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煤中吸附态与游离态甲烷的串联扩散特征及理论表征 被引量:2
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作者 程远平 易明浩 王亮 《煤炭学报》 北大核心 2025年第1期326-339,共14页
厘清煤中孔隙结构对甲烷吸附以及扩散的内在联系是定量评价甲烷解吸量和解吸速度的基础。运用低压氮气和低压二氧化碳吸附法对煤中多尺度孔隙进行了定量表征,获得吸附态和游离态甲烷的赋存场所和运移通道分别为0.38~1.5 nm的填充孔和1.5... 厘清煤中孔隙结构对甲烷吸附以及扩散的内在联系是定量评价甲烷解吸量和解吸速度的基础。运用低压氮气和低压二氧化碳吸附法对煤中多尺度孔隙进行了定量表征,获得吸附态和游离态甲烷的赋存场所和运移通道分别为0.38~1.5 nm的填充孔和1.5~100 nm的扩散孔,在此基础上建立了填充孔吸附态扩散和扩散孔游离态扩散的双孔串联扩散模型,并通过对甲烷解吸实验数据的拟合获得了甲烷扩散参数和孔隙结构参数。结果表明:基于多尺度孔隙甲烷吸附模型计算的甲烷极限吸附量与实测值匹配程度较好,其中90%以上的吸附态甲烷以微孔填充形式赋存于填充孔内,表明煤对甲烷的吸附能力取决于填充孔结构;解吸过程中填充孔内发生吸附态甲烷扩散,并不断流入扩散孔中以游离态扩散的形式流出,其中吸附态和游离态甲烷扩散系数分别处于10^(-13) m^(2)/s和10^(-6) m^(2)/s量级,而填充孔和扩散孔当量孔长分别为0.109~2.855μm和0.525~3.106 mm,对应的当量孔数分别为10^(16)~10^(17)个/g和10^(10)~10^(12)个/g;由于填充孔数量更多、孔长更短,吸附态甲烷浓度更高,煤中吸附态甲烷的质量传输速度要远大于扩散孔内的游离态甲烷,煤中甲烷的解吸主要受到扩散孔中游离态甲烷扩散过程的控制。 展开更多
关键词 孔隙结构 微孔填充 扩散模型 甲烷赋存 煤粒解吸
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构造异常区能量单元切割理论及冲孔-爆破协同增透技术
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作者 蒋静宇 董晓斌 +3 位作者 魏民涛 王成浩 程远平 史孝宁 《煤炭学报》 北大核心 2025年第5期2477-2495,共19页
煤矿构造异常区通常具有应力集中、高瓦斯赋存、低渗透性、构造煤发育及致灾能量分布不均匀的特点,是煤与瓦斯突出重点防控区域。水力/气动冲孔技术是构造煤卸荷瓦斯抽采的主要手段之一,相较于常规抽采钻孔,可明显提高卸压半径,但煤层... 煤矿构造异常区通常具有应力集中、高瓦斯赋存、低渗透性、构造煤发育及致灾能量分布不均匀的特点,是煤与瓦斯突出重点防控区域。水力/气动冲孔技术是构造煤卸荷瓦斯抽采的主要手段之一,相较于常规抽采钻孔,可明显提高卸压半径,但煤层相邻冲孔钻孔之间易形成新的应力集中带,限制和影响瓦斯抽采。采用理论分析,数值模拟和现场实验相结合的方法,研究了冲孔与爆破联合卸压增透降能消突原理。主要研究结论为:①提出了突出能量单元切割理论及冲爆协同增透技术,结合突出潜能分布和突出启动能量判据,将煤层划分若干个能量单元,进行边界处切割、内部分区治理。针对构造异常区煤体采用先冲孔后可控定向聚能爆破的方式对煤体定向致裂、释放应力,冲孔孔洞为爆破影响范围内煤体移动提供了自由空间,在爆破点处形成了煤体自由面并改变了煤层的连续性,爆生气体与定向应力波可促进应力再平衡。②FALC3D模拟显示,冲孔可以降低孔周煤体应力,随着冲孔半径的增大,卸压半径亦随之增大。且冲孔后会在孔周卸压区外形成一定范围的应力集中带,限制瓦斯流动。③阐明了可控定向聚能爆破技术的介质-能量切割原理,爆破改变了被切割单元煤体自由面附近的突出潜能赋存梯度,实现介质切割控制能量切割。单元切割有效增加了采掘工作面前方阻能区长度,降低了低能–高能过渡带内作业风险。④利用ANSYS/LS-DYNA软件,模拟了煤层可控定向聚能爆破与冲孔孔洞协同作用,结果表明可控定向聚能爆破实现了对煤体的定向致裂,在聚能方向上侵彻煤体形成较大裂隙。随着时间推移,以冲孔孔洞作为控制孔的孔周产生环向裂隙网,并随着裂隙扩展逐渐与非聚能方向的裂隙贯通,实现对煤体的有效增透。⑤冲爆协同增透技术现场试验表明,爆破孔周围10 m范围内冲孔区域煤体应力和排渣量显著降低,单、双根聚能管爆破后的瓦斯抽采纯量分别提高1.76~4.35倍和1.35~8.60倍。水力冲孔瓦斯有效抽采半径仅为5 m,冲孔与爆破协同卸压增透影响半径大于10 m,卸压效果提高一倍以上,煤巷月掘进速度提高了20 m。 展开更多
