构造煤结构与煤层气赋存研究进展

碎软煤的完整原样制取困难,需要加工制成重塑煤体,为了研究不同压制荷载对煤体物性特征的影响,以重塑煤体为研究对象,基于低温液氮的孔隙测试实验和高压容量法的甲烷吸附实验,探讨不同成型荷载而成的重塑煤体的微小孔结构及其吸附特性的差异。结果表明：不同成型荷载压制而成的重塑煤体,其微孔和小孔的孔容随着成型荷载的增大而略微减少,孔比表面积随着成型荷载的增大而略微增加,总孔体积减少和孔比表面积增加的幅度不大;通过分形理论发现无论高压段还是低压段,孔隙结构具有明显的分形特征,且在高压段的分形维数普遍低于低压段,不同荷载压制而成的重塑煤体的分形维数差别不大;等温吸附线均符合第Ⅰ类等温吸附曲线,Langmuir模型适用于描述重塑煤体的等温吸附,成型荷载对煤的吸附常数有一定的影响,其对吸附常数b值的影响大于对a值的影响。研究不同成型荷载下重塑煤体的吸附特性,为不同条件下型煤制作及冷冻取心实验提供参考。     

构造煤纳米级孔隙特征及其对含气性的影响

煤孔隙对储层含气性具有重要影响,构造煤储层尤甚。采集淮南煤田潘一矿13号煤层中4种煤体结构的煤样进行低温液氮实验,运用最小二乘法原理并采用FHH分形模型,系统地分析了煤储层纳米级（1.7~20nm）孔隙结构特征及其与分形维数之间的关系。结果表明：煤体破坏程度增强致使BJH孔容和BET比表面积增大,过渡孔与微孔含量增加;构造煤中毛细凝聚开始发生在2~3 nm并随着相对压力的增大而逐渐增强;对气体吸附做主要贡献的是孔径为5nm的孔隙,糜棱煤中此类孔隙最多致使含气性最好;研究区内除原生结构煤外,其他煤储层纳米级孔隙分形维数均大于2.6,平均孔径与分形维数呈明显负相关且相关性系数在0.9以上,表明此类孔隙具有明显的分形特征,孔隙结构复杂程度较高。综合孔隙特征表明：构造煤中孔隙结构越复杂且5nm附近吸附孔隙含量越高,含气性越强。     

低阶煤吸附孔结构特征及其对甲烷吸附性能影响

低阶煤甲烷吸附特性研究对瓦斯含量预测、瓦斯抽采及危害防治有着重要意义,为此,选取陕西6个典型矿井低阶煤样,进行低温氮吸附、低压二氧化碳吸附及甲烷等温吸附实验,获得低阶煤吸附孔结构特征。利用微孔填充及单分子层吸附理论定量表征甲烷吸附特征参数与吸附孔结构参数之间的关系,明确吸附孔中甲烷吸附机理。结果表明：吸附孔的比表面积主要由微孔提供,甲烷吸附能力主要受吸附孔孔容大小控制,微孔孔容对吸附孔总孔容的贡献率在74.71%～88.97%。甲烷极限吸附量与吸附孔平均孔径呈线性负相关,与吸附孔孔容、比表面积呈线性正相关,Langmuir压力常数随吸附孔平均孔径、孔容和比表面积的增加仅在小范围内波动,无明显线性相关。6个低阶煤样的分形特征明显,综合分形维数为2.573～2.720,平均值为2.647,说明低阶煤吸附孔非均质性强,甲烷极限吸附量随分形维数增加先增加后减小,整体呈上升趋势。基于微孔填充和单分子层吸附理论可以定量表征低阶煤吸附孔结构与甲烷吸附能力之间的关系,甲烷极限吸附量计算值与实验测试值相对误差较小,长焰煤相对误差为4.47%～6.65%,不黏煤为13.77%～16.02%。研究成果可为后...     

