低频振动激励含瓦斯煤孔裂隙变化特征研究

为了探明低频振动激励对煤体孔裂隙特征的改造机制,采用工业显微CT扫描和低场核磁共振设备开展低频振动前后煤体孔裂隙扫描实验,测试不同振动激励频率下煤体的孔裂隙特征参数。研究结果表明:低频振动激励前后煤体的裂隙度和孔隙度均呈现上升趋势,煤岩内部裂隙发育特征呈现一致性,振动激励的改造效果集中在对大尺寸裂隙的改造,即对原生孔缝发育的改造效果更好;低频振动激励能增加煤体内部结构的复杂性与非均质性,能有效促进孔裂隙的发育;低频振动激励对煤体孔隙改造作用集中在煤体的中孔与大孔,且当激振频率处在共振频带时,上述规律均显著增强。研究结果可为含瓦斯煤的孔裂隙改造提供参考。

基于层理和煤阶影响的煤体固有频率特征研究

为探明振动波激励煤体共振增渗技术的优势频率,采用自主搭建的煤体固有频率测试试验系统,依据敲击法测试原理对高、中、低3种不同煤阶的正方体干燥煤样进行三维面固有频率测试和分析。结果表明:汉宁窗较适合煤体振动信号FFT分析,可以准确识别频谱峰值所对应的频率,从而直接得出煤体的固有频率;力锤敲击力度只影响振动信号加速度幅值大小,对煤体固有频率变化无影响;同一煤样平行于层理面的固有频率大于垂直于层理面的,且垂直于层理两个面的固有频率略有差异;受煤基质、矿物质含量等因素影响,高、中、低3种不同煤阶煤样的力学性质不同,这是造成不同煤阶煤体固有频率差异性的主要原因。研究结果可为振动波激励煤体共振增渗技术应用提供理论依据。

液氮冷浸煤岩增透作用影响因素分析

为考察液氮冷浸煤岩后的增透效果,控制冷浸循环次数、冷浸时间、煤种和煤岩含水饱和度4种因素,通过渗流试验研究其对增透效果的影响,并分析了液氮冷浸煤岩的损伤增透机制。结果表明：循环作用和煤种对干燥煤岩渗透率的影响较弱;渗透率随冷浸时间先逐渐增大后趋于稳定,冷浸时间对渗透率的提升存在一定上限;液氮冷浸条件下,煤岩中的水分对渗透率的提升有很重要的作用,煤岩渗透率随含水饱和度的变化存在一个从增幅缓慢到迅速增加的临界含水饱和度,临界含水饱和度约70%;对含水煤样进行循环,可得到较好的增透效果,但渗透率增幅随循环次数的增加而逐渐降低;可通过在每次冷浸循环间隙尽量提高煤岩的含水饱和度,来达到理想的增透效果。

液氮对含水煤岩体增透作用的影响机制研究

为了研究液氮对含水煤岩的作用机制,利用自行研制的自增压式液氮冷浸装置对不同含水饱和度煤样进行液氮冷浸试验,对比分析了液氮冷浸前后煤样渗透率变化规律和微观孔、裂隙发育情况,并从理论角度解释了液氮冷浸对含水煤样的损伤机制。结果表明,经液氮冷浸后,煤样渗透率随含水饱和度的增大而增大,增加幅度成指数型增长且增加幅度在70.6%~1 254.9%;在煤样饱水情况下,液氮对煤岩的影响以水冰相变造成的体积膨胀为主,其微观结构破坏程度远高于干燥煤样,煤样出现裂隙延伸、裂隙加宽等现象,增透效果更好。

