基于穿层钻孔声波远探测有限元方法的煤岩界面成像

小型地质构造是造成煤与瓦斯突出事故的主要因素,小构造的精准探测是亟需解决的关键问题。煤岩界面高精度探测是查明小构造,实现透明工作面的基础。声波远探测技术具有探测范围大、分辨率高、可成像等优点,能够实现对煤岩界面的精准识别。为此,提出了基于穿层钻孔声波远探测的煤岩界面探测技术,通过在井下穿层钻孔内布置声波远探测仪,采集孔周煤岩分界面产生的阵列波形,并利用反射波信息反演获得煤岩界面成像图,进一步结合钻孔群,实现工作面的整体勘察。首先,利用COMSOL Multiphysics软件构建出煤系单极远探测数值模型;然后通过模型正演分析全波信号与波场快照的全时空变化规律;最后对远探测声波数据进行反演实现煤岩界面的偏移成像。正演结果表明:模型中煤层的纵波波速比顶底板岩层慢1.2 km/s左右,声波在煤层中传播时能量衰减得更快,同时声波穿过煤岩界面时会出现主频的漂移;当测点趋近于仪器从底板岩层向煤层过渡的位置时,直达波的变化特征为幅度的骤降与声时的增大,而界面反射波的特征为时间-深度域中倾斜同相轴的斜率改变。对采集到的波形数据进行滤波、波场分离、反射波增强、偏移成像四个步骤完成模型反演,成像结果与原始模型相似度高,煤岩界面倾角误差0.6°、煤厚误差0.212 m,穿层钻孔远探测声波有限元方法可以有效地反演出煤岩界面的位置和形态特征。该研究可为声波远探测技术应用于穿层钻孔煤岩界面识别提供基础理论支撑。

液氮冷冲击煤的作用范围及力学损伤机理

低温流体液氮对煤冷冲击的作用范围、煤内部因温差形成的热应力变化规律及其对煤形成损伤的力学作用机理,均是液氮在煤岩增透领域应用中亟待研究的关键问题。利用非接触式全场应变测量装置、红外温度场测量装置和热电偶温度测量装置,测得开放环境下液氮冷冲击煤样钻孔后,钻孔周边煤体温度场及应变场随冷冲击时间的变化规律。通过建立包含弹性模量、泊松比、热膨胀系数、测点温差及测点所在半径参数的热应力模型,设计实验测得模型各参数并代入其中求解,计算得到煤岩内部不同位置处的热应力及其随冷冲击距离和时间的变化规律,并针对3类不同变质程度煤的上述规律进行对比。研究结果表明,在液氮冷冲击过程中,3类煤样内部各测点处的温度均呈现出快速降低—缓慢降低—稳定的变化规律,各测点处的热应力均经历了快速增长—缓慢增长—无增长3个阶段。距离冷冲击钻孔越近,相邻测点间的温度相差越大,所产生的热应力越大。液氮冷冲击1 800 s后,3类煤样各测点处的热应力均基本达到稳定阶段,距离冷冲击钻孔1 cm处所产生的热应力均≥1.84 MPa。液氮冷冲击能够使煤内部产生4类变形进而对煤造成损伤,其中“因压致拉”所产生的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类变形及3者相互组合的复合型变形,是煤体形成损伤产生复杂裂缝的根本原因。然而,液氮冷冲击对不同煤的降温及变形范围虽存在差异,但总体作用范围有限,仅能够在钻孔周边产生损伤,因此,液氮冷冲击技术建议结合压裂工艺进行应用,冷冲击所产生的损伤可用于降低起裂压力,并使压裂裂缝更为复杂。

煤层钻孔内注入液氮过程中的传热传质规律及煤损伤分析

低温流体液氮向煤层钻孔内注入过程中的传热传质规律及煤损伤分析,是目前液氮在煤层增透领域应用中亟待研究的关键问题。通过利用流量计、内视镜、热电偶、质量天平和超声探测仪,可视化分析了液氮注入过程中煤钻孔内液氮的初始累积过程和液位状态变化,探究了不同注入速率下钻孔内液氮的实际液位、净液位和注入效率随注入时间的变化规律,并对3个不同时刻下的煤体进行超声损伤检测。研究发现,液氮初始累积时会在钻孔底部煤的交界面处形成明显的莱顿佛洛斯特效应,随着钻孔底部煤温的不断降低,辐射换热系数不断减小,进而蒸汽膜厚度随之降低。不同注入速率下,1 m长钻孔内液氮的净液位最大增加量均为35 cm左右,这意味着,向长钻孔内注入液氮时,应实施分段注入,仅增加液氮注入时间会造成液氮的浪费。实际液位与净液位比值的变化规律均为先降低然后趋于稳定,稳定状态下2者的液位比相近。不同注入速率下液氮注入效率随注入时间的变化规律,均为降低—升高—稳定—降低。低速注入速率下的液氮注入效率更高,提升注入速率后单位体积液氮所相变的氮气,在钻孔内换热时间更短、向钻孔外排出温度更低,进而增大了液氮损耗,使注入效率变低。超声波测试结果表明,液氮能够渗入裂缝内部,使裂缝两侧在冷冲击的作用下冻缩,增加原有的裂缝宽度并使缝尖受到裂缝两侧冻缩力的作用拉伸扩展变形,形成新的裂缝。