关键词 煤与瓦斯突出 构造异常区 能量单元切割 可控定向聚能爆破 卸压增透
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基于双重能量约束的煤与瓦斯突出发展及强度分析理论
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作者 王成浩 程远平 +1 位作者 王亮 蒋静宇 《煤炭学报》 北大核心 2025年第10期4791-4810,共20页
基于“源-耗”关系的能量守恒模型长期主导煤与瓦斯突出的定量化研究,但单式约束在描述具体能量演化路径时存在局限性,注定其研究方法以对比分析为主,难以反映煤与瓦斯突出的动态发展过程。通过揭示突出激发阶段煤体变形能预释放与瓦斯... 基于“源-耗”关系的能量守恒模型长期主导煤与瓦斯突出的定量化研究,但单式约束在描述具体能量演化路径时存在局限性,注定其研究方法以对比分析为主,难以反映煤与瓦斯突出的动态发展过程。通过揭示突出激发阶段煤体变形能预释放与瓦斯膨胀能释放的协同作用机制,构建包含全过程能量判据的新型理论框架。首先,基于煤体拉伸破坏的临界应力-孔隙率耦合关系,推导瓦斯膨胀能阈值的解析表达式,并建立考虑工作面应力和瓦斯非均匀分布特征的突出激发能量判据;然后,将传统的能量守恒式作为突出发展的判别式,建立基于变形等效原理的突出不同阶段煤体搬运功计算模型、基于最小新增面积原理的煤体破碎功计算模型,以完善突出发展的多阶能量约束体系;最后,提出能量链式释放理论,通过“激发—发展”双条件时序约束机制,多阶段动态模拟突出过程。结果表明:随着与工作面距离的增加,煤层储能与突出阈值呈现非线性递增趋势,且突出阈值的超线性增长特性导致二者形成自下而上的交叉点,该临界交点决定了煤体抛出的空间范围;突出初始阶段受激发条件主导,后期转为发展条件控制;经参数敏感性分析,确定能量转化效率为30.5%~66.1%(μ=52.3%±13.1%),该参数使模拟结果与近年来事故案例突出强度数据吻合度较好。研究发现,构造煤(f<0.2)在高地应力(>35 MPa)和低瓦斯压力(<0.52 MPa)条件下仍具备突出潜能,建议将地应力监测提升为煤矿动力灾害防控的核心指标。本研究建立的“激发—发展”全周期能量链式分析体系,为突破难以定量化表征突出过程的瓶颈提供了新范式。 展开更多
关键词 煤与瓦斯突出 能量判据 突出激发 突出发展 突出强度
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岩浆岩环境煤层瓦斯异常赋存特征与动力灾害防控关键技术 被引量:12
4
作者 王亮 郭海军 +6 位作者 程远平 王凯 徐超 蒋静宇 吴昱辰 廖晓雪 唐寒露 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第3期1244-1259,共16页
为研究岩浆岩赋存环境对煤层瓦斯动力灾害的影响,综合理论分析、实验室试验、多手段数值模拟、工程实践等方法,对岩浆岩侵入煤系地层后的热变质作用特征、煤体化学结构和物理规律变化特性等进行了系统研究与对比分析,并探讨了岩浆岩赋... 为研究岩浆岩赋存环境对煤层瓦斯动力灾害的影响,综合理论分析、实验室试验、多手段数值模拟、工程实践等方法,对岩浆岩侵入煤系地层后的热变质作用特征、煤体化学结构和物理规律变化特性等进行了系统研究与对比分析,并探讨了岩浆岩赋存环境下煤岩瓦斯动力灾害发生机制及防控关键技术。