热压型煤成型条件优化试验研究方法

针对当前煤矿瓦斯动力学物理模拟试验中型煤材料存在低强度和高渗透率问题,建立了一套热压型煤成型条件优化试验研究方法。首先,自主研发了热压型煤试验系统,并对试验系统优势和今后改进方向进行了汇总,同时基于Horsfield致密堆积理论创建了型煤材料最优配制方案,最后形成了以马氏距离度量法和黄金分割法相结合的成型条件优化方法。为了验证试验方法的效果,通过控制成型温度为311.8℃、升温速率为5℃/min和保温时间为5.3 h,开展了不同成型压力条件下热压型煤试验研究,研究了不同成型压力条件下的热压型煤微观结构、物理力学特性和渗透特性等响应特征。结果表明:增加成型压力,总孔隙度逐渐减小,单轴抗压强度呈先增大后减少的变化趋势,破坏形式以块状剥落和纵向破裂为主,初始渗透率呈先减小后增大、最小渗透率则呈先减后增再减的变化趋势。以各成型条件的具体数值为试验点、热压型煤和原煤的关键参数为评价参量构建样本矩阵,计算各成型条件下热压型煤和原煤之间的马氏距离,再结合黄金分割法对试验区间进行优化求解,优化后的最佳成型压力为80 MPa,在此成型条件下制作的热压型煤密度、单轴抗压强度和初始渗透率分别为1.137 g/cm^(3)、12.21 MPa、1.32×10^(-15)m^(2),与原煤的1.132 g/cm^(3)、12.83 MPa、1.08×10^(-15)m^(2)相似性极高,达到了提高型煤强度、降低型煤渗透率的目的。

基于热-流-固体系参数演变的煤与瓦斯突出能量演化

基于气固耦合作用条件下的煤与瓦斯突出物理模拟试验结果,分析了突出过程中的温度-气压-应力体系演化过程,从热力系统能量守恒的思想出发,探讨了突出过程中多变指数的实时演化,并根据动态变化的多变指数推导出了多变过程中的瓦斯膨胀能的计算方法,在此基础上讨论了突出过程中的能量释放问题。研究结果表明:煤体不同区域的应力变化在突出过程中共呈现3种类型,即:初始下降—波动升降—平稳回升型、初始上升—小幅下降—平稳回升型和小幅下降—平稳回升型;煤体内瓦斯压力变化过程呈现两种类型,即:初始下降—波动升降—平稳下降型与平稳下降型;煤体温度则在突出过程中表现为单一的持续下降过程。煤体卸压区和应力集中区在突出前期为定温-定压-定熵相互转换的多变过程,突出中期为定温过程,突出后期为定温-定压相互转换多变的过程;应力升高区在突出前期为定温-定压相互转换的多变过程,突出中期至后期主要表现为定温过程;原岩应力区在突出前期为定温-定压相互转换的多变过程,突出中期至后期处于一个定温-定压-定熵相互转换的多变过程。突出过程中煤体的弹性应变能释放主要来自于应力集中区和应力升高区,煤体内各区域的弹性应变能的释放都会经历一个下降随后回升的现象,且该过程中各区域的弹性能不会一次性完全释放。突出过程中越靠近工作面区域释放的瓦斯膨胀能越大,膨胀能的释放并不是一个连续的过程,而是呈现阶段波动式,这种波动在突出后期尤为明显。根据本文的研究,在煤体物理力学性质确定的前提下,单独释放弹性应变能或瓦斯膨胀能都可以达到降低突出发生风险的目的,若同时对两者进行处理,则突出风险降低的概率更大。

