煤中瓦斯解吸渗透理论及实验研究

为了研究煤层中瓦斯瓦斯吸附解吸过程和瓦斯流动规律,基于国内外现有研究理论成果,设计了瓦斯吸附解吸的实验系统,该系统主要包括温度控制系统、瓦斯吸附解吸系统和数据采集与处理系统.通过自制的煤样,实验研究了在一个标准大气压和温度30℃条件下瓦斯的解吸规律.采用动态定压解吸法进行瓦斯解吸实验,研究并指出了解吸速率与煤样粒度之间关系的规律.通过对三种不同煤样的解吸的对比分析,提出了瓦斯解吸量与时间之间的关系式,建立了煤的瓦斯解吸量的数学模型.对于改进现有的抽采方法并提高抽采水平、对于煤与瓦斯的突出预测和煤矿瓦斯灾害的防治均具有理论意义和实际应用价值.     

渗透剂溶液对瓦斯解吸促进作用的实验研究

为提高瓦斯解吸效率,利用自主设计的瓦斯解吸测定装置,进行外液后置侵入过程中的瓦斯解吸实验,分析了纯水和0.025%渗透剂溶液侵入后含瓦斯煤的瓦斯解吸规律。结果表明:渗透剂溶液能够促进瓦斯解吸,而纯水作用不明显;外液侵入后瓦斯快速解吸集中在前10 min之内,而后逐步变缓并趋于终止。该研究对解决工作面瓦斯抽采与回采之间的时间制约问题具有一定的参考价值。     

含瓦斯煤岩导电特性研究综述

随着我国煤炭开采及瓦斯抽采向更深层开发，对含瓦斯煤岩的导电特性评价技术要求更高，尤其是利用导电性预测深部高瓦斯煤岩层。本文系统梳理了近年来国内外含瓦斯煤岩导电性（煤电阻率）研究的相关文献，着重分析了应力变化、孔隙特征、变质程度以及煤岩吸附和解吸瓦斯过程中煤电阻率的变化机理，得出主控因素有：导电方式、残余形变、水-气置换等。为了实现从定性划分瓦斯带分布到定量计算瓦斯含量、煤矿安全开采过程中高瓦斯带预警以及瓦斯抽采过程中瓦斯含量精准预测，应从地球物理测井角度出发，深入剖析煤岩瓦斯含量与电阻率变化量间的定量关系，明确含瓦斯煤岩的导电机理，将是未来该领域的研究方向和发展趋势。     

水锁抑制工作面瓦斯超限机理实验研究

在煤矿开采中,回采工作面落煤时的瓦斯大量涌出常常导致工作面瓦斯超限频繁,针对回采工作面的瓦斯超限问题,采取降压解吸的方法分别进行了无外液侵入、质量分数为0.0%渗透剂溶液(即纯水)和质量分数为0.025%JFC渗透剂溶液侵入条件下瓦斯解吸对比实验,获得了瓦斯解吸实验数据和曲线。结果表明:无论有无外液侵入,含瓦斯煤体的瓦斯压力越大,瓦斯解吸量越大;与无外液侵入煤样相比,有外液侵入煤样在不同压力点下的瓦斯解吸量都有不同程度的降低,特别是喷洒0.025%的JFC渗透剂的瓦斯解吸量降低效果更好;实验验证了渗透剂能在短时间内形成对煤瓦斯解吸的水锁封堵效果。可结合实际通过抽采+水锁或采前向煤体注液形成水锁的方法来抑制瓦斯释放量和瓦斯释放速度,进而解决回采工作面存在的瓦斯超限问题。     

不同注水压力条件影响含瓦斯煤解吸特性实验研究

为了研究不同注水压力条件影响含瓦斯煤的解吸特性,利用自主研制的高压注水煤层气恒温解吸试验台,对含瓦斯煤在自然解吸和不同注水压力条件下的解吸特性进行了实验研究,并结合孔隙结构特征对其影响机理进行了讨论分析。结果表明:(1)加压注水抑制了含瓦斯煤的解吸效应,瓦斯累计解吸量和解吸速度均降低;(2)注水改变了煤体的孔隙结构特征,总孔容、平均孔径、孔隙率都出现显著增大;(3)压力水扩孔产生的毛细管力降低作用小于孔隙尺度变小产生的毛细管力增加作用,从而抑制了瓦斯解吸。     

不同质量分数渗透剂溶液侵入对瓦斯解吸影响的实验

针对含瓦斯煤体中瓦斯解吸问题,利用自主设计的外液侵入条件下瓦斯解吸测定装置,首次证实了外液对瓦斯解吸促进作用的存在,分析了竞位脱附和毛细静力驱动两方面原因,指出渗透剂溶液对瓦斯解吸的促进效果随着其质量分数的增加而越发明显,以及对瓦斯解吸促进作用只发生在一段时间内的规律,并结合工作面瓦斯抽采提出了提高瓦斯解吸效率的具体措施与实施途径.该研究对解决工作面瓦斯抽采与回采之间在时间上相互制约问题具有一定的参考应用价值.     