水力压裂模拟用煤岩体相似材料基础力学特性实验研究

煤层水力压裂模拟实验是研究煤矿井下水力压裂煤岩体致裂增透、弱化机理的有效手段。然而,大尺寸煤岩体原位保真取样技术不成熟,已有大尺寸煤样块多取自卸压区,其在运输和制备过程中会发生二次破坏,导致实验结果失真。因此,使用煤岩体相似材料代替大尺寸原煤执行室内水力压裂模拟实验成为一种可行的选择。煤岩体相似材料试样的力学特性是影响水力压裂效果最重要因素。为精确表征煤岩体相似材料的基础力学特征,选择煤粉、水泥、石膏、砂子为相似材料,设计制作7种配比试样,进行超声波与力学特性耦合响应规律研究。结果表明:煤岩体相似材料试样超声波波速(P波和S波)和强度(单轴抗压和抗拉强度)随着密度的增大而增大,随着孔隙率的增大而减小;相似材料对于超声波波速、强度和密度增大幅度的影响为水泥>砂子>石膏,孔隙率正相反;相似材料水泥和石膏分别在调节试样强度和变形特性方面起主要作用;根据超声波P波波速与强度之间的二次多项式数学模型,通过测定超声波P波波速可提前预测试样的强度;试样力学参数可调整范围大,通过改变相似材料配比可以调整试样的力学性质,精确模拟煤岩体,且试样制作方法简单。此研究可为煤层水力压裂模拟用煤岩体相似材料力学特征相似设计提供依据,促进矿井瓦斯防治技术的发展,具有广泛的应用价值。

基于低场核磁共振技术的液态CO_(2)循环致裂煤体孔隙特征演化规律

煤层低孔渗特征成为制约瓦斯高效率抽采的主要瓶颈,现多采用强化致裂增透技术来改造煤储层孔隙结构,旨在提高煤体渗透率。液态CO_(2)循环致裂能够通过循环热应力、相变致裂及疲劳损伤的耦合效应协同致裂煤体,可联合低场核磁共振技术实现煤体孔裂隙结构的定量表征,而基于核磁共振技术对液态CO_(2)循环作用煤体孔隙的几何特征演化规律研究较少。基于自主研发的液态CO_(2)循环致裂试验平台,对多个褐煤试样进行循环冲击作用,采用低场核磁弛豫技术对循环作用煤体的孔裂隙结构进行统计监测,并结合几何分形理论探讨了渗流孔分形维数D s、有效贯通孔分形维数D e、T 2截止值、孔隙率、渗透率的耦合关系。统计分析液态CO_(2)循环作用后煤体端面不同裂隙形态的差异性与基质非均质性、原始孔裂隙结构的相互关系;“饱水-离心”联测法获得的T 2弛豫谱曲线表征液态CO_(2)循环作用煤体的总孔隙率φt、有效孔隙率φe、核磁渗透率k SDR-d及其增长率Δk SDR-d均有所增加,利用基于T 2谱构建的几何分形计算模型,论证了渗流孔和有效贯通孔具有较好的分形特征,而吸附孔不具备分形特征。D s与T 2截止值存在“快速增大—缓慢增大”的指数拟合关系,分别与φt,φe,k SDR-d和Δk SDR-d存在负相关关系,而D e分别与φe和Δk SDR-d呈正相关,揭示了液态CO_(2)循环作用能够促进煤基质内多尺度孔裂隙结构的扩容及延伸,裂隙间的贯通率和渗透特性大幅提升。

救援用多因素耦合的三维精准抛投模型

建立一种安全救援领域多因素耦合的三维精准抛投模型。将抛射器在实际救援抛投场景中的风向、风速、抛射角度、抛射压力、抛射质量5因素耦合在一起,根据空气动力学基本原理分析弹体运动,构建微分方程组,并在四阶精度龙格库塔(Runge-Kutta)法基础上利用MATLAB编程进行计算求解。该模型将传统凭借经验的抛投救援变得科学化,快速输出最佳的抛射轨迹对应的抛射角度和抛射压力,可以实现精准抛投,并且适用于有一定高度差的抛射救援。