动荷载和含水率对红砂岩破坏及能耗特性的影响

地下工程岩体爆破开挖过程中,动荷载和地下水对工程岩体的安全稳定具有显著影响。为研究动荷载和含水率对岩体破坏和能耗特性的影响,利用改进的SHPB试验装置,设置4个冲击速度和6个含水率等级,对红砂岩进行动态冲击试验。通过分析不同含水率工况下能量反射率、透射率和耗散率的变化规律,构建红砂岩能耗特性与含水率的经验模型;对破坏试样进行筛分试验,根据破碎分形理论,研究岩石破碎分形维数随含水率的变化规律。结果表明：（1）同一冲击速度下,能量透射率和含水率具有指数函数关系且呈负相关,能量耗散率随含水率先增大后减小且具有二次函数关系;（2）同一含水率下,能量透射率和冲击速度呈负相关,能量耗散率和冲击速度呈正相关;（3）在出现宏观破坏的试样中,红砂岩的破坏程度随含水率的增加而增大,且在含水率为1%处出现拐点,破碎分形维数和含水率具有指数函数关系。     

煤体结构对煤层气吸附-解吸及产出特征的影响

煤的孔隙、物理化学结构差异对煤层气的吸附-解吸及产出特征有巨大影响。基于对不同煤体结构煤的孔隙、结构、力学性质的认识,利用现场实测资料,分析了煤体结构对煤层气产出的影响。结果表明：构造变形使煤的孔容和比表面积增大,吸附能力增强。含气量和损失量呈正相关关系;在含气量相同的情况下,逸散速率相对大小依次为：原生结构煤<碎裂煤<碎粒煤<糜棱煤。原生结构煤和碎裂煤的临界解吸压力大于糜棱煤。在0~45 min、45~95 min、95~185 min,平均解吸速率关系为：原生结构煤<碎裂煤<糜棱煤,而在185~485 min内,平均解吸速率关系反生改变,即：糜棱煤<原生结构煤<碎裂煤。在含气量大致相等时,原生结构煤和碎裂煤的解吸量及解吸时间明显大于糜棱煤。     

安阳矿区双全井田岩性结构与煤体变形的关系

煤体变形程度控制着煤与瓦斯突出和煤层气的可开发性,煤体结构空间展布预测是人们长期关注的焦点。以岩体力学和分形几何学基本理论为指导,以安阳矿区双全井田为例,通过计算岩体强度因子和分形维数,系统探讨了岩性结构对煤体变形的影响。研究表明,岩体强度因子和分形维数与断层和测井曲线判识的煤体结构之间存在密切关系:低强度因子和分形维数区,煤体易发生韧性变形,软煤发育;高强度因子和分形维数区,煤体(和岩体)以脆性变形为主,以断层发育为特征。这一结论为井田构造发育特征和软煤空间展布所证实。岩体力学和分形几何学的引入,为煤体结构空间展布区域预测提供了一种新途径。     

不同煤体结构煤的孔隙-裂隙分形特征及其对渗透性的影响

煤的孔隙-裂隙结构特征是研究储层渗透性的关键问题。为了定量描述孔隙-裂隙结构的复杂程度,以黄陇侏罗纪煤田永陇矿区郭家河井田原生结构煤和碎裂结构煤为研究对象,基于压汞实验数据和扫描电镜（SEM）图像,采用Menger分形模型和计盒维数方法,分别计算不同煤体结构煤的孔隙-裂隙分形维数;同时采用不同孔径段的孔隙体积比作为权重值,计算得到孔隙综合分形维数,探讨孔隙-裂隙结构分形维数和渗透率之间的关系。研究结果表明,脆性构造变形作用对孔隙整体复杂性,裂隙孔、渗流孔复杂性以及微观裂隙复杂程度均具有积极改造作用,对吸附孔结构复杂性具有均一化作用;微观裂隙分形维数与渗透率具有较高非线性关系,脆性构造作用改造下形成的碎裂煤,其具有的孔隙-裂隙结构优势配比是决定储层高渗透性的关键。因此,建议优先考虑弱脆性变形的碎裂结构煤为主体的断层、向斜和背斜区域进行煤层气抽采。     

