煤体渗透率随气体压力升高而降低的规律。在开采扰动加卸载和改变气体压力的试验中,指数型的拟合效果略优于立方型。研究结果可为深部煤炭开采及瓦斯抽采的工作提供指导。     

孔隙压力梯度对煤的渗透性影响实验

为了研究煤体渗透率与压力梯度之间的关系,在考虑煤体吸附变形的基础上建立了煤体渗透率与瓦斯压力梯度的数学模型,并在恒温条件下进行同一压力梯度不同吸附平衡压力的条件下和同一吸附平衡压力不同压力梯度条件下的渗流实验。研究结果表明:在较低的孔隙压力条件下,煤体渗透率随着吸附平衡压力和压力梯度的增加而减小;建立的渗透率动态演化模型能够较好地描述煤层瓦斯抽采过程中瓦斯的流动规律。研究结果可以为我国煤矿瓦斯治理和抽采工作提供一定的理论支撑,具有一定的指导和实践意义。      

采动诱导应力集中对顺层钻孔瓦斯抽采影响的试验研究

利用自主研发的多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统,开展受采动影响导致工作面前方不同应力分布条件下的顺层钻孔瓦斯抽采物理模拟试验,对抽采过程中卸压区、应力集中区和原始应力区的煤层瓦斯压力、钻孔抽采流量、应力敏感系数和无因次渗透率等参数演化规律进行分析。试验结果表明,(1)在瓦斯抽采过程中钻孔周围瓦斯压力下降速率先快后慢,越靠近钻孔的瓦斯压力等压线越为密集,瓦斯流速越大,钻孔周围瓦斯压力梯度先增大后减小;(2)随着采动应力集中系数增大,煤层渗透率降低,瓦斯抽采流量减小,其中采动应力水平最大的应力集中1区瓦斯抽采流量最小,而应力水平最小的卸压区抽采流量最大;(3)应力集中区的应力敏感系数高于卸压区和原始应力区,而该区域无因次渗透率下降速率最慢。     

卸围压时含瓦斯煤力学性质演化规律试验研究

以固定轴向应变条件下的轴向应力和径向应变为研究参数,对含瓦斯煤卸围压条件下的力学性质演化规律进行了试验研究,并对各参数的演化规律进行了数学拟合。结果表明,固定轴向应变被逐渐卸除含瓦斯煤的围压后,含瓦斯煤的轴向应力呈分2个阶段逐渐减小的趋势,其减小率与围压、瓦斯压力之差呈正向关系;瓦斯压力越大,卸除单位围压后轴向应力降低越大,轴向应力对卸围压效应越敏感,轴向应力与围压卸除量关系可用二次函数形式表征;固定轴压而逐渐卸除围压时,含瓦斯煤的径向应变呈逐渐增大趋势,瓦斯压力越大卸除单位围压后产生的径向应变越大,径向应变的变化是卸除围压量和瓦斯压力之和的综合作用,径向应变与卸除后的围压关系可用修正对数函数表征     

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...