不同煤体结构高阶煤基质的甲烷吸附实验研究

为研究不同煤体结构高阶煤基质的甲烷吸附特征,降低在地下开采构造软煤层时,发生煤与瓦斯突出风险;提高构造软煤层煤层气的地面采集效果。文中采用实验研究的方法,对沁水盆地南部寺河矿主采3~#煤层中的构造变形煤进行了分类描述、显微煤岩组分的定量观测、真密度的测定和工业分析,并以甲烷气为吸附质通过等容量法高压吸附实验,分析了不同煤体结构高阶煤基质的吸附特征差异。结果表明:寺河矿高阶煤层变形以脆性变形为主,主要煤体结构可分为原生结构、碎裂结构、碎斑结构、碎粒结构,局部出现碎粉煤;在相同的温度、粒度、吸附平衡压力等条件下,高阶煤基质对甲烷的吸附能力:原状煤碎粉煤碎裂煤碎斑煤碎粒煤。即在一定构造破坏范围内,高阶煤基质对甲烷的吸附能力,表现出随构造破坏程度的增加而降低的特征;而当煤体构造破坏超出这一范围,即达碎粉煤阶段后,吸附能力又有所提高,介于原状煤与碎裂煤之间。     

含瓦斯煤的有效应力与力学变形破坏特性

本文在含瓦斯煤的力学变形与破坏机制理论分析和实验基础上,提出含瓦斯煤的变形与破坏受双重有效应力作用,本体应力决定煤的本体变形性质,而结构有效应力则决定煤的结构变形性质,修正了Karl Terzaghi多孔介质有效应力计算公式,揭示了等效有效孔隙压力系数在含瓦斯煤全程应力应变过程中的变化规律;分析了煤吸附瓦斯后含瓦斯煤强度降低的机理,根据含瓦斯煤变形特征,提出了控制煤与瓦斯突出的途径和方法。     

构造煤微观孔隙结构形态学特征及定量分析

研究构造煤结构有助于深入理解煤与瓦斯突出易发区储层瓦斯赋存及运移规律,而从微观形态学结构角度精细定量化表征的研究相对较少。本文通过原子力显微镜、压汞法和物理吸附法开展构造煤和原生煤的三维表观形貌、孔隙发育程度、孔径分布、形态特征参数及连通特性等,旨在从本质上揭示两者微观多尺度结构差异性及对瓦斯运移的影响。结果表明:构造作用促使极限吸附量增大,煤结构整体强度降低,且气体瞬间解吸能力增强;构造煤结构表面形态特性由规则纳米孔向凹凸不平条带状微裂隙转变,脆性构造变形也导致孔隙整体呈现高粗糙度且不圆润形状;不论是原生煤还是构造煤,微孔对整体孔容和比表面积均具有重要贡献,但其对构造应力敏感程度低于介孔和大孔,其中构造煤的介孔孔容和比表面积相比原生煤增幅分别约4倍和10倍,大孔也分别提升了0.008 8 cc/g和1.459 m~2/g;通过压汞法进退汞曲线及滞后环可知,构造煤中有效孔比例从76.95%降低至74.21%,导致气体自由运移空间降低,主要归因于由交联孔和半开放孔构成的限制型孔喉配置结构的大量存在;构造作用促使孔喉比和曲折度分别降低了约10%和0.5%,运移路径缩短且孔隙形态结构更加简单化;通过液氮吸附脱附曲线及滞后环可知,构造作用可能从本质上改变了孔隙形态结构特征,促使产生更多限制型孔隙配置关系,抑制了气体有效运移属性。     

平顶山十三矿构造煤分布特征研究及成因分析

构造煤是煤与瓦斯突出的重要条件之一,构造煤作为构造作用在煤层中的产物也是构造研究的重要变形标志。利用测井曲线判识构造煤,可以摸清煤体构造的结构与地质构造之间的密切联系。在平顶山十三矿已发生的三次突出中,都有构造煤的参与且构造煤厚度都在1.2m以上,因此研究构造煤的发育特征和分布规律对预测煤与瓦斯突出危险区域以及为今后指导煤矿动力灾害预测、防治具有重要的实际价值。     

煤与瓦斯突出的构造物理环境及其应用

将构造物理学的理论和方法应用于煤与瓦斯突出预测中,对地质构造控制煤与瓦斯突出机理及分布规律进行了研究,指出煤与瓦斯突出构造物理环境由构造组合特征、构造应力场、构造煤和煤层瓦斯四因素组成,探讨了煤与瓦斯突出构造物理环境各种因素控制突出的机理,提出了煤与瓦斯突出构造物理环境多种因素的综合作用控制地质构造带煤与瓦斯突出,为地质构造突出危险性判定提供了理论依据.工程实践证明,利用煤与瓦斯突出构造物理环境可以对煤与瓦斯突出进行准确地预测.     