海相、海陆过渡相页岩矿物组成对页岩孔隙分形特征的影响

贵州地区海相和海陆过渡相富有机质页岩普遍发育,但页岩矿物组成差异大,页岩孔隙结构复杂,为定量研究矿物组成对页岩孔隙结构的影响,以低温氮气吸附和X衍射实验为基础,利用FHH模型计算孔隙分形维数并研究矿物组成对其影响。结果表明,海相页岩的分形维数D1为2.322～2.756,D2为2.756～2.914;海陆过渡相页岩的D1为2.538～2.814,D2为2.751～2.922,说明海相和海陆过渡相页岩的孔隙结构较复杂,海陆过渡相页岩的储集性较好,而海相页岩的储集性能变化较大,影响因素复杂。海相页岩孔隙的D2与有机质丰度呈"先正后负"的关系,与黏土矿物含量、石英含量呈"先负后正"的关系,与黄铁矿含量呈正相关;D1的影响因素复杂,与矿物组成不具有明显的相关性。海陆过渡相页岩孔隙分形维数与有机质丰度、黏土矿物含量、黄铁矿含量呈正相关关系,与石英含量呈负相关。有机质丰度和黏土矿物含量是影响页岩孔隙结构的最主要的因素。     

煤体结构差异的吸附响应及其控制机理

为了研究不同煤体结构煤的吸附行为差异和作用机理, 以焦作煤田为研究区, 对煤体破坏严重的糜棱煤和原生结构煤的岩石学组成、吸附性和孔隙性进行了测试, 结果表明: 煤体破坏后, 吸附、解吸能力增大; 温度增加, 煤的吸附能力均为下降, 解吸能力增加.相比于原生结构煤, 随着温度增加, 糜棱煤吸附能力下降趋势和解吸能力增大趋势比原生结构煤更为明显.研究认为: 煤体破坏后, 不同孔径段的孔隙数量均有增大, 使得煤样容纳气体的能力增大.特别是大中孔含量的增大, 导致了糜棱煤样更容易发生解吸.另外, 煤体破坏后的煤级增高、镜质组含量增大和惰质组含量减小也对吸附能力增大具有重要作用, 而灰分含量不是决定两类煤吸附性差异的主要因素.      

储层砂岩孔隙分形性质的研究

根据统计特征体测量分形维数的测试原理，用砂岩断面的扫描电镜图片半自动分析方法，对砂岩孔隙的分形维数和分形孔隙度进行了测试，得到了储层砂岩隙的分形性质与砂岩的成分结构及作岩作用的关系，文章还对分形范围，分形维数，分形孔隙度及分形孔隙度与总孔隙度之比值作了评述。     

循环荷载下饱和重塑黏质粉土的动力特性研究

选取宁波饱和重塑黏质粉土,开展了黏质粉土的动三轴试验,研究了围压、动应力、排水条件、温度及频率等因素对土动力特性的影响,提出了采用相对动应力来分析不同围压、不同动应力下土的累积塑性应变变化规律,并建立了孔压—累积塑性应变关系的经验公式,结果表明:累积塑性应变随着相对动应力的增大而增大;温度越高,累积塑性应变值越小,且相同温度增量（△T=15℃）条件下的累积塑性应变增量也随之减小;建立的孔压-累积塑性应变经验公式可用于长期振动荷载作用后黏质粉土的孔压计算。     

煤吸附多组分气体的特征及模型研究

以煤吸附多组分气体实验为基础,探讨了长焰煤、焦煤和无烟煤分别吸附不同比例的CH4+N2和CH4+CO2二元混合气的吸附特征,并考察了3种多组分气体吸附模型的预测效果.所选模型包括Extended-Langmuir方程(扩展的Langmuir方程)、Ideal Adsorbed Solution理论(理想吸附溶液理论)和Numerical Analysis方法(数值分析方法),并且进一步讨论了多组分气体吸附过程中的组分分割情况.     