液氮冷浸作用下煤岩细观损伤特性研究

为了研究液氮冷浸作用下煤岩内部孔裂隙结构的变化规律,开展液氮冷浸前后煤岩的CT扫描试验,对比分析液氮冷浸作用对煤岩内部微观结构的影响,结果表明:液氮冷浸作用对煤岩内部结构造成了损伤,损伤程度和形式受含水量影响;液氮冷浸后,干燥和水饱和煤样的最大原生裂隙体积增幅分别为340.8%,326.3%;对于水饱和煤样,表现出收缩-冻胀的应力作用,除裂隙体积增加外,同时产生6.78 mm;的新裂隙,利用MATLAB计算,其分形维数增加了0.54%,新增裂隙覆盖范围广,横向裂隙与纵向裂隙相互贯穿,更有利于瓦斯流动。研究结果可为煤岩液氮增渗提供指导。

煤岩自振频率的影响因素试验研究

为探究振动波增渗煤岩的优势频率,依据敲击法测试原理自主搭建煤岩自振频率测试系统,从煤岩尺寸、含水率及孔洞缺陷等3方面,研究煤岩的自振频率。研究结果表明:进行振动信号的快速傅里叶变换(FFT)时,汉宁窗较矩形窗、指数窗的加窗效果更好;在此基础上,测得4组不同尺寸煤岩的一阶、二阶自振频率范围分别为11.1~17.2 Hz、35.0~40.6 Hz;含水率的增加使得煤岩自振频率降低,且煤岩的一阶自振频率变化在含水率较低时较敏感;煤岩孔洞体积对其自振频率的影响存在局限性,不同孔洞体积煤岩的一阶、二阶自振频率变化幅值分别在5.2%、6.5%之内;振动波对煤岩自振频率影响以塑性变形及煤岩整体缺陷的演化为主。

低温作用下煤体细观结构变化及相变致裂实验研究

为了研究低温作用下煤体细观结构演化规律,采用CT扫描不同冻结温度下干燥和饱水煤样细观结构图像,构建三维可视化裂隙模型,探究冻结煤体裂隙演化机理。研究结果表明:随着温度的降低,煤样内部产生的拉应力逐渐增大,加之,冰水相变产生冻胀力,导致煤样内部裂隙网格不断扩展演化;冰水相变产生的冻胀力是饱水煤样和干燥煤样裂隙演化具有差异性的原因,孔隙、裂隙水冰点随着孔隙、裂隙的半径减小而逐渐下降,从而导致壁厚较大的裂隙中水分先行冻结,随着温度的继续降低,壁厚较小的裂隙中水分才发生冻结。

超临界CO_2作用下煤的孔隙结构变化规律试验研究

为了研究不同超临界条件下煤体孔隙结构的变化规律,采用控制变量法,改变超临界条件下的温度、气体压力、处理时间,探讨超临界CO_2对煤体孔隙结构的影响。结果表明:超临界CO_2作用前后煤体渗透率受处理时间的影响很大,随着处理时间的增加,渗透率先降低后逐渐增大,约10 h后趋于稳定,超临界条件下单一改变压力或者温度对煤样渗透率的影响不大;超临界CO_2作用对煤体的微观孔隙结构产生了损伤,孔隙度明显提升,提高百分比为96%,大孔和中孔所占比例提高,超临界CO_2作用对孔起到了一定的疏孔扩孔的作用,从而有利于瓦斯的抽采。

液氮冷浸煤岩孔隙损伤和渗透率演化特性研究

为研究冷冲击对煤岩的损伤和增透作用,在液氮冷浸前后对煤岩试样进行核磁共振和渗透率测试,通过T2分布、T2谱面积和渗透率的变化来反映煤岩孔隙损伤和渗透率变化情况,并利用传热学理论,研究煤岩温度降与煤岩损伤以及渗透率演化之间的关系。研究结果表明,液氮冷浸能够提高煤岩孔隙数量、孔隙体积和渗透率;煤岩渗透率随冷浸时间的演化表现出先增大后逐渐稳定的趋势;温度降主导着煤岩损伤和渗透率的演化,温度降越大,煤岩损伤越严重、渗透率增幅越大,且温度冲击得到的渗透率与温度降的大小成正比关系,当煤岩温度降达到最大,损伤终止、渗透率不再增加;利用液氮对常温煤岩进行冷浸,最终得到煤岩渗透率增幅为50%~150%。