结果表明:①岩浆冷却-向围岩传热的散热方式为热传导,其热演化和接触变质作用不仅提升了煤体的变质程度并使其呈现自然分区特征,还导致煤体内部脱氧、去氢、富碳的趋势逐渐明显;②岩浆岩侵入煤系地层后,构造应力叠加热演化作用易造成影响区内煤体发生构造煤化,导致煤中孔容和比表面积增大,对瓦斯的吸附解吸能力亦增强;③岩浆岩赋存环境中煤体发生“二次生烃”,而致密低渗岩床的圈闭作用进一步提高了异常应力环境下伏煤层的瓦斯含量和瓦斯压力,增大了其煤与瓦斯突出危险性;④煤炭开采导致厚硬岩浆岩床失稳破断产生的冲击载荷作用于下伏含瓦斯煤层后,应力叠加等同于加大了煤层埋深并使煤体产生塑性破坏,能量叠加使得煤体灾变潜能提高,是导致煤层瓦斯动力灾害发生的主要因素。在上述研究基础上,结合岩浆岩赋存环境中煤层及其瓦斯赋存特征,建立了煤岩动力灾害预测敏感指标体系,并提出了煤层瓦斯动力灾害防控关键技术。 展开更多
关键词 岩浆岩 热演化 瓦斯动力灾害 致灾机理 灾害预测 灾害防控
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低阶煤孔隙结构定量表征及瓦斯吸附放散特性 被引量:26
5
作者 蒋静宇 程远平 张硕 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第10期3221-3233,共13页
低阶煤广泛分布于我国西北、华北和东北地区且储量较大,但近年来部分低阶煤矿区瓦斯突出灾害严重。为研究低阶煤孔隙结构、瓦斯吸附放散特性及其对瓦斯灾害的影响,采用N2/CO2吸附法和小角X射线散射(SAXS)表征手段,开展瓦斯吸附/解吸试验... 低阶煤广泛分布于我国西北、华北和东北地区且储量较大,但近年来部分低阶煤矿区瓦斯突出灾害严重。为研究低阶煤孔隙结构、瓦斯吸附放散特性及其对瓦斯灾害的影响,采用N2/CO2吸附法和小角X射线散射(SAXS)表征手段,开展瓦斯吸附/解吸试验,运用分形理论,对6组煤样开展系统研究。根据煤样孔隙结构参数和瓦斯吸附/解吸特性参数的关系,获得低阶煤微观孔隙结构与宏观瓦斯吸附放散特性的相关性。结果表明:试验低阶煤煤样≤2 nm的微孔孔容为0.055~0.064 cm^(3)/g,总体上高于试验中阶煤样微孔孔容(0.026~0.060 cm^(3)/g);低阶煤介孔主要分布在2~8 nm,而中阶煤最发育孔径为2~4 nm。低阶煤介孔孔容和比表面积总体大于中阶煤;SAXS结果表明:低阶煤最发育孔径为10 nm左右,而中阶煤孔径在35 nm附近最发育。这与N2吸附法测得煤样最发育孔径约为3 nm存在较大差异,可能煤中存在闭孔或气体吸附法无法测到的孔。分形维数结果表明:低阶煤孔隙较中阶煤孔隙更为复杂。结合傅里叶变换红外光谱表明,低阶煤分子结构松散,含有较多长侧链的官能团,导致其微孔和介孔较为发育。微孔孔容与朗格缪尔体积(VL)存在正相关关系,介孔孔容与瓦斯扩散系数(D)亦存在正相关关系,而VL和D反映着煤体的吸附和放散特性。因此低阶煤具有相对较强的瓦斯吸附和放散能力,易于发生瓦斯异常涌出和瓦斯突出。 展开更多
关键词 煤与瓦斯突出 低阶煤 小角度散射 分形维数 瓦斯放散特性
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煤与瓦斯突出预测敏感指标及其临界值研究进展 被引量:44
6
作者 程远平 周红星 《煤炭科学技术》 CAS CSCD 北大核心 2021年第1期146-154,共9页
煤与瓦斯突出预测是突出煤层2个"四位一体"综合防突措施的关键环节,对确定突出预测敏感指标及其临界值具有重要意义。以往突出预测敏感指标及临界值的确定,包括地应力指标和瓦斯指标,是通过现场反复测试、试验确定的;而现今... 煤与瓦斯突出预测是突出煤层2个"四位一体"综合防突措施的关键环节,对确定突出预测敏感指标及其临界值具有重要意义。以往突出预测敏感指标及临界值的确定,包括地应力指标和瓦斯指标,是通过现场反复测试、试验确定的;而现今的突出防治管理模式不支持这种方法,故只能采取实验室试验研究,主要是针对瓦斯相关指标的研究,结合部分现场验证来确定。选取大隆矿12煤、芦岭矿8煤、祁南矿3煤、朱仙庄矿10煤、童亭矿7煤和新景3煤等6个煤样,煤种涉及中等变质程度的气肥煤到高等变质程度的无烟煤,试验研究了各煤样瓦斯压力P与瓦斯含量W,瓦斯压力P与钻屑瓦斯解吸指标K_1和Δh_2,以及钻屑瓦斯解吸指标K_1与Δh_2之间的关系规律。