突出过程中煤层及巷道多物理场参数动态响应

为进一步认识煤与瓦斯突出发生机理及致灾机制,运用自主研发的多场耦合煤矿动力灾害大型物理模拟试验系统,针对中国重庆水江煤业(集团)有限责任公司水江煤矿K1煤层回采工作面的实际情况,开展了预定瓦斯压力2.0 MPa下的突出过程中的煤层及巷道内的动态响应试验研究。分析了突出过程中煤层内的瓦斯压力和温度,巷道内两相流的运动形态、冲击力和温度的变化规律。结果表明:突出过程中图像信息的灰度值变化能够反应煤与瓦斯突出过程中固相煤粉流的运动情况,固相煤粉在突出过程中存在振发特性及二次加速特征;煤粉的二次加速,意味着该处能量的集中,气相曳力增加;煤层瓦斯压力下降过程中存在“壅塞”现象,表现为瓦斯压力下降过程中的阶段性起伏,且该现象是突出振发特性的本质;地应力值越大,瓦斯压力和煤体温度的下降速度越快,且温度的变化与瓦斯压力的变化存在一致性,突出过程中煤体的温度下降量可达8℃;突出启动后,巷道内前期以弱扰动为主,距工作面5044 mm才会出现较强的叠加扰动,随后,扰动呈现周期性升降,直至能量衰减至0;突出后期,虽然瓦斯膨胀能已不足以将煤体抛出孔洞,但是依然有大量瓦斯气体持续解吸,因此,突出的发展阶段还应包括后期的单相瓦斯气体的持续解吸和运移。

NaCl溶液对电脉冲致裂煤体孔隙结构影响的实验研究

利用搭建的高压电脉冲致裂煤体增渗实验系统,对蒸馏水和不同浓度NaCl溶液浸泡后的贵州林华无烟煤进行电脉冲击穿实验,并结合扫描电镜、能谱分析和压汞分析等测试方法,研究了不同浓度NaCl溶液处理后,电脉冲击穿煤体的孔隙结构变化特征。实验结果表明,煤体在NaCl溶液浸泡的过程中,大量的导电离子Na+和Cl-进入煤体内部的原生孔隙裂隙,有效的改善了煤体的导电性,与蒸馏水浸泡的煤体相比,NaCl溶液浸泡的煤体在电脉冲击穿后破碎的程度更充分。同时,随着NaCl浓度的增加,电脉冲击穿煤体的比表面积、孔容、孔径以及孔隙度均有一定程度的增加,特别是大孔和中孔孔容增加显著,孔隙的连通性变好,有效地改善了煤体孔隙结构。

叠置含气系统煤层气开采物理模拟试验方法研究

为了研究滇东-黔西地区的多层叠置含气系统煤层气开采过程中储层参数和产量的时空动态演化特征,在多层叠置含气系统的特殊煤层气成藏模式和已有试验设备的基础上,对煤层气开采系统进行了改造和升级,煤层气开采系统由开采管、开采管路和气水分离器以及其他附件组成。建立一套集合材料选取、试件制备和煤层气开采的煤层气开采物理模拟试验方法,最后对试验系统和方法的优势、今后改进方向和适用条件进行了汇总。为了对开采物理模拟试验方法进行效果验证,以直井为例开展了叠置含气系统煤层气开采试验,研究了4个煤层在煤层气开采过程中的瓦斯压力、煤层温度、煤层变形、产量等参数动态演化规律。结果表明:瓦斯压力以井筒为中心近似呈现椭圆状,越靠近井筒区域瓦斯压力越小,反之越大,气体运移速度由近井段向远井段逐渐降低;煤层温度下降量在煤层内以井筒中轴线为起点呈圆弧状向边界递减,越靠近井筒区域温度下降量越大,反之越小;1—4号煤层在第360分钟的最终体积应变分别为0.000 67、0.001 09、0.001 17、0.001 54,初始瓦斯压力越大的煤层,其最终的变形量也越大,且初始瓦斯压力越小的煤层,体积应变增长速率变缓的时刻越早;瞬时产量曲线呈现在开采初期迅速达到峰值并急剧下降的单峰曲线类型。研究结果验证了叠置含气煤层气开采物理模拟试验方法的可靠性,能够为现场煤层气开采提供参考。

