结构异性煤体渗透率特性

 煤渗透率是研究瓦斯渗流特性及运移规律的关键参数, 而煤体结构各向异性导致渗透率具有明显的方向性。利用煤岩瓦斯渗流试验系统, 对不同变质程度煤样试件在面割理和端割理方向上, 进行不同瓦斯压力下的渗透率测试, 并根据等效驱替原理, 建立各向异性煤体渗透率的计算模型, 数值分析了煤体渗流的定向性特征。结果表明:在煤体面割理和端割理方向, 渗透率均随瓦斯压力增大成负指数减小;面割理方向的瓦斯渗透率与端割理方向相差可超过1 个量级, 且煤的变质程度越高, 差别越明显。随瓦斯压力增大, 煤的瓦斯渗流定向性系数峰值增大, 煤层瓦斯渗透定向性增强。在相同瓦斯压力下, 煤的变质程度越低, 煤层瓦斯渗透定向性越弱。     

煤体结构对矿井瓦斯灾害的影响研究

煤体结构的变化直接影响矿井瓦斯的赋存与运移规律,从而影响矿井瓦斯灾害的形式和灾害后果的严重程度.采用压汞法研究了韩城矿区煤体结构,并结合三轴渗透仪测试了煤层瓦斯渗透率及瓦斯吸附实验结果,研究了煤体结构对韩城矿区瓦斯危险性和灾害形式的影响,得出韩城矿区北区和南区3#煤层的差异及北区3#与11#两个不同煤层结构不同,导致煤层瓦斯渗透率、瓦斯吸附能力不同,因而瓦斯涌出规律、瓦斯灾害形式不同,为该矿区矿井瓦斯灾害的防治提供理论依据.表7,参8.     

半无限大煤体瓦斯涌出时温度分布规律的研究

温度变化对瓦斯解吸和涌出的影响非常复杂,根据已有的开采煤层中瓦斯渗流运动特征及瓦斯流动传热理论的文献资料,建立起开采煤层瓦斯涌出时煤体温度分布的数学模型,得出半无限大煤体瓦斯涌出时温度分布规律,为进一步讨论瓦斯解吸及涌出与煤体摩擦产热而引起煤体内部温度的变化打下基础。     

吸附瓦斯对煤体渗透性影响的试验研究

在不同的围压、轴压、渗透压组合条件下,对乡宁2号焦煤100mm×100mm×200mm的大尺寸煤样进行了瓦斯气体吸附前后的渗透性试验。结果表明:乡宁2号焦煤的渗透率随体积应力呈阶段性变化规律,在加载初期,渗透率随体积应力有一定程度增加,随后开始迅速降低;在加载后期,渗透率缓慢下降;体积应力较低时,提高渗透压能在一定程度上提高煤体渗透率,但是随着体积应力的增长,这一作用效果减弱;煤体吸附瓦斯后,在相同体积应力与渗透压条件下,煤体的渗透率下降十分明显,平均降低9.14%～26.99%。     

突出煤体空间分布及粒径分布特性试验分析

为进一步研究煤与瓦斯突出过程中突出煤体的空间分布与粒径分布特征,利用自主研发的真三轴煤与瓦斯突出模拟试验装置,在相同成型压力3 000 k N基础上,开展瓦斯压力为0.2,0.25,0.3,0.35,0.4,0.5 MPa下的煤与瓦斯突出试验。通过水平加载泵站控制,将垂直应力、构造应力、侧向应力均设置为5.5 MPa.结果证明了煤与瓦斯突出的发生存在一个瓦斯临界值,大于这个临界值,突出发生,本试验中突出临界值位于0.25~0.3 MPa之间。随着瓦斯压力的增加,煤样的突出量逐渐增大,相对突出强度也增大,说明在现场中,瓦斯压力是煤与瓦斯突出强度的重要决定因素。突出煤体呈梭形分布,中间有多条带式间隔,吹扫作用明显。突出煤体主要聚集在远处区域,主要为小粒径煤粉,其中直径小于0.25 mm的煤粉占比均大于20%,而小于0.5 mm的均超过45%,个别甚至高达66.7%.大粒径煤颗粒两头多,中间少。突出试验结果与现场实际突出情况有所不同,尤其是在大粒径煤体分布方面,但是综合试验空间、突出发展时间、煤的自然安息角等多方面因素考虑,可以得到合理的解释。     

