煤的渗透性实验研究

通过对南桐煤田煤样的渗透率进行实验研究，探讨了地应力、解吸瓦斯、温度、煤中水分对瓦斯渗透的影响。     

基质收缩效应对含瓦斯煤渗流影响的实验分析

以山西晋城煤业集团赵庄矿和寺河矿的煤层原煤为研究对象,利用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置,通过保持有效应力恒定以消除其引起的渗透率变化,并同时考虑到滑脱效应对渗透率的影响,进行了He和CH4在不同气体压力条件下煤渗透率的平行实验,定量考察了煤基质收缩效应对煤岩渗透率的影响。实验结果表明：1）在低瓦斯压力条件下,煤渗透率表现出较显著的滑脱效应,且随着瓦斯压力的增加,煤样的渗透率呈现出先减小后增大的趋势,赵庄矿和寺河矿煤样的滑脱效应拐点均为0.9 MPa左右;2）当有效应力恒定时,随着瓦斯     

不同应力水平下煤的渗透率演化规律研究

在煤钻进时,井周裂隙发育,钻井液易侵入井周附近地层,影响井周应力分布。准确确定不同应力水平和损伤程度下的煤渗透率是定量计算煤井壁损伤区应力变化,进而分析煤层井壁稳定性的关键。针对长畛矿3#煤,利用MTS816电液伺服岩石试验系统进行不同渗透水压和围压条件下的全应力-应变过程渗流特性试验研究,测定了煤渗透率随应力水平和损伤程度的变化规律。根据分析结果,将渗透率随加载应力增加的变化分为两个阶段:稳定下降阶段与急速上升阶段,建立了煤的渗透系数演化方程;并印证了推导的理论曲线能很好地对应实验结果。     

有效应力对不同阶煤渗透率影响的差异性分析

 通过不同阶煤储层渗透率应力敏感性实验,对比分析了有效应力对不同阶煤渗透率影响的差异。结果显示,在相同有效应力变化范围内,低阶煤渗透率下降幅度大于中、高阶煤;低、高阶煤渗透率变化较中阶煤更符合指数函数变化规律;低有效应力阶段,低阶煤渗透率损害系数、应力敏感系数大于中、高阶煤;相同有效应力下,低阶煤割理压缩系数大于中、高阶煤;不同煤阶割理压缩系数随有效应力增加呈现下降趋势,不应将其视为常数。应力敏感性评价参数拟合结果显示,中、低阶煤渗透率损害系数、割理压缩系数符合指数函数变化规律,高阶煤渗透损害系数、割理压缩系数符合线性函数变化规律;不同阶煤渗透率应力敏感系数均符合指数变化规律。     

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。     

煤的瓦斯渗透性影响因素的探讨

对南桐煤田煤样的渗透率进行了实验室研究，探讨了瓦斯的解吸特性、温度、煤中水分对瓦斯渗透的影响，结果表明，在瓦斯无解吸的情况下，瓦斯压力降低，煤的渗透率也降低，然而在解析瓦斯压力作用下，煤对瓦斯的渗透率会增加，煤样瓦斯的渗透率的对数与温度成线性关系。含水煤样的渗透率明显低于干煤样的渗透率，随着含水量的增加，煤样瓦斯的渗透率减小。     

