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。     

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。     

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%。     

型煤试件在应力场中的瓦斯渗流特性分析

应用实验室自行研制的瓦斯渗流实验装置,通过保持轴向压力不变而改变围压和保持围压不变而改变轴向压力2种加载方式,对型煤试件的瓦斯渗透特性进行了实验研究.通过对实验结果的分析,认为试件的渗透率与其所受的应力状态有密切的关系,随各种应力的增加渗透率降低,围压对试件渗透率的影响比轴向压力大,试件渗透率与各种应力成负指数关系.根据达西定律,结合实验研究结果,推导出煤层瓦斯渗流方程,该方程能够模拟采场周围煤层瓦斯的渗流,对于利用采动应力场提高瓦斯的抽放效率具有现实指导意义.     

各向异性和非均质性对煤层抽采钻孔瓦斯渗流的影响作用机制

为提高深部煤层瓦斯抽采效率,研究抽采钻孔周围煤体的瓦斯渗流规律十分关键。文中基于煤体的各向异性和非均质性,考虑煤体应力变形场和瓦斯渗流场的交叉耦合作用,分析了煤层抽采中水力割缝钻孔周围瓦斯压力以及渗透率的时空演化规律。结果表明:煤体的各向异性和非均质性影响割缝钻孔周围的瓦斯渗流规律。对于瓦斯压力的变化,平行层理方向瓦斯压力降幅大于垂直层理方向,抽采影响范围分布呈现"椭圆形",煤体各向异性表征明显。对于渗透率的变化,平行层理方向的煤层渗透率高于垂直层理方向,抽采初期渗透率的增加幅度较快,随后逐渐减缓,渗透率变化曲线呈现不规则"锯齿形",煤体非均质性表征明显。将数值模拟结果与杨柳矿4~#钻场瓦斯抽采的实际监测情况相互对比,现场实测的瓦斯抽采情况与模拟得到情况基本吻合,从而验证了数值模拟的合理性及工程适用性。     

声震法提高煤储层渗透率的实验与机理

为了提高低渗透煤层的渗透率,采用自制的可控声震法煤层气渗流实验系统,实验研究了不加声场和加声场作用下煤样的渗透特性。实验研究得出:当轴向应力和孔隙压力一定时,随围压的增大煤样的渗透率减小;当围压和孔隙压力一定时,在煤样应力应变曲线的初始压密和弹性阶段,渗透率随轴向应力增大而减小。在应变硬化阶段,因试件体积膨胀渗透率随轴向应力增大而增大;在相同轴向应力、围压、孔隙压力条件下,声场作用能提高煤样的渗透率,且渗透率随作用时间的增长而增加。研究结果表明:渗透率与平均有效应力呈负指数关系,声震法提高煤储层渗透率的机理主要源于声波的机械振动和热效应,研究成果为低渗透煤层提高煤层气抽采率探索出一条新的技术和方法。     

三交河煤矿煤体注水及自动加液装置应用研究

通过煤体注水数值模拟表明,当在一定压力作用下钻孔注水时,其渗透范围随着孔径、注水时间的增大而增大,埋深对其影响不大;但对水流渗透影响最大的为岩层中节理、裂隙的发育程度,当节理裂隙较为发育时,水流可渗透到整个煤层.通过现场注水试验,三交河煤矿504工作面进行煤体注水完全达到了煤层内含水率增加1％的要求,总尘浓度降低了65...     

深部采动破断煤岩体中瓦斯运移与富集机理及规律

(1)使用自主研发的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置对平煤十矿及十二矿现场采取的原煤进行了进行了不同温度、不同有效应力和不同瓦斯压力条件下的渗流测试。当有效应力保持恒定,渗透率随着温度的升高逐渐降低;相同温度条件下,有效应力越大,渗透率越小;当瓦斯压力保持恒定时,渗透率随着温度的升高逐渐降低。(2)在含瓦斯煤热流固耦合问题中,提出了含瓦斯煤的应力场、渗流场及温度场耦合方程。(3)利用"多场耦合煤矿动灾害大型模拟试验系统"进行了0.1~0.4 MPa瓦斯压力下常规加载及3种不同开采方式大尺度煤岩的渗流实验研究,煤样的尺寸为长1 050 mm×宽410 mm×高410 mm。常规加载大尺度煤岩渗流试验看出随着时间的增加,煤样的应变随着应力的改变而改变,瓦斯流量与轴向应力、体积应变有较好的对应关系;当到达应力峰值后,随着轴向应力的降低,轴向应变与体积应变略微减小,流量增加,但增加幅度不大。(4)对现场取得的岩石样品进行卸围压试验,同时测定其渗透能力。根据CT扫描成果,卸围压达到的峰值强度后,大部分原煤试件内部形成单斜破坏的裂隙面,该裂隙面的剪切破坏使原煤样出现整体破坏。(5)在重庆大学国家重点实验室的旋转模型试验台上进行了基于平煤十矿戊9-10煤层与平煤十二矿己15-17200采煤工作面特点的相似模拟实验研究。(6)在平煤十矿北翼东区戊组设置瓦斯专巷,施工钻孔,利用CXK6-Z矿用本安型钻孔成像仪对钻孔中裂隙发育情况进行扫描,并统计裂隙场发育情况;采用UDEC软件进行数值模拟,对己15-17200采面覆岩裂隙场演化规律进行研究并分析其开采对戊9-10煤层的影响。结果表明,十二矿己15煤层覆岩裂隙带高度为100.0~109.5 m,综放工作面覆岩破坏范围的形态呈现出两边高中间低的类似马鞍形。(7)采用"远程顶板瓦斯抽采专用巷道下向钻孔法"、抽采垮落拱上方卸压区内瓦斯的"顶板走向钻孔法"与"本层机风巷瓦斯预抽"相结合的方法,使处于煤层采动影响卸压区范围内的瓦斯得到全面安全高效的抽采。通过优化设计可提高瓦斯抽采率17.52%。     