基于颗粒堆积法的煤体表面弛豫率量化初探

为了确定煤岩表面弛豫率ρ值来量化其弛豫特性与孔径分布的对应关系,聚焦井下海量打钻工序所产生的煤屑颗粒,提出了基于颗粒堆积法的煤体ρ值计算方法,构建了球形煤屑基质-球形总孔隙结构的计算模型,选择平煤股份二矿己15和己17煤层煤样进行模型验证.结果表明:不同粒径煤屑堆积样品的弛豫谱图呈近似的三峰形态,同一煤样不同粒径饱水煤屑堆积体可表现出不同的弛豫响应行为,弛豫时间T_(2)的几何平均值T_(2m)和核磁孔隙率φ_(NMR)值分布的差异性主要受水赋存特征、煤屑润湿性及堆积方式等多种因素的影响.通过线性拟合横向弛豫总弛豫率T_(2)^(-1)和有效孔隙指标与煤粒有效长度之比φ_(g)/w_(grain)及其95%置信区间分布,证实了直接采用恒定ρ值计算煤岩孔隙结构的不合理性.不同形状煤屑基质-总孔隙结构的计算模型获得的ρ值范围不同,表明不同形状煤屑间的流体扩散路径和接触特征不同,易引起煤屑堆积体的弛豫行为不同.未考虑煤屑间的体积流体效应而忽略T_(2b)影响,易造成ρ值偏大.

中国煤矿瓦斯突出灾害治理的若干思考及展望

近年来随着开采深度的增大,我国突出矿井数量不断增加,瓦斯突出灾害治理难度提升,突出事故时有发生.针对我国煤矿瓦斯突出灾害高效治理的迫切需求,促进瓦斯突出治理技术的快速发展及推广应用,从我国瓦斯突出灾害严重性、赋存复杂性、治理问题及思考、未来对策4个方面开展研究.通过对近年发生的瓦斯突出事故及深部开采面临的复合灾害问题进行分析,阐明了我国瓦斯突出灾害的严重性,瓦斯突出治理存在风险大、辨识难、预警难、治理难等问题;通过对我国不同尺度区域(全国、矿区、煤矿)内复杂地质构造对瓦斯赋存的影响进行分析,揭示了我国瓦斯赋存区域差异大、深部与浅部变化快等复杂成因;针对上述背景,从瓦斯突出治理技术适应性、科学性、系统性、协同性和先进性5个方面进行分析,总结了瓦斯突出治理技术应用过程中存在的若干问题及相关对策;提出了“监测预警-高效增透-智能抽采”的瓦斯突出治理技术未来对策,助力瓦斯突出治理技术未来的发展.

高温作用下五峰组–龙马溪组页岩动力学特征及损伤演化规律研究

甲烷原位燃爆压裂是一项变革性页岩气储层压裂改造技术,压裂过程井周储层受到高温–冲击波协同作用,研究高温作用下页岩动力学特征及损伤演化,对揭示页岩储层燃爆压裂的致裂增透规律具有重要意义。综合运用热重分析仪、马弗炉、分离式霍普金森压杆(SHPB)实验系统、扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)技术,对经历不同高温热损伤的页岩试样进行动态冲击实验,得到了页岩动力学特征随温度的演化规律,构建考虑热损伤和压密阶段的页岩动态损伤本构模型,并通过实验数据进行验证,最后利用扫描电镜(SEM)分析高温作用下页岩动力学特性演化的微观损伤机制。结果表明,随温度升高,页岩表面逐渐出现连通裂隙,且高温热效应导致该页岩中水分散失,黏土矿物改性,白云石、方解石等主要碳酸盐矿物热分解,孔、裂隙结构发育连通,综合导致随温度升高页岩损伤劣化作用明显。试样动态冲击破碎形态随温度升高逐渐由单一裂缝转变为粉碎型破坏,碎块平均粒度、动态抗压强度和弹性模量先小幅增大,随后迅速降低;破碎分形维数、平均应变率和能量吸收比先降低后升高,700℃高温作用下页岩动力学特性显著劣化。这说明,燃爆压裂的高温–冲击波协同作用有利于构建页岩储层井周复杂裂缝网络。实验数据验证了考虑高温和压密阶段的动态损伤本构模型,该模型能够反映高温作用下岩石的动力学特性。研究结果对于揭示甲烷原位燃爆压裂机制具有重要意义。