煤体渗透率随温度和应力变化的实验研究

针对温度、应力共同影响下的煤体甲烷渗透率变化规律仍然存在矛盾认识这一问题,采用实验和理论分析的方法,进行了不同温度、不同应力条件下的煤体甲烷渗流实验,分析了二者不同组合条件下的煤体渗透率变化机理。实验结果表明,渗透率随温度的升高呈现两种不同的变化规律,即在高应力条件下,渗透率随温度的升高而降低;在低应力条件下,煤体渗透率随温度的升高而升高。研究认为,温度与应力对渗透率有不同的影响机制,外围应力仅对煤孔隙有压缩效应,而在不同外围应力条件下,温度对煤基质具有外膨胀和内膨胀两种影响效应,进而使渗透率呈现不同的变化规律。这一发现对预测煤层气高渗区具有理论指导意义和应用价值。     

低阶煤煤体变形特征及渗流规律实验研究

为获取低阶煤煤体变形特征和渗透率变化规律,以焦坪矿区下石节煤矿3#煤原样为研究对象,利用煤岩体应力-渗流-温度多过程耦合试验系统开展了有效应力、基质收缩以及二者综合作用条件下的煤体变形和渗流实验.研究结果表明:在有效应力逐渐增加的过程中,煤体体积负应变逐渐增大,煤体收缩,渗透率逐渐减小;基质收缩过程中,随着孔压的逐渐下降,煤体体积负应变逐渐增大,煤体收缩,渗透率逐渐增加;二者综合作用条件下,随着孔压的逐渐下降,煤体体积负应变逐渐增大,煤体收缩,渗透率先减小后增加,通过与等外力条件下的典型渗透率动态变化模型比较,Lu模型与实验数据吻合度更高.实验结果有助于预测煤体渗透率动态变化,更好地指导地面煤层气开发和煤矿瓦斯防治.     

煤的渗透性研究

对南桐煤田的青年矿、鱼田堡矿和南桐矿煤样在不同应力状态下及不同电场下的渗透率进行了研究，得出了煤渗透率与有效应力和电场强度之间的关系。对了解煤的渗透特性、瓦斯涌出量预测具有一定参考价值。     

含瓦斯煤体机械振动增透的应力机制初探

基于我国大部分煤层渗透率低、煤层瓦斯抽采效率低的现状,对增加煤体渗透能力的多种技术进行了应力机制分析;分析表明,采用的多种技术的共同特点是降低煤体的有效应力,从而提高煤体的孔隙和裂隙发育程度,提高煤体的渗透能力。在理论分析和实验研究的基础上提出了声频振动波增透煤体的新思路,对防治煤矿瓦斯灾害和提高煤层气抽采率具有重要的参考价值。     

应力对煤岩渗透率的影响

本文对煤、多孔岩石(砂岩)及裂隙岩石(石灰岩)在不同外载下的渗透率进行了实验研究,得出了不同类型试样的指数型渗透率曲线。本文所做的工作,对于了解煤岩渗流特性,渗流计算,瓦斯涌出量预测以及矿井瓦斯抽放系统设计具有一定参考价值。     

突出矿煤岩微孔隙特征及其渗透特性

从煤与瓦斯突出矿采集煤样,通过扫描电镜对其微结构和孔隙裂隙特征进行了观测。利用MTS815.02型岩石力学实验系统进行了3块标准煤样全应力应变过程的电液伺服试验,给出了主应力差、煤样渗透率、非Darcy流β因子和加速度系数与轴向应变关系曲线。研究表明:该突出矿煤样结构不均一,以粒状、网状、片状结构为主,也可见到鳞片状和压扭性结构;在煤样破坏过程中,由于围压的作用,全应力应变过程中煤样的渗透率随着应变的增大而发生变化,但其变化不很显著;非Darcy流β因子和加速度系数趋势相同,非Darcy流β因子均为负值。     

单相气体在低渗透煤层运移规律

为探讨温度和孔隙压力以及围压对低渗煤层渗透率的影响规律,采用辽宁工程技术大学真三轴渗透仪,在不同温度和围压条件下,对煤层试样进行实时渗透率研究,试样为长方体,外观尺寸为50 mm×50 mm×100 mm。加温试验发现,煤渗透率存在门槛值温度,当温度达到门槛值后,其渗透率出现大幅度增加,与室温状态相比,渗透率增加33倍。在煤热破裂的门槛值温度区域,煤样渗透率同时具有孔隙压力门槛值,其渗透率在孔隙压力门槛值发生剧烈变化,出现拐点;继续增加温度脱离温度门槛值后迅速增加,孔隙压力对于渗透率的影响随之加强,随着围压的增大这种现象更为显著。     

煤层应力对裂隙渗透率的影响

从各向同性线弹性材料应力应变关系出发,考虑气体解吸引起的基质收缩效应和孔隙压力对储层应力的影响,建立了包含基质压缩系数、裂隙体积压缩系数和流体压力项的渗透率动态变化方程,分析了储层力学参数对渗透率变化的影响.结果表明:排水降压初期,有效应力处于主导地位,裂隙发生压缩变形,渗透率降低;气体解吸后基质收缩占主导地位,裂隙张开幅度增大,渗透率升高;弹性模量、泊松比越大,基质变形程度越大,渗透率呈先降低后升高的回归趋势越明显,弹性模量较泊松比对回归趋势的影响更大;当孔隙压力较高时,低孔低渗煤层渗透率随孔隙压力降低变化的幅度不大;裂隙体积压缩系数变化的起始压力点可以根据不同起变压力下渗透率与储层压力的关系确定.     