考虑温度和滑脱效应的煤渗流应力耦合模型

温度变化、滑脱效应、有效应力等对煤层变形和瓦斯流动耦合机制的影响规律是煤层瓦斯突出灾害防治、煤层气抽放设计等工程中的关键。从吉林华兴矿取原煤,粉碎后制备型煤试样,利用自行研制的三轴渗流应力温度耦合实验装置开展了三轴气渗流试验,研究了孔压、有效应力及温度对型煤渗透率的影响规律,结果表明:1)低孔压条件下,随着孔压增加煤样渗透率减小,当减小至某一临界值后,渗透率再随孔压增加而缓慢增长,即表现为所谓的滑脱效应。2)有效围压对煤的渗透率有很大影响,围压增加,煤样所受有效应力增大,煤样内的孔隙和裂隙空间被压缩,瓦斯的渗流通道变窄,渗透率降低。3)温度变化对煤的渗透率有显著影响,温度升高,煤的渗透率降低。这主要是由于温度升高使得煤样体积膨胀,由于周围的约束使得煤样内部出现温度压应力,煤的孔隙和裂隙空间被压缩,试样的渗透率降低。同时,温度升高使得甲烷气体黏性增强,加剧了煤的渗透率降低的趋势。温度变化对煤渗透率的影响近似服从线性关系。4)建立了考虑温度变化、有效应力及滑脱效应影响的煤渗透率演化方程。将煤视作弹性介质,结合有效应力原理和本文的煤渗透率演化方程,建立了考虑温度变化、滑脱效应影响的煤变形和瓦斯流动耦合数学模型,在Matlab软件下开发了相应的有限元程序。通过数值算例研究了温度变化和滑脱效应对煤变形和瓦斯流动的影响规律,结果表明:1)若不考虑温度变化和滑脱效应的影响,将偏于低估瓦斯流动能力,在煤变形和瓦斯流动耦合分析中应考虑温度变化和滑脱效应的影响。2)本文建立的模型能较好地考虑温度变化、滑脱效应和有效应力对煤层瓦斯流动的影响,从而为煤层瓦斯运移预测提供了一个新的思路。     

南桐煤的导电性质研究

对南桐煤田的青年矿煤样、南桐矿煤样及鱼田堡矿煤样的导电性质进行了实验测定和理论研究。研究表明,在实验电场强度范围(3.3×10~3～1.7×10~5v/m)内,煤的电阻率是外加电场强度的函数,随着外电场强度的增高,煤的电阻率将下降。实验结果还表明,煤的变质程度越高,其导电性也越好。     

长期荷载作用下煤层渗透率演化规律的试验分析

利用三轴渗透装置开展了不同环境温度和不同有效应力条件下长期荷载作用前后含瓦斯煤的渗透率演化试验研究,并在此基础上分析了长期荷载作用前后煤样渗透率对有效应力以及环境温度的敏感性。研究结果表明:环境温度一定时,长期荷载作用前后含瓦斯煤渗透率都将随有效应力增加而降低,且其有效应力敏感性也降低,而当有效应力一定时,含瓦斯煤渗透率及其环境温度敏感性都将随着环境温度的增加而降低;长期荷载作用前后渗透率差在不同环境温度和不同有效应力条件下的变化也存在差异,体现出较强的热力流耦合效应;长期荷载作用前后,环境温度敏感性系数差将随有效应力的增加,先是增加然后减小,在有效应力为4.3 MPa左右变为负值,有效应力敏感性系数差将随环境温度的增加减小,在26℃左右以后变为负值。     

组合煤岩渗透规律试验研究

为探究煤岩中CH_4的渗透规律,以试验研究为主要手段,结合敏感性分析,利用自主研发的试验系统,对煤、砂岩以及不同煤岩比的组合煤岩体试件,开展了考虑体积应力和孔隙压力影响的渗透规律试验研究.研究结果表明:当孔隙压力恒定时,随着体积应力的递增,无论是煤、砂岩还是组合煤岩,渗透率都会呈现出递减的趋势;通过进行敏感性分析发现试件的渗透率变化率和孔隙压力敏感系数均与煤岩比有关.在低体积应力条件下,试件煤含量越高,孔隙压力对渗透率影响越明显,并且对孔隙压力变化越敏感;煤岩比对组合煤岩中CH_4的渗透率有较大影响,对含煤量高的煤岩试件增加孔隙压力可有效提高CH_4渗透率.     