黏结剂含量对含瓦斯煤剪切细观损伤力学特性影响的试验研究

采用自主研发的含瓦斯煤岩细观剪切试验装置,开展不同黏结剂含量条件下的含瓦斯煤剪切试验研究,研究了煤的强度特性、裂纹演化模式、裂纹长度变化规律、细观裂纹形态特征和形成机制,并探讨了黏结剂含量对含瓦斯煤剪切力学特性、裂纹宏细观演化和损伤特性的影响。研究结果表明:随着黏结剂含量的增加,含瓦斯煤抗剪强度较好地服从线性增加关系,宏观裂纹的数目和分叉在增加,峰后稳定阶段所占总试验阶段的比例不断减小;裂纹总有效长度变化可分为急增、缓增和稳定3个阶段;随着黏结剂含量的增加,相邻裂纹之间的损伤区类型发生变化,宏观断裂面形成方式由裂纹的直接连通向主裂纹分叉连通和翼型主裂纹间损伤区连通方式转化;通过对黏结剂含量为5.3%条件下含瓦斯煤剪切细观裂纹形成机制分析可知,宏观裂纹前端存在几条由宽到窄、近似在一条线上分布的细观裂纹,前方新裂纹不断出现,后方裂纹不断长大,并发生翼裂纹连通,翼型裂纹重叠部分产生损伤,形成宏观裂纹,从而引起宏观裂纹不断向前扩展;主裂纹壁的次级裂纹是由几条呈雁行式排列的翼型裂纹组成;主裂纹之间的贯通方式为翼裂纹和反翼裂纹连通,取决于其相对位置。     

颗粒煤甲烷吸附过程扩散特征

为了研究甲烷在颗粒煤中扩散、吸附至平衡过程的扩散特性,基于颗粒煤吸附甲烷幂函数扩散模型,利用磁悬浮天平高压等温吸附仪,测定不同压力下颗粒煤甲烷吸附过程中扩散量随时间变化值,研究颗粒煤甲烷吸附达到平衡前的扩散特征。实验结果表明：平衡压力对颗粒煤甲烷吸附和扩散特性影响显著;吸附量和平均扩散系数随着压力增大而增大;颗粒煤甲烷吸附过程扩散系数随时间呈幂函数衰减,前500 s衰减幅度较大,平均扩散系数与时间呈负相关关系。研究认为颗粒煤吸附甲烷幂函数扩散模型对于描述颗粒煤甲烷吸附扩散过程具有较高准确性,有助于分析煤层气排采过程煤层气吸附量的动态变化,提高煤层气采收率。     

重塑黄土三轴蠕变特性研究及模型分析

采用SR-6型三轴蠕变仪对陕西省泾阳县某边坡重塑黄土进行了一系列室内三轴固结排水蠕变试验,着重研究了90%压实度下重塑黄土在不同含水率与围压下的蠕变特性,并依据试验资料建立了两种经验蠕变模型。结果表明：该地区黄土具有明显的流变特性,总体呈非线性衰减蠕变;围压与含水率均对蠕变特性有着显著的影响,土样在小围压、大含水率的条件下蠕变现象明显且蠕应变较大;同等荷载增量引起的应变增量的突然放大,预示着该级荷载已经超过土体的屈服应力值,土样产生黏塑性变形;两种模型的建立均能恰当地描述土体在20% ~ 65%偏应力水平下的蠕变特性,且模型简单,参数易得。     

不同变质变形煤储层吸附/解吸特征及机理研究进展

不同变质变形煤储层包括低煤级、中煤级和高煤级变质变形环境中的脆性变形煤、韧性变形煤和过渡型变形煤,不同变质、变形程度和机制对煤层气的吸附/解吸影响较大。干燥煤和平衡水煤的甲烷吸附量随变质程度的增强呈现出不同的变化趋势,干燥煤呈横"S"形且易于解吸,而平衡水煤呈倒"U"字形且吸附/解吸强度皆低于干燥煤样,且解吸过程较干燥煤滞后。构造变形导致煤的大分子结构和纳米级孔隙发生不同程度的改变,进而影响气体的吸附/解吸能力,脆性变形主要增加煤的大、中孔,其基本结构单元堆砌度略有增大,甲烷吸附/解吸程度有所增强;韧性变形主要增加煤的微孔-超微孔,其基本结构单元堆砌度增加较快,煤层气吸附能力增强,降压时韧性变形煤比脆性变形煤具有较高的瞬时解吸速率。由此可见,不同变质变形环境中的煤储层吸附/解吸能力差异较大,这主要是由煤储层内部结构及其影响因素对其制约所决定的。     