混煤孔隙分布规律及其瓦斯吸附特性

针对混煤孔隙分布规律及其瓦斯吸附问题,运用WY-98B瓦斯吸附常数测定仪及ASAP 2020型比表面积及孔隙分析仪,对所选择的典型高瓦斯煤矿的原生结构煤及构造煤制作的混合煤样开展吸附特性测试及孔隙分布测试实验.结果表明:构造煤中的孔隙比表面积较原生结构煤体中的孔隙比表面积增大了82.29%,其中孔隙比表面积随构造煤质量变化呈先增高后降低的变化趋势,并且在构造煤与原生结构煤质量相等的条件下达到最大,同时受混合煤样中构造煤存在的影响导致混合煤样等温吸附量及Langmuir吸附常数的变化随构造煤质量的变化呈现开口向下的二次曲线的变化规律,Langmuir吸附常数随构造煤质量的变化呈现出开口向上的二次曲线的变化规律.实验结果为进一步研究不同条件下煤体的吸附特性提供了理论基础.     

南桐矿区煤层孔隙特征研究

采用扫描电镜、压汞法和氮吸附法系统研究了南桐矿区不同煤层及同一煤层不同破坏程度分层的孔隙特征。通过扫描电镜研究将煤的孔隙类型分为六种；运用压汞法和氮吸附法研究了煤的孔径分布及孔隙结构与煤的破坏程度、煤岩组成、显微结构和煤的变质程度之间的关系，取得了一些新认识。最后还对煤层的突出倾向及瓦斯抽放的难易程度进行了初步评价。     

不同变质变形煤特征对煤层气富集渗流的制约

煤岩是煤层气的主要储集层,其变质变形作用对煤层气的赋存、运移和开发都具有重要意义。本文以华北地区典型含煤区为研究区,基于现场资料分析、煤岩显微观测,孔渗测试及压汞实验分析,探讨了不同变质变形煤储层孔渗特征,并从裂隙、孔隙不同尺度探讨了不同变质变形煤储层特征及其孔、裂隙结构特征对煤层气富集渗流所起的作用。结果表明,首先,煤层气产出过程与煤储层变质变形特征密切相关;实验室测定的渗透率与试井渗透率具有可比性,一般碎斑煤大于碎裂煤;高变质弱变形煤储层和中变质弱变形煤储层煤层气的富气能力与渗流能力比较强,是煤层气富集高渗的有利储层。     

构造应力场对煤与瓦斯突出的控制作用

为了研究华北聚煤区南缘逆冲推覆构造带东北缘的区域构造应力场对平顶山矿区八矿己15煤层煤与瓦斯突出的控制作用,基于地质动力区划方法,对己15煤层顶板的岩体应力状态进行数值模拟,以应力等值线图的形式展示岩体应力的变化情况,将己15煤层顶板构造应力进行构造应力区的三级划分.分析得出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,为研究构造应力场对煤与瓦斯突出的控制作用提供了例证,为矿井开采过程中煤与瓦斯突出的预测和防治提供了依据.     

构造应力与煤与瓦斯突出

用原岩应力测量确定了平顶山矿区应力场性质,用瓦斯地质学方法研究了地质构造,岩体应力状态对煤和瓦斯突出的影响,指出构造应力和地质构造形式对煤和瓦斯突出具有控制作用。     

贵州黔北地区构造煤与原生结构煤孔隙特征及分形

为了研究煤体在构造作用影响下孔隙结构与分形特征,本文采用低温氮气吸附法、压汞实验等方法,并结合分形理论对三甲煤矿突出孔洞内外煤样孔隙分布进行定量分析。通过MIP与N2GA联合分析,软硬煤临界孔径分别为59nm和86nm。硬煤孔容主要分布在100nm以下的孔隙中,构造煤各孔容分布差异不大,其中中孔和大孔孔容明显高于硬煤,并且构造煤比表面积比硬煤增大4倍多,孔容多出24.5%。根据分形理论分析发现,构造煤渗流孔和吸附孔分形维数分别为3.03和3.77均高于原生煤3.01与3.72;构造煤热力学分形维数高达2.916,构造煤具有更加复杂的孔隙结构和更加粗糙的孔隙表面。     

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.     