空化水射流声震效应强化煤层瓦斯解吸渗流的实验

针对含瓦斯煤层微裂隙、低透气性、高吸附的赋存状态以及煤层瓦斯难抽采的问题,提出了利用空化水射流声震效应强化瓦斯解吸渗流的方法.本文研究了空化水射流声震效应促进煤层瓦斯解吸渗流的机理,对空化声震效应作用下煤样的解吸渗流特性进行了对比实验研究.实验表明:在空化数为0.020 0的条件下,空化声震效应作用下的煤样瓦斯解吸量增加36.9%,解吸时间缩短19.6%,空化声震效应作用效应下瓦斯的渗流速度明显增大,可达0.383 3 mL/s,提高率为35.3%.     

软煤顶板水力压裂措施瓦斯运移机理

为改善软煤瓦斯抽采效果,开辟软煤瓦斯抽采新途径.应用现场试验的方法,在河南某矿区进行压裂顶板的瓦斯抽采试验,对瓦斯的抽采效果和运移机理进行了分析研究.结果表明:压裂后的瓦斯自然流量、浓度和纯量指标均取得了大幅度的提高,瓦斯抽采取得了良好的效果;基于现场实验结果,对瓦斯的运移机理进行了研究,当储层压力降低到瓦斯临界解吸压力后,瓦斯开始解吸,在煤体中主要通过扩散的方式运移至顶板裂隙,经顶板裂隙渗流汇集至钻孔,由钻孔将瓦斯抽出.     

渗透剂溶液水锁效应对瓦斯解吸影响实验研究

 针对回采工作面瓦斯超限问题,利用自主研发的外液侵入条件下瓦斯解吸实验装置,开展了有、无渗透剂溶液侵入条件下的瓦斯解吸对比实验,获得了相关实验数据和瓦斯解吸曲线,据此分析了外液侵入对瓦斯解吸的影响。结果表明,无论有无外液侵入,含瓦斯煤体所处的瓦斯压力水平越高,其瓦斯自然解吸量越大,瓦斯解吸主要集中在前1h内;在外液侵入后,能够在含瓦斯煤体中产生水锁效应,从而降低瓦斯的释放量并延缓瓦斯的释放速度;利用水锁效应防止工作面瓦斯超限具有可行性,可结合实际通过煤层注液和落煤过程中喷洒渗透剂溶液两种途径予以实施。     

温度变化对煤体瓦斯吸附量影响规律的实验研究

通过对含瓦斯煤层瓦斯气体温度场分布规律研究,提出了煤层中总的瓦斯含量方程中α值的假设与猜想。经过实验,分别研究了定压条件与升压条件下温度改变对煤与瓦斯吸附的影响规律,得到煤体在不同温度下瓦斯的吸附以及渗流规律。实验应用WY98-A型瓦斯吸附解吸仪器,通过研究煤与瓦斯吸附在温度改变的环境下的规律,以及所选煤样在吸附饱和后随温度变化的函数关系,并对瓦斯吸附的饱和吸附量进行了数学拟合,得到其函数关系式。为煤层瓦斯储量计算,及不同阶段瓦斯抽采量计算提供了科学依据。     

煤层瓦斯吸附解吸过程中温度信号的小波去噪方法

研究地应力与瓦斯压力共同作用下煤体吸附解吸煤层瓦斯时的温度演化趋势有重要意义,但也发现实验数据因含有较多的噪声而很难获得其真实信号,为此,针对不同实验条件下获得的煤体吸附解吸煤层瓦斯时的温度信号演化的特点,拟采用基于MATLAB的小波去噪方法剔除噪声还原真实信号,以得到真实温度演化曲线。通过对几种常用小波基函数和不同分解层数的对比分析,选用了消失矩阶数较高、光滑性较好的sym8小波基函数中的8层分解,其重构后的温度信号基本去除了高频的噪声信号,且较好地保留了低频以及平稳信号。结果表明,其去噪效果较好,能够较好地反映煤体在吸附、解吸煤层瓦斯过程中温度的演化规律。     

压降及储层压力与煤变形的相关性研究

为了进一步完善解吸瓦斯煤体变形机理,探讨压降和储层压力对煤解吸瓦斯的影响,采用原煤试件,进行了不同储层压力和压降的煤解吸瓦斯变形实验。实验结果表明,解吸达到平衡所需时间与储层压力及压降呈正相关关系;降压0.3 MPa时,收缩应变随储层压力的增加而减小;降压至大气压时,收缩应变随储层压力的增大而增大,储层压力0.9 MPa的大于储层压力0.6 MPa的大于储层压力0.3 MPa的;当储层压力相同时,收缩应变随压降的增大而增加;当储层压力较小时,大压降储层瓦斯解吸量大于小压降储层瓦斯解吸量。     

