承压破碎煤体低温氧化试验系统研制及应用

为研究应力、温度、水分对采空区煤自燃的综合影响,结合多场耦合理论与现有测试技术,开发一套煤低温氧化试验系统。该试验系统可模拟应力、温度、水分及渗流环境,可测试采空区破碎煤体在不同应力、温度、水分条件下的渗透参数,改变了目前煤低温氧化测试不能加载应力的现状,改进了煤自燃的试验研究方法,为后续研究承压破碎煤体多场耦合氧化机制及氧化动力行为差异性提供了途径。应用该系统测试了承压破碎煤体的低温氧化特征,识别了应力、温度、水分对煤体堆积状态和低温氧化过程的影响。

承压破碎煤体低温氧化特征与宏观致因分析

为识别应力加载对破碎煤体氧化进程的影响作用,首先通过自主设计的试验装置,开展不同应力加载下的破碎煤体低温氧化试验;其次结合试验数据,分析煤氧化过程中耗氧速度、CO、C2H4气体的发生特征;最后,探究不同应力状态下造成煤氧化差异性的原因。结果表明:在相同温度点下,随着轴向加载强度的增大,反应体系内的耗氧强度增大,CO及C2H4气体的发生量增大,且C2H4的发生温度点提前;随着轴压增大,煤样的氧化活性增强,有助于低温氧化及自燃的发生;承压破碎煤体的分形维数增大、比表面积增加、导热系数增大是煤氧化行为差异性的致因。

承压破碎煤体空隙结构演化及渗流特征

为探究破碎煤岩体承压过程中其内部空隙结构演化规律及气体渗流特性,自主研发了破碎煤岩体压实-CT扫描装置,以5~10 mm破碎无烟煤为例,借助CT扫描、图像处理及三维重构等技术,建立了3种应力下的破碎无烟煤空隙网路模型,并在此基础上开展了数值模拟研究。研究结果表明:应力对承压破碎无烟煤空隙尺寸和连通性具有显著影响,空隙体积、孔喉横截面积和平均配位数呈现出随应力的增大而减少的趋势,空隙空间的连通性降低;破碎无烟煤的空隙率和绝对渗透率都随着应力的增加而减小,应力从0达到23.24 MPa时,绝对渗透率减少了1个数量级;由于空隙结构的差异性,气体在破碎无烟煤中的流动存在高流速区和低流速区,高流速区多存在于渗流通道由大变小的区域。研究结果能够为破碎煤岩体中煤层气的高效抽采提供理论参考。