结果表明:突出预测的瓦斯指标之间具有单值对应关系,但各煤样的这种对应关系是变化的,国家相关标准给出的突出预测指标建议临界值之间并不对应,也不能完全反映煤层的实际突出危险性与突出严重程度,不同变质程度煤层很难存在统一的临界值;应用煤层瓦斯相关指标之间的对应关系,结合突出煤层的实际,如始突深度、突出动力现象、钻孔动力现象等,可间接确定突出预测敏感指标的临界值。同时,未来精细化的突出防治对突出预测敏感指标有更高的要求,进一步研究的方向应包含反映地应力状况、小构造影响下煤层赋存、预测煤层潜在突出强度的指标,以及适应突出灾害差异性的新突出预测方法及措施效果检验方法。 展开更多
关键词 煤与瓦斯突出 突出预测 敏感指标 突出临界值
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煤与瓦斯突出模拟实验系统研究与教学实践 被引量:10
7
作者 王亮 王喆 +2 位作者 程远平 刘清泉 裴晓东 《实验技术与管理》 CAS 北大核心 2020年第2期82-85,94,共5页
搭建了真实地层受力下的煤与瓦斯突出物理模拟实验系统,为矿井瓦斯防治课程的实验教学提供设备支持,按照"煤样制备—数据采集—结果分析"流程对学生进行引导,使学生能够变被动学习为主动钻研思考,有效地加强了学生对煤与瓦斯... 搭建了真实地层受力下的煤与瓦斯突出物理模拟实验系统,为矿井瓦斯防治课程的实验教学提供设备支持,按照"煤样制备—数据采集—结果分析"流程对学生进行引导,使学生能够变被动学习为主动钻研思考,有效地加强了学生对煤与瓦斯突出灾害的直观认知。将科研成果用于实验教学,实现了学生以科研方式对理论知识的深层次理解。 展开更多
关键词 煤与瓦斯突出 模拟实验平台 实验教学
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急速卸压条件下构造煤体应力释放规律试验研究 被引量:5
8
作者 蒋静宇 史孝宁 +3 位作者 程远平 沈润生 马建军 王成浩 《采矿与安全工程学报》 EI CSCD 北大核心 2024年第3期634-644,共11页
为研究构造煤在急速卸压条件下的应力释放规律,开展了不同卸围压速度条件下的型煤试样三轴试验,对比分析了构造煤在不同应力路径下的应力⁃应变曲线和力学特性演化特征,并通过数据拟合分析了急速卸压条件下的应力释放规律。结果表明:卸... 为研究构造煤在急速卸压条件下的应力释放规律,开展了不同卸围压速度条件下的型煤试样三轴试验,对比分析了构造煤在不同应力路径下的应力⁃应变曲线和力学特性演化特征,并通过数据拟合分析了急速卸压条件下的应力释放规律。结果表明:卸围压速度越快,构造煤破坏时的变形程度和峰值应力越小。卸围压降低了煤体的内聚力,劣化程度为14.02%~21.95%,卸围压速度越快,劣化作用越强。卸围压降低了煤体变形模量和泊松比,表明卸围压加剧了煤体损伤,降低了煤体抵抗变形的能力。当卸围压速度趋近于急速时,峰值应力的劣化程度为17.84%,内聚力的劣化程度为21.95%,表明急速卸压条件下构造煤更易失稳破坏,应力释放控制瓦斯膨胀能的非稳态释放,从而导致构造煤突出的连续发展。 展开更多
关键词 构造煤 急速卸压 卸围压速度 应力释放 煤与瓦斯突出
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构造煤和煤与瓦斯突出关系的研究 被引量:93
9
作者 程远平 雷杨 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第1期180-198,共19页