水驱气中驱动液侵入对瓦斯解吸的影响

针对水驱气的实施时间和驱动液的选择问题,利用外液侵入条件下含瓦斯煤的瓦斯解吸实验装置,开展了纯水和质量分数为0.025%JFC渗透剂溶液侵入过程中和侵入后对瓦斯解吸影响实验研究。结果表明:在煤层高压注液过程中对瓦斯的解吸和运移具有促进作用,且促进作用的表现程度与液体的性质有关,而在注液之后则对瓦斯解吸与释放具有延缓与阻碍作用。为了充分利用上述两种作用,在水驱气的实施时间上宜选在抽采末期,而在驱动液的选择上则宜在纯水中添加一定量的渗透剂,变"水驱气"为"液驱气"。在抽采钻孔利用上,注液孔与抽采孔宜分开使用。该研究可以为水驱气的利用提供参考。     

含瓦斯软弱煤三轴力学特性试验

以由具有突出倾向的软弱煤制备的型煤试件为研究对象,对围压、瓦斯压力二因素对含瓦斯软弱煤的力学特性影响进行了系统研究.试验结果表明:围压对含瓦斯软弱煤的力学性质具有明显影响,随着围压的增大,含瓦斯软弱煤的压密阶段不明显且三轴强度逐渐增加;围压对含瓦斯软弱煤弹性模量影响不明显,对应力应变曲线形状影响亦不明显.随着瓦斯压力的增加,煤样强度呈减小趋势;围压较小时,含瓦斯软弱煤强度受瓦斯压力影响较显著,而围压较大时影响较小;瓦斯压力对含瓦斯软弱煤的杨氏模量影响不明显,且对煤样进入屈服阶段的变形量影响亦不明显;瓦斯压力对煤样具有显著的力学影响,而且也存在明显的化学作用;含瓦斯软弱煤的应力应变曲线可由二次曲线表征,并认为瓦斯压力影响可归结为等效围压效应.     

地勘取芯过程中煤的瓦斯解吸规律研究

利用地勘取芯过程煤样瓦斯解吸模拟装置,研究了泥浆介质中煤的瓦斯解吸规律,针对瓦斯压力、泥浆压力、提钻速度及煤样粒度等因素进行了一系列煤的瓦斯解吸模拟实验,得出了地勘取芯提钻过程中煤芯瓦斯解吸的初始条件(0.01MPa≤Pmud-PCH4≤0.15MPa)、不同影响因素与瓦斯解吸的关系及非等压过程泥浆介质条件下煤芯瓦斯解吸特征。实验表明,在非等压过程泥浆介质条件下煤的瓦斯解吸曲线呈现出类宽缓型S形态或类双曲正切函数thx=(ex-e-x)/(ex+e-x)形状。     

煤层气等温吸附曲线形态对产气量的影响

为了了解煤储层Langmuir压力和Langmuir体积参数以及临界解吸压力对煤储层气产量的影响,通过对Langmuir方程的分析,利用储层数值模拟的方法,研究了Langmuir参数与气产量的关系。结果表明:气产量与煤储层本身的性质参数Langmuir压力和Langmuir体积有关。在开采初期,Langmuir压力和Langmuir体积越大,对产气越有利;而在开采后期,Langmuir压力越小,对产气越有利。该成果对本身性质不同的煤储层的煤层气产量的预测具有一定的参考价值和指导意义。     

不同地应力条件下平行钻孔抽采瓦斯运移特性实验分析

利用自主研发的"多场耦合煤层气开采物理模拟实验系统",开展了不同地应力水平下平行钻孔瓦斯抽采的物理模拟实验,研究结果表明：1）平行钻孔瓦斯抽采中,抽采前期压降曲线斜率大,中、后期压降曲线斜率相对较小,并且相邻抽采管之间瓦斯解吸速率较边界抽采管快,任意时刻平行或垂直抽采管方向气压变化值均关于抽采管对称,离抽采管抽采段越近,瓦斯解吸速率越快,瓦斯解吸速率与距离抽采管连接段远近无关;2）瓦斯抽采中,随着地应力增加,瓦斯解吸速率减缓,压降漏斗收缩变小,瓦斯有效解吸面积变小,且地应力对消除突出危险区域出现时间影响差异不明显,但随着地应力增加,消突范围渐缩小;3）瓦斯抽采中,瞬时流量随时间演化可分为急速升高、快速衰减和极限抽采三个阶段,并且随着地应力增加,瞬时流量峰值减小,瞬时流量衰减速率减缓,瓦斯累积流量降低,累积流量增长速率减缓,抽采效率降低。