煤的结构模型及其电极化特征的研究

研究了采自四川鱼田堡、南桐和青年等三个煤太和的煤样的大分子结构，建立起了煤的结构模型。在此基础上对煤在外电场的极化特征进行了实验研究和理论分析，结果表明，转向极化和空间极化是引起通过煤样中的电流发生衰减的本质原因，且空间极化是煤极化的主要形式。     

南桐矿区构造对破坏煤发育的控制

在详细研究南桐矿区破坏煤发育规律的基础上,论述了矿区构造对破坏煤发育的控制。具体表现在以下几个方面：（１）构造应力是造成煤层破坏的直接因素;（２） 破坏煤是构造运动过程中压剪变形的产物,是构造演化过程中逐渐形成的;（３） 煤层厚度、煤层在煤系剖面中的位置、煤层倾角和断裂发育情况控制了破坏煤的横向和纵向变化,其它因素的影响居次要地位。     

变形场、煤化度和外加电场对甲烷在煤层中渗流的影响

研究了变形场、煤化度和外加电场对煤物质中甲烷气体渗流的影响.结果表明,外加应力(应变)越大,渗透系数越大;当外加应力相同时,煤化程度越高,渗透系数越小;外加电场越强,渗透系数越大.得到地应力和电效应下的一维达西定律修正式.     

电场对煤瓦斯吸附渗流特性的影响

为了探讨地电场对包含在煤层中的瓦斯气体的储存、运移的作用以及如何利用电场采促进煤层气的渗流从而达到提高中国低压低渗煤层的煤层气抽放率等问题，研究了电场对煤瓦斯吸附渗流特性的影响．研究表明：静电场对煤瓦斯吸附特性的影响关键在于静电场的焦耳热效应使煤瓦斯系统温度升高和静电场增加煤表面吸附势阱的深度2种因素竞争的结果，当静电场增加煤表面吸附势阱深度占主导地位时，静电场使煤对瓦斯的吸附量增加，当静电场的焦耳热效应逐渐占主导地位时，静电场使煤对瓦斯的吸附量减少；外加静电场促使煤中瓦斯的渗流；交变电场作用使煤对瓦斯的吸附量减少；交变电场作用促使煤中瓦斯的渗流．     

南桐煤矿扭褶构造的展布规律及对煤与瓦斯突出的控制

本文对南桐煤矿扭褶构造这一特殊构造类型的形态及展布规律进行了研究与总结，揭示出扭褶构造带就是煤与瓦斯突出集中带，并对扭褶构造控突的原因作了分析。为矿井利用扭褶构造预测未采区域的煤与瓦斯突出带提供了理论依据，对指导安全生产有实际作用。     

矿区岩体应力状态对瓦斯突出区域分布的影响

基于地质动力区划方法,建立区域地质构造模型,以岩性分布和地应力测量为边界力学条件,确定了矿区区域岩体应力分布规律:矿区区域岩体应力状态主要受断裂构造的控制,断裂构造的叠加扰动使原岩应力场重新分布.鹤壁六矿岩体应力状态对煤与瓦斯突出区域分布的影响分析,结果表明:构造应力场对煤与瓦斯突出起控制作用,构造应力区的分布决定了煤与瓦斯突出的区域性分布.这为矿井煤与瓦斯突出区域预测、局部检测和解危提供了理论参考.     

煤电极化性质的分形特征

无序材料中荷电载流子介电响应是分形时间过程和分形结构上的导电性引起的,而中低变质煤属于一种结构无序材料。作者据此利用时间分形几何理论对煤的电极化性质进行了进一步的探讨。结果表明,煤在恒电场中的电极化性质具有分形特征,极化参数b与分形时间维数的关系为：Dt=kb,且常数k可能与煤的变质程序有关。     

煤吸附解吸电磁改性及定量分析

用容量法对焦作朱村矿变质无烟煤在不同频率的交变电磁场中吸附解吸特征进行了研究。实验结果表明：不同频率的交变电磁场作用下，煤吸附C02、N2仍旧符合Langmiur方程；交变电磁场减弱了煤的吸附能力，减小了吸附常数b值，但饱和吸附量(a值)基本上不变．是典型的表面改性现象，并从量的角度分析其改性的程度。     

音频电透视在煤层底板富水性预测中的应用

音频电透视技术是矿井防治水工作的主要物探手段之一,利用音频电透视的基本原理及底板局部富水体对点源场的电位影响特征,对淮北刘东煤矿工作面煤层底板富水异常区进行了探测,确定了不同深度范围内岩层视电导率的分布特征及富水性,为煤矿底板防治水工程设计提供依据。