鄂尔多斯盆地煤储层低温氮等温吸附特征分析

利用美国Micromritcs ASAP 2000自动等温吸附仪,测试了鄂尔多斯盆地煤储层孔隙特征。在测试数据分析的基础上,确定了等温吸附和脱附曲线3种类型:第1类属孔结构是具有平行权构成的狭缝毛细孔型;第2类为发育一端尖灭的不平行的裂隙型;第3类属“墨水瓶”型孔。总结了鄂尔多斯盆地煤储层几种常见的比表面积分布曲线及累计孔体积分布曲线模型。     

软煤和硬煤的甲烷吸附扩散特性对比

研究煤的吸附和放散特性,对于查明煤与瓦斯突出中甲烷的作用,提高煤层气采收率或矿井抽采率具有重要作用。通过自行研制的实验装置,对河南新安矿和平煤一矿软煤和硬煤甲烷吸附和扩散的性质、相同吸附压力下的吸附量和Langmuir吸附常数的差异进行分析,阐明煤表面能的控制因素,查明煤在初始解吸时刻的扩散系数。结果表明,同一煤层中软煤比共生的硬煤具有更大的Langmuir吸附体积,在同一吸附压力下同阶煤的吸附量与煤的软硬和吸附压力有关,软煤和硬煤的表面能与煤阶有关,短时间解吸时软煤扩散系数大于硬煤,长时间解吸后硬煤的扩散系数大于软煤,且软硬煤的扩散系数均随解吸时间延长和吸附平衡压力的增加而减小。     

不同吸附性气体抽采过程中煤储层参数演化特征研究

利用自主研发的多场耦合煤层瓦斯抽采物理模拟试验系统,开展了不同吸附性气体抽采的物理模拟试验,探讨了煤层瓦斯抽采过程中煤储层气压、温度及煤层变形等参数的时空演化规律。结果表明:(1)煤储层气压在抽采前期下降较快并形成以钻孔为中心的气压等值面,距离抽采钻孔越远的区域煤层瓦斯流速越小,气压下降速率越低;(2)气体吸附性越强,抽采过程中的煤储层气压下降速率越低且持续时间越长;(3)煤储层温度的时间演化规律与气压基本一致,在抽采前期有显著的降低,在抽采后期受吸附态气体解吸吸热及热交换作用的影响,煤层温度出现先下降后小幅上升;(4)距离钻孔越近的区域气压下降量越大,煤层温度下降越明显,煤层所受有效应力越大,煤层变形量也越大;(5)抽采气体的吸附性越大,抽采所导致的煤层变形量越大。     

高煤级煤储层含水性特征及其对吸附能力的影响

为了研究高煤级煤储层含水性对吸附能力的影响,对阳泉-寿阳区块8件代表性煤样开展了镜质体反射率、显微组分、孔隙度、压汞、核磁共振和甲烷等温吸附等实验,分析了煤储层孔径分布、核磁共振T2谱响应特征、核磁孔隙度以及煤岩吸附能力,同时对煤储层含水性和煤储层吸附能力的相互关系进行了分析。研究结果表明：高煤级煤储层孔隙以微孔发育为主,孔隙含水性以微小孔中的束缚水赋存状态为主,且其含水量随最大镜质体反射率(Ro,m)的增大而增加。在影响高煤级煤储层吸附能力的多种因素中,煤储层含水性对煤岩吸附能力起着决定性的作用,尤其体现在微小孔中的束缚水对吸附能力的影响,束缚水含量越高,煤岩吸附能力越差。