应力加卸载作用下软硬原煤瓦斯渗透规律

使用自行改装的"瓦斯渗透模拟实验系统",在不同瓦斯压力条件下,对同一矿井的软硬原煤试件的瓦斯渗透特性进行研究。结果表明:应力加载阶段,随着应力的增加2种煤样试件的渗透率均呈减小趋势,且加载初期渗透率的降幅最大,当加载围压从0升到4 MPa时,硬煤与软煤的渗透率平均下降69.7%,73.3%;应力卸载阶段煤样渗透率随着应力的减小而增加,围压完全卸载后2种煤体的渗透率分别恢复到其初始值的22.6%,47.8%;同样的应力条件下,有效应力的增加对硬煤的影响作用大于煤基质收缩,渗透率随着其内部瓦斯压力的增大而增大,而对软煤则相反。实验结果可为煤体"卸压增透"效果最佳化提供参考,进一步完善低渗透率煤层的瓦斯抽采理论及方法体系。     

低透气性煤层的渗透率试验与瓦斯抽采技术

为揭示渗透率及孔隙率结构对低透气性煤层瓦斯抽采的影响,采用理论分析和试验研究方法,针对集贤煤矿9#煤层西二采区四片工作面瓦斯异常涌出与浓度超限的问题,在对工作面瓦斯的来源和向斜构造对瓦斯赋存的影响分析的基础上,实验室采用自压式三轴渗流测试装置测定了不同方向煤样试件的渗透率,应用低场核磁共振测试系统对孔隙结构分布规律进行研究,采用径向流量法对透气性系数进行测定.研究结果表明:煤层渗透率随瓦斯压力增大而降低,且表现出各向异性特征;煤层孔隙发育程度低,则渗透率降低,瓦斯渗透能力较差,吸附瓦斯含量较大,揭示了渗透率对低透气性煤层瓦斯抽采和抽采率影响较大.研究结论对低透气性煤层卸压增透措施和瓦斯抽采钻孔参数的选择具有理论指导意义.     

水射流卸压增渗及抽采瓦斯效果的渗流力学数值解

为提高低渗煤体的瓦斯抽采性能,以重庆天府三矿为研究目标区,采用低温液氮吸附法和压汞法测定了煤层孔隙结构,分析了重庆天府矿区煤体低渗的原因,结果表明,煤体孔隙多为两端开口的平板状、管状孔,孔隙的连通性好,压汞渗透率是原位煤体渗透率的2×105倍,煤体孔隙本身的渗透性较好,煤层低渗为高地应力所致。进行了底板穿层钻孔高压水射流卸压增渗试验,试验表明,卸压后煤层渗透率增加了90倍,抽采率从17%提高到了58%,抽采量增加了4.8倍。建立了瓦斯抽采的渗流力学方程,解算了卸压增渗透前后的不同抽采时间条件下的抽采半径,优化了合理布孔间距、抽采时间,为水射流卸压抽采瓦斯效果评价提供了理论指导。     

含瓦斯煤岩流固耦合渗流数值模拟

为研究含瓦斯煤岩体长时效应及变形规律,采用理论推导与数值模拟的方法,利用含瓦斯煤岩变形理论与瓦斯渗流的基本理论,假定煤岩渗透率与体积应变正相关,推导获得体积应变与渗透率理论关系;利用COSOL Multiphysics软件,数值模拟研究了含瓦斯煤岩流固耦合的全过程,得到了含瓦斯煤岩渗流特性.研究结果表明:理论推导的体积应变与渗透率的关系式是合理的;当含瓦斯煤岩处于弹性阶段,煤岩体的渗透率随体积应变的增大而增大.研究结果对煤层瓦斯抽采参数设计具有重要的理论意义.     