皖北前岭煤矿瓦斯动力现象的基本特征

总结分析了皖北前岭煤矿煤与瓦斯突出现象及基本特征,确定了同一井田在煤层瓦斯含量等相近的条件下,煤体结构的破碎是影响煤与瓦斯突出的主要因素。提出了在煤层滑褶构造区,滑褶构造体的前端应是因局部残余构造应力集中和煤层增厚而成为煤与瓦斯的强突出区     

考虑损伤的含瓦斯煤有效应力方程

 煤层开采和瓦斯抽放引起的煤体损伤演化不仅使煤体力学性质发生改变,而且还影响煤与瓦斯的相互作用。本文基于损伤力学与多孔介质理论,并考虑煤体吸附瓦斯膨胀变形效应,建立了压缩条件下含瓦斯煤体的有效应力方程,得到了与含瓦斯煤体损伤演化相关的孔隙压有效应力系数和吸附有效应力。利用含瓦斯煤体有效应力方程和线弹性本构模型,计算分析了不同应力条件下含瓦斯煤体的变形与有效应力系数演化特征。结果表明,计算值与试验结果一致性较好,可以有效描述含瓦斯煤体的损伤力学行为。     

构造煤微观结构对其吸附特性的影响实验

为研究构造煤孔隙微观结构及其对瓦斯吸附的影响,采用压汞实验及PCT高压吸附实验,针对澄合矿区典型构造煤煤样进行孔隙结构分析及吸附特性测定,通过实验数据计算煤样孔隙体积及表面分形维数,分析构造煤微观孔隙结构对瓦斯吸附特性及吸附常数a、b值的影响。研究结果表明:煤样总孔容以大孔贡献为主,总比表面积微孔占比最高,各煤样间大、中、小及微孔占比基本相近,煤样坚固性系数与其总孔容成反比;吸附常数a与煤样微孔孔容、比表面积呈正相关关系,吸附常数b随着煤样大孔孔容占比、微孔占比的增大而增加;随着总比表面积增加,单位质量煤瓦斯吸附量逐渐增加,即微孔比表面积越大,瓦斯吸附能力越强;煤样孔隙体积及表面分形维数均可分为两部分,大、中孔隙分形维数在2～3之间,该段分形特征较为明显且孔隙结构复杂,孔隙体积分形维数与吸附常数a呈正相关关系。     

深部开采条件下煤和瓦斯突出机理的研究

分析了温度对煤体强度、煤吸附和解吸瓦斯能力的影响及煤层渗透性随应力变化的规律.在此基础上提出深部开采条件下煤和瓦斯突出发生的机理,建立温度、应力、渗流三场耦合的数学模型,并对温度、应力、孔隙瓦斯压力对突出的影响进行分析.     

煤体有效应力与膨胀应力之间关系的分析

有效应力公式是研究岩体和流体相互作用的基础公式之一,为了更加真实的描述煤体的受力状态,采用理论分析和试验分析的方法,分析了这种由于煤吸附瓦斯发生膨胀在约束条件下所产生的膨胀应力与有效应力的关系,并得出了膨胀应力与有效应力之间的关系式。分析可知,煤吸附瓦斯将发生膨胀变形,吸附量越大,膨胀变形越大,当这种变形受阻时将会产生膨胀应力膨胀应力的存在,将使煤体应力增加,煤体强度降低,煤体更易破碎,将增加煤与瓦斯突出的危险性。     

煤岩超微孔隙结构特征及其分形规律研究

煤岩超微孔隙结构对煤的吸附和强度性能起到非常重要的决定作用.为了对其进行精确测定,采用了高精度压汞仪对来自8种不同硬度的煤样进行压汞法实验,测定得出超微孔隙结构的所有特征参数.根据压汞法基本原理和分形几何学理论建立了切合实际的煤孔隙分形维数计算模型,利用孔隙特征参数计算出各硬度的孔隙结构分形维数.研究发现:煤孔隙结构具有很好的分形特征,煤体越松软,分形性越好,用分形规律研究煤岩孔隙结构越精确;随着煤体硬度的增加,孔隙分形维数不断降低,煤体抗压强度不断增大;建立硬度与孔隙分形维数之间的定量关系式,可以用硬度定量描述煤的吸附性和抗压强度.研究结论对于煤层瓦斯的运移、瓦斯抽放以及瓦斯突出均有着极为重要的意义.     

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．     

河南某矿煤与瓦斯突出主因分析与措施优化

为确定煤与瓦斯突出的主控因素和解危优化措施,以河南某煤矿为研究对象,综合运用瓦斯地质分析法、地质动力区划方法、FLAC3D数值模拟等方法,研究确定了瓦斯赋存规律,划分了煤与瓦斯突出发生危险区域,建立区划断裂与煤与瓦斯突出发生的内在联系,分析煤与瓦斯突出发生的危险性概率值和掘进工作对煤与瓦斯突出的具体影响,确定矿井煤与瓦斯发生的主控因素及其显现特征,并对原解危措施进行了优化.研究结果表明:超过临界条件的埋藏深度、区划断裂交汇以及较高的构造应力等是该矿井煤与瓦斯突出发生的地质类因素;巷道的掘进使煤岩体应力升高24%～25%,增大了煤与瓦斯突出等动力灾害发生的危险.