考虑断裂韧性影响的页岩气储层可压性评价方法

可压性是衡量页岩气储层对压裂改造响应程度的重要依据,目前针对页岩可压性常用脆性指数对其进行评价。但在实际运用中存在脆性指数相近,实际压裂效果却差别甚远的问题。为了弥补利用脆性指数进行页岩气储层可压性评价的不足,在考虑断裂韧性影响的基础上引入临界机械能释放率,综合了Ⅰ型、Ⅱ型断裂韧性对岩石裂缝发育的影响,并定义平均临界机械能释放率。最后结合平均临界机械能释放率和脆性指数,初步建立了以裂缝发育指数为量化指标的页岩气储层可压性评价模型。基于焦石坝龙马溪组焦页48-2HF井测井资料,计算出其弹性模量、泊松比、Ⅰ型及Ⅱ型断裂韧性,并根据构建的裂缝发育指数模型,得出页岩储层可压性随埋深的变化关系。结合现场微震资料,验证了该模型能有效预测页岩气储层可压性随埋深的变化趋势,为页岩气实际开发过程中优选页岩储层压裂段提供可靠方法。

电脉冲对烟煤官能团及甲烷吸附特性影响研究

利用电脉冲致裂煤体增渗实验系统,对贵州轿子山煤矿烟煤进行电脉冲致裂实验,并结合工业分析、傅里叶红外光谱测试和等温吸附实验方法,研究了不同击穿电压条件下电脉冲致裂煤体的电流峰值、煤体官能团结构和吸附甲烷能力的演化规律。结果表明:煤样电脉冲击穿煤体的过程主要经历了热击穿、电击穿和残余阶段,同时,击穿煤样的电流峰值随着击穿电压的升高而增大,且呈现指数化趋势;电脉冲击穿煤样的官能团结构发生明显变化,CH吸收峰随着击穿电压的增加而升高,C=C、-CH_(3)、-CH_(2)、-OH吸收峰随击穿电压的提高而降低;电脉冲击穿煤样的甲烷极限吸附量a值都比原煤低,煤样吸附常数b值随击穿电压增加呈现出波动式的变化,表明电脉冲击穿煤体后,明显降低了煤样对甲烷的吸附能力,有利于煤层气的高效开采。

合采条件下低压储层内流体运移特性试验研究

为了研究多层合采条件下不同阶段内低压储层内流体流动特征,通过搭建物理模拟试验平台和构建流体流动参数计算原理,开展了一井四层物理模拟试验。结果表明:速度和偏转角与流体流动起点的位置有关,当流动起点和井筒中心连线与水平方向夹角从0°转换为90°的过程中,水平速度分量所占的比例减小,而垂向速度分量则增加,井筒内的合流效应致使煤储层中心区域的流体流速有一定程度的衰减。基于合采条件下低压储层存在的层间干扰现象,将合采过程划分为非扰动阶段和扰动阶段。在非扰动阶段内,随着流动起点距井筒中心距离的减小,流体流动方向趋于接近流动最佳趋势线,偏转角趋于0°。距井筒远端流体流动轨迹近似平行,呈现平行流动,而在井筒近端的流体整体流动趋势呈现径向流动。在扰动阶段内,各分层产生的流体在井筒内相互作用形成的流场压力高于低压储层压力时,促使流体侵入低压储层,改变了储层内流体流动方向,使低压储层内出现反向流动。随着流体流动起点距井筒中心距离的减小,流动方向与接近流动最佳趋势线夹角趋于180°,而其以井筒为中心以辐射的形式向储层四周流动。产层组合时,应选择层间压差较小的煤储层进行合采,优化合采兼容性,减弱各煤储层受到干扰的程度,避免低压储层出现倒灌和产气抑制现象。

Effect of high-voltage thermal breakdown on pore characteristics of coal

High-voltage thermal breakdown has great potential application in permeability enhancement of coal seam. The characteristics of the breakdown channel, coal element, porosity and microscopic coal petrography of coal under high-voltage electric load were experimentally studied. The coal interior left apparent tracks due to electric current burning with high temperature. The percentage of C, O, Al, Fe, and Si had slightly decreased, while the content of element N increased obviously. Low-pressure nitrogen gas adsorption(LP-N_2GA) and mercury intrusion analysis showed that coal porosity increased. The increases of micropores and mesopores are beneficial to promotion of the ability of gas storage, and the increase of macropores could enhance the gas seepage and migration. The results of scanning electron microscope(SEM) show that there are many exogenous fractures in coal, which is also beneficial to gas seepage and migration. The results lay a theoretical foundation for application of high-voltage thermal breakdown in coal mines.