构造煤是原生煤经过长期的强烈挤压,剪切变形后形成的,其具有黏聚力低、强度低和渗透率低等特点。长期以来,中国乃至全球的大部分煤与瓦斯突出事故都发生在构造煤层中,但是其根本原因尚未明确。为了揭示构造煤与突出的内在关系,对构造... 构造煤是原生煤经过长期的强烈挤压,剪切变形后形成的,其具有黏聚力低、强度低和渗透率低等特点。长期以来,中国乃至全球的大部分煤与瓦斯突出事故都发生在构造煤层中,但是其根本原因尚未明确。为了揭示构造煤与突出的内在关系,对构造煤与原生煤的孔隙结构、甲烷吸附、解吸、扩散、渗流和力学性质进行了系统性的回顾与对比,并结合突出能量进行了定量分析。结果表明,由于构造作用,构造煤比原生煤具有更大的总孔隙体积和比表面积,其中大孔受到的影响最为显著。此外,构造煤的吸附/解吸能力和扩散系数普遍较高,而抗压强度和弹性模量则普遍较小。在突出激发阶段,煤体破碎依赖于应力能的释放,此时破碎煤体释放的大量解吸瓦斯是突出后续发展的重要能量来源,特别是小于临界粒径的突出煤体,起到了决定性作用。然而,能量分析表明,若要满足临界粒径的要求,原生煤所需应力条件远高于构造煤,甚至会远超过目前采掘深度的应力水平。因此,原生煤难以提供足够的能量支撑突出的发展。在实际情况中,即使首先发生破碎的是原生煤或者岩石,突出的持续发展也强烈依赖于破碎比功更低和解吸能力更强的构造煤,表明构造煤不仅仅是更易于突出,更是突出发展的一个必要条件。此外,就构造煤的储层特性而言,在实验室中获得的构造煤渗透性能显著高于现场获得的结果(差异可达2个数量级),其主要原因可归结为实验室中重构的构造煤样品无法还原构造煤的原始物理性质。因此在未来的研究中,除了仍需要对构造煤体的孔隙结构进行系统性的研究外,还需要探究构造煤样品重构的新方法。 展开更多
关键词 构造煤 储层特性 突出机理 能量分析 应力
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卸压速度对构造煤突出过程中瓦斯膨胀能的控制作用 被引量:4
10
作者 蒋静宇 史孝宁 +2 位作者 王成浩 程远平 黄一鸣 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第11期4473-4485,共13页
煤与瓦斯突出(简称“突出”)多发生在构造煤层。瓦斯膨胀能是参与突出的重要能量之一。构造煤体在突出连续发展阶段中将经历连续复杂的卸压过程,为了明确卸压速度在突出连续发展过程中对瓦斯膨胀能的控制作用机理,选取地质构造复杂、突... 煤与瓦斯突出(简称“突出”)多发生在构造煤层。瓦斯膨胀能是参与突出的重要能量之一。构造煤体在突出连续发展阶段中将经历连续复杂的卸压过程,为了明确卸压速度在突出连续发展过程中对瓦斯膨胀能的控制作用机理,选取地质构造复杂、突出灾害治理难度较大的平煤十三矿突出煤层煤样为研究对象,开展了不同卸压速度条件下的构造煤型煤三轴加载试验、筛分试验和煤粒瓦斯解吸扩散动力学试验。基于试验结果揭示了不同卸压速度条件下构造煤体的粉化特征和瓦斯解吸规律,反算了不同卸压速度条件下破碎煤体的瓦斯解吸量和瓦斯膨胀能,提出了一种突出连续发展过程中的正反馈模型。结果表明:卸压对煤样强度和抵抗变形的能力具有一定的弱化作用,卸压速度越大,弱化作用越强,越容易发生破坏。随着卸压速度的提高,煤样破碎后的粉化程度增强,瓦斯解吸量亦随之增高,导致瓦斯膨胀能增大。卸压速度从0.01 MPa/s增大至0.1 MPa/s时,破碎煤样的瓦斯膨胀能增加了21.05%~40.00%。卸压速度的增大,使得构造煤样的破碎程度、气体流动通道和煤体内能增加,初始瓦斯解吸量也随之增加,最终导致瓦斯膨胀能的增加。研究表明卸压速度对诱导突出连续发展有着关键作用,其控制瓦斯膨胀能的正反馈过程不断循环是影响构造煤层突出连续发展的重要因素。 展开更多
关键词 煤与瓦斯突出 卸压速度 粉化作用 瓦斯膨胀能 正反馈循环
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微孔填充——煤中甲烷的主要赋存形式 被引量:42
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作者 程远平 胡彪 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第9期2933-2948,共16页
煤中甲烷赋存形式是其吸附能力的表征,也是其扩散和渗透特性研究的基础,厘清煤中甲烷赋存形式对煤矿瓦斯抽采和灾害防治具有重要意义。运用低压氮气和低压二氧化碳吸附法对不同变质程度的6个煤样微观孔隙结构进行定量分析,基于微孔填充... 煤中甲烷赋存形式是其吸附能力的表征,也是其扩散和渗透特性研究的基础,厘清煤中甲烷赋存形式