液氮循环冷冲击作用下煤体受拉破坏特征

为了研究液氮循环冷冲击作用后煤体受拉破坏特征,分别针对0,2,4,6,8,10次液氮冷冲击煤样开展超声测试与巴西劈裂试验,对煤样的纵波波速、抗拉强度、破坏形态、裂隙密度、分形维数等相关物理参数进行分析,同时研究了液氮冷冲击次数对煤样受拉破坏应力场和声发射时域参数特征的影响.研究结果表明:随着冷冲击次数的增加,煤样的纵波波速及抗拉强度逐渐降低,经10次冷冲击后分别降为初始值的37%和30.72%;冷冲击后煤样出现分次破坏且呈现出较明显的屈服阶段.随着冷冲击次数的增加,煤样表面最大应变值逐渐增大,破坏形态从“直线型”逐渐向“网络型”演化,裂隙密度从32.11 m^(-1)逐渐增大至经10次冷冲击后的113.75 m^(-1),同时分形维数从1.15增大至1.49.液氮冷冲击后煤样缓增期内振铃计数出现突变点,且突变点数量随冷冲击次数的增加先升高后降低,第6次冷冲击时达到最大值,之后振铃计数峰值逐渐降低.冷冲击后煤样累计能量曲线呈现阶跃式增长,累计能量峰值随冷冲击次数的增加先升高后降低.弱结构区的存在可能是煤样产生分次破坏、破坏形态向网络型演化以及振铃计数出现突变点的根本原因.

纳米颗粒与双子表面活性剂协同稳定CO_(2)泡沫压裂液

为提高CO_(2)泡沫压裂液稳定性,使用十八酰胺双子表面活性剂(乙撑基-双十八酰胺丙基二甲基氯化铵)、八酰胺双子表面活性剂(乙撑基-双八酰胺丙基二甲基氯化铵)与不同粒径的纳米颗粒配制不同比例发泡基液.通过高温高压发泡装置、IKA黏度计、Teclis Tracker-S界面流变仪测定了发泡体积和泡沫半衰期,确定了具有最佳发泡能力及泡沫稳定性时溶液的成分,并研究了温度、NaCl质量浓度对最佳发泡溶液发泡性能的影响规律.结果表明:0.1%80 nm SiO_(2)-1.0%八酰胺表面活性剂溶液泡沫性能最佳,泡沫的耐高温性能及对Na~+的适应能力较好,且泡沫压裂液整体黏弹性提高,最佳发泡体积及泡沫半衰期分别为540 mL,63.30 min.当温度低于50℃,NaCl质量浓度低于2.0 g/L时,更利于纳米SiO_(2)与八酰胺表面活性剂溶液协同稳泡.泡沫半衰期随溶液中八酰胺表面活性剂质量分数升高而升高,当八酰胺表面活性剂质量分数从0.2%增加到1.0%,泡沫半衰期增大12倍;泡沫半衰期随纳米SiO_(2)质量分数升高(0.1%~0.5%)而降低,其质量分数每升高0.1%,泡沫半衰期约降低13 min;泡沫半衰期与纳米颗粒种类有显著关系,与粒径则无.在纳米颗粒粒径较大时,发泡体积较高.本研究展现了纳米技术在煤层压裂过程中的潜在应用,对促进CO_(2)泡沫压裂技术的发展具有重要的理论和实践价值.

液氮冷冲击时长对煤体致裂效果的影响

注氮参量的设置与煤体致裂效果密切相关,为研究液氮冷冲击循环过程中不同冷冲击时长对致裂效果的影响,开展不同冷冲击时长(5,10,15,20 min)液氮溶浸试验,利用低场核磁共振设备对比分析各组煤样孔径分布、孔隙数量、孔隙度及吸附/渗流孔变化规律,进而表征煤样在不同冷冲击时长下的孔隙发育程度.研究表明:不同冷冲击时长下煤体孔隙特征演化过程具有明显的差异性.不同冷冲击时长下中大孔的变化率表现出前期快速增长、后期缓慢增长的现象;冷冲击时长与孔隙度参数变化率、吸附孔和渗流孔占比变化率均呈现指数相关关系,具有“前期增长快速,后期增长平缓”的特点.不同冷冲击时长下的液氮循环溶浸处理本质上是温度在不同时间尺度上的循环.对冷冲击时长的控制是基于煤体内部温度降的变化,以期实现更好的热应力致裂作用效果,提高瓦斯抽采效率.该研究对现场循环注氮致裂的冷冲击时长选择具有一定的指导意义.