脉动水力压裂频率与流量对裂隙演化的作用

脉动水力压裂能够通过强化煤体的疲劳损伤破坏有效改善煤层渗透特性,脉动频率和流量是影响脉动水力压裂煤岩致裂效果的关键参量,但是针对脉动频率和流量对煤岩水力压裂裂隙演化的影响机制研究还不够充分.依托研制的可以持续产生一定频率脉动压力波的脉动水力压裂实验系统,开展了不同脉动频率和流量的脉动水力压裂物理相似实验,分析了静压压裂与脉动压裂压力曲线、声发射能量率、累积能量以及试件宏观破裂形态.结果表明:相同流量时,和静压压裂对比,脉动压裂在增压阶段和峰值阶段表现出不同的特征,其压力上升趋势呈"内凹"特征,后期增速高于前期,且疲劳作用时间长,破裂压力低,裂隙扩展形态复杂,随着脉动频率降低,这些特征更加明显;相同脉动频率时,流量越小,疲劳作用时间长,破裂压力低,裂隙越发育.在作用效果上,脉动频率和流量有一定的相似之处,脉动频率和流量越高,压裂效果越接近静压压裂,而在作用机理上,脉动频率改变了单位时间内的脉动波对试件的冲击次数,流量则是通过脉动波的幅值改变脉动压裂的疲劳效应.结合两个参量组合特点,提出了脉动频率与流量协同控制的脉动压裂工艺.

基于可视化数据的瓦斯突出多物理场参数演化

为了充分认识煤与瓦斯突出(简称"突出")的动态演化过程,自主研发了多场耦合煤矿动力灾害物理模拟试验系统,并利用该系统开展了气-固耦合作用下的突出试验.结果表明:突出过程中煤层瓦斯压降速度对最大主应力的响应特性更好,压降区自煤层底部向上扩展.煤层内的温降区自突出孔扩展,与瓦斯压力的下降过程相似.固相煤粉流的运动过程存在二次加速特征.突出前期,巷道内冲击力值较低.随着膨胀波的叠加,在巷道中部出现较强的叠加压缩波.该套试验系统能够真实再现气-固耦合作用下的突出全过程,并获得煤层及巷道内不同断面的多物理场演化云图,从而更直观地揭示突出的演化过程.

基于CGAL的岩石裂隙面三维重构方法研究

水力压裂后裂隙的几何学特征决定了裂隙岩体强度、变形行为及渗流特性。为进一步定量分析剪应力–注水压力耦合作用下砂岩裂隙面表面粗糙度、隙宽、产状和分形特征等,提出一种基于计算几何算法库(computational geometry algorithms library,CGAL)的裂隙面三维重构方法。结合水力压裂试验后含裂隙试件CT扫描图像的灰度分布特征,优化了其预处理方法以保证三维重构的准确性,采用Delaunay细化方法重构了试验后含裂隙试件,并用随机抽样一致算法检测试件表面,实现了自动校正倾斜、统一空间位置,最终通过裁切可单独提取裂隙面,并通过裂缝沟通体积、裂缝沟通面积和分形维数对其进行了量化表征。结果表明,基于CGAL三维重构后的裂隙模型可再现砂岩试样在剪应力–注水压力耦合作用下内部裂隙的发育特征,为岩石裂隙面几何特征的量化表征及裂隙面渗流特性数值模拟研究提供了基础。

充填厚度对岩石节理剪切强度影响的剪切试验研究

为研究充填砂土厚度对节理抗剪强度的影响,采用GCTS(RDS-200型)岩石剪切系统,进行充填节理的剪切试验,结果表明:未充填节理剪切应力-位移全程曲线存在明显峰值,按照曲线变化趋势可将其划分为5个阶段。随着充填厚度的增加,节理剪切应力-位移曲线峰值点逐渐趋于不明显,曲线逐渐向屈服型过渡,充填节理的峰值强度介于未充填节理的峰值强度和残余强度之间。将充填节理的破坏模式划分为节理面接触破坏、节理面接触和砂-岩接触破坏、砂-岩接触破坏和砂粒摩擦破坏,说明充填物通过控制节理的破坏模式来影响剪切力学特性。充填节理的内摩擦角稍高于未充填节理的内摩擦角,但充填节理的黏聚力均有一定程度的降低。