穿层钻孔水力压裂增透技术试验研究

张集煤矿13-1煤为深埋高地应力松软低透煤层,瓦斯预抽时间长且残余瓦斯含量超标,为提高煤层透气性,提高瓦斯抽采效率,采用理论分析、现场试验的方法对低透气性煤层水力压裂增透理论及技术进行了研究。研究结果表明:试验区域经水力压裂后,煤体瓦斯压力由原始煤体瓦斯压力1.05MPa降低至0.5MPa,煤层透气性系数提高了6.17倍,水力压裂影响半径沿倾向35m、沿走向50m,且目标区域煤层瓦斯预抽达标时间相比未压裂时缩短了35.8%,穿层钻孔水力压裂起到很好的增透增流效应。     

补白$单一低透煤层水力压裂增透技术试验研究

针对单一低透煤层瓦斯抽采浓度低、衰减快、瓦斯抽采困难等问题,提出了水力压裂增透技术.研究了水力压裂钻孔壁煤体起裂所需最小注水压力,分析了水力压裂过程中注水压力、流量等参数随注水时间动态变化特点,并对压裂前后煤层透气性系数变化和瓦斯抽采效果进行了考察.结果显示:实施水力压裂后,影响区内煤层透气性系数提高了20.32倍,平均瓦斯抽采浓度和纯量分别提高了4.1倍和5.1倍,水力压裂增透效果显著.     

单一低透煤层水力压裂增透技术试验

针对单一低透煤层瓦斯抽采浓度低、衰减快、瓦斯抽采困难等问题,提出了水力压裂增透技术.研究了水力压裂钻孔壁煤体起裂所需最小注水压力,分析了水力压裂过程中注水压力、流量等参数随注水时间动态变化特点,并对压裂前后煤层透气性系数变化和瓦斯抽采效果进行了考察.结果显示:实施水力压裂后,影响区内煤层透气性系数提高了20.32倍,平均瓦斯抽采浓度和纯量分别提高了4.1倍和5.1倍,水力压裂增透效果显著.     

具突出危险原煤瓦斯渗流特性试验

采用自主研制的三轴瓦斯渗透仪进行了原煤试件在固定瓦斯压力下,不同围压和轴向压力的瓦斯渗流实验。实验结果表明,随着围压的增加,原煤煤样的渗流速度呈下降趋势,这种影响对原始损伤严重的煤体更加明显,并建立了渗流速度围压二次函数关系的一般表达式。原煤煤样的渗流速度应变关系类似于应力应变关系,因此,可以利用原煤渗流速度的变化间接反映煤体的受力损伤演化过程,有效应力对原煤煤样的渗流速度影响总体上可以分为敏感阶段和平缓阶段,在敏感阶段,煤样的渗流速度变化大,而在平缓阶段,煤样的渗流速度变化小。在不同的应力条件下,煤体中孔隙裂隙发育程度和开闭程度不同,影响煤体内的瓦斯内能和弹性变形能,也影响煤体的破坏形式。     

变温条件下深部煤层瓦斯分布规律的数值模拟

深部煤层瓦斯运移过程及分布规律与温度场、瓦斯渗流场及应力场耦合密切相关.基于深部煤层瓦斯运移的热流固耦合模型,结合实际的煤层条件和实测数据,开展了煤层瓦斯赋存规律的数值模拟,研究了瓦斯压力和瓦斯含量分布规律的影响因素.结果表明:煤层渗透率是影响瓦斯压力分布的主要因素,其中煤体的有效应力系数、初始孔隙率、弹性模量以及吸附应变系数均对渗透率有着重要的影响;煤层瓦斯含量受瓦斯压力和煤层温度的共同影响,不考虑煤层温度预测得到的瓦斯含量结果偏大.     

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。     

二氧化碳置换甲烷试验中渗透率变化研究

为研究煤层注CO2置换CH4过程中煤样对气体的吸附特性及渗透率变化特征,利用沁水盆地圆柱体原煤试样,在恒定体积应力(36 MPa)及不同注入压力(1~5 MPa)条件下,进行CO2置换CH4试验。结果表明:煤体对CO2的渗透率高于CH4气体;置换试验中,随注入压力的降低,煤体中CO2吸附相浓度逐渐升高,而CH4气体吸附相浓度呈相反变化趋势;在试验压降范围内,煤体对CO2、CH4气体的吸附量分别降低了48.73%、68.04%,煤体解吸CH4能力强于CO2气体。同时,在置换过程中,煤样置换渗透率受有效应力效应、基质收缩效应及滑脱效应等作用影响,其随注入压力的降低呈现先降低再增大的变化关系,且渗透率最低值出现在压力3.25 MPa时;在体积应力36 MPa条件下,注入压力下降后期渗透率相对于初期提高了17.03%。     

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.