顺层瓦斯抽采钻孔定点定长封孔应用研究

针对矿井煤层实际赋存情况,通过数值方法定量表征了煤岩体巷道应力分布情况;结合现场考察对上述模拟结果进行了验证,同时采用不同深度单位长度钻孔冲粉量指标的变化规律划定巷道两帮“三带”的范围,进而确定顺层钻孔的合理封孔深度。通过钻孔抽采瓦斯浓度和瓦斯纯流量随时间的变化规律表征不同封孔深度的钻孔密封性能,结合经济科学抽采的基本原理表明了最理想封孔长度;结合围岩异常应力分布特征和破坏模式,提出针对围岩低渗区的定点定长封孔方法来提高钻孔密封性能。现场实验表明,该方法是一种实现煤层瓦斯高效抽采的可行技术方法,对于实现煤层瓦斯安全经济高效抽采有积极作用。

基于煤中瓦斯赋存和运移方式的孔隙网络结构特征表征

煤层微观孔隙结构对瓦斯储运特性具有关键控制作用,厘清煤的复杂孔隙网络结构表征对瓦斯高效抽采及灾害防治具有重要意义。通过流体侵入法、光电辐射与数字岩心技术,分别从孔隙多级性、网络特性、连通性、自相似性等开展对煤中孔隙网络结构特征的形态学、拓扑学和几何学新表征。结果表明:首先,随着孔隙尺度降低,多级孔隙形态由不规则外生孔转变为圆形矿物质孔或气孔,且不同阶段孔径分布大致呈递减趋势,其中微孔空间占主导地位,孔容和比表面积分别占56%~85%和92%~98%;不同煤样多尺度孔隙的三维重构体现出多级性和相似性,具有微纳米网络骨架特征且局部伴有纳米孔隙群,分别构成了储层气体运移微通道和主要赋存场所。其次,根据流体侵入法间接反映了孔隙网络连通性,运用分形维数论证了多级孔隙存在分段特征,且拟合系数高于0.9;利用数字岩心技术构建了具有拓扑等价的孔隙网络模型及其配位数,并基于泰勒多边形的煤体微观分形结构阐释多级孔隙间以串联为主的结构配置关系,证明了煤样作为分形几何体的可能性。最后,论证了绝大多数瓦斯分子是以吸附态附着在“填充孔-扩散孔-渗流孔”多级结构上,且微孔填充是煤中瓦斯主要赋存方式,其甲烷吸附量占比大都高于90%;填充孔(<1.5 nm)充当煤中瓦斯分子“储藏罐”,扩散孔(1.5~100 nm)充当串联填充空间与渗流通道的“桥梁”,而渗流孔(>100 nm)充当与外界连通的“门户”,在此理解上构建了基于瓦斯赋存和运移方式的孔隙网络特征的表征模型。

超临界CO_2对无烟煤孔隙结构影响的实验研究

通过实验室自主研发的超临界CO_2高压加压装置,对临涣矿区的无烟煤进行处理,获得对比煤样。采用压汞法测试了超临界CO_2处理前后煤孔隙的变化情况,获得了处理前后无烟煤孔隙结构的关键参数;同时对进退汞曲线进行分析,进而研究了孔径分布的变化规律。研究结果表明：超临界CO_2处理后的无烟煤在微孔阶段（3~10 nm）多峰现象明显减少,孔隙分布更加连续,大孔阶段（≥1 000 nm）的进汞量明显高于处理前的曲线,大孔和可见孔数量增多。无烟煤的孔隙度和总孔容在处理后增幅达到0.2336%和6.4%;超临界CO_2在一定程度上促进了无烟煤的渗流孔的发育,抑制了吸附孔的发育。

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0.0088 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。