不同层理方向的煤岩渗透特性研究

焦作矿区的山西组二_1煤层具有厚度大、结构简单、分布稳定等特点,其开采潜力较大。对目标煤层渗透率参数的获取是对水力压裂裂缝预测的先决条件。采用室内试验,对该区块的天然岩芯进行渗透特性研究。结果表明:储层的渗透性较好,有利于水力压裂改造的实施。影响渗透率的主要因素为层理角度、孔隙度、裂纹及微裂缝的发育程度等,其中裂纹和微裂缝的贯通程度对渗透率影响最大,层理角度次之。针对平行层理方向和垂直层理方向上渗透率的较大差异,分别建立了水气渗流的并联和串联阻流模型,揭示了影响渗透特性差异的主要原因为层理构造。本研究可为目标煤层确定合理的开采方式及确定水力裂缝的起裂与扩展规律提供理论支持。     

煤样渗透率对有效应力敏感性实验分析

研究煤样渗透率对有效应力的敏感性.实验结果表明,在低有效应力水平下,煤样渗透率随着有效应力的增加而迅速减小,其变化规律符合负指数函数关系.由于煤层渗透率的影响因素比较复杂,定义了煤样渗透率对有效应力的敏感性系数,从而将影响因素进行归一化处理.根据渗透实验结果,拟合得到敏感系数与有效应力之间的幂函数关系,该敏感系数反映出煤样渗透率随有效应力的变化趋势.最后推导出基于敏感系数的煤样渗透率与有效应力的函数关系式.     

加卸载下原煤力学特性及渗透演化规律

基于自主研发的煤岩热流固耦合试验系统,在考虑实际开采方式的条件下,进行轴压升高和围压降低的加卸载试验,分析研究不同加卸载速率下原煤的力学特性和渗透演化规律.结果表明:加卸载过程中,轴向应力的加载速率越大,峰值应力附近的曲线平台越长,峰值应力、轴向应变和环向应变也越大,体应变则越小.不同加卸载速率比下含瓦斯煤变形模量均先迅速减小后缓慢减小,到破坏时再迅速降低,而后逐渐保持稳定趋势;在相同轴向应变时,加卸载速率比越小,煤样的变形模量越大.加卸载过程中,煤样的偏应力、渗透率与应变的关系可分为三个阶段:初始压密与弹性阶段、屈服破坏阶段和破坏后阶段.加卸载速率比越小,煤样达到峰值应力时,含瓦斯煤的渗透率和体积变形越大.     

煤层原始含水率对煤与瓦斯突出危险程度的影响

运用自主研发的“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置”,进行了恒定瓦斯压力和围压条件下,不同原始含水率含瓦斯煤样全应力应变瓦斯渗流试验,结合现场实测煤层注水前后瓦斯涌出量的变化规律。研究结果表明：随着煤样原始含水率的增加,煤样的三轴抗压强度减小,弹性模量减小,三轴抗压强度处轴向应变增大、横向应变和体积应变的绝对值增大;在全应力应变整个过程中,煤样的甲烷有效渗透率都减小。从煤的力学特性和瓦斯在煤层中流动两个方面分析了煤层注水的防突作用。煤层原始含水率越高,发生煤与瓦斯突出的危险性越小。可将煤层的原始含水率作为判断煤与瓦斯突出危险程度的一个重要指标。     

基于应变角度分析N_2和CO_2对煤层透气性的影响

为深入了解煤在注入提高煤层气产能的N2、CO2气体后,煤的应变及透气性系数的变化情况,采用实验的方法研究了注入N2、CO2气体后应变的变化及对透气性系数的影响。结果表明:煤对氮气的透气性系数最高,其次是甲烷,再次是二氧化碳。这与煤对二氧化碳的吸附能力最强,甲烷次之,氮气最弱是相一致的,然而,注入三种气体煤样所产生的应变变化比例与透气性变化比例却不尽一致。因此,从应变角度建立的对透气性系数影响的分析模型,对于注入N2、CO2后透气性系数变化的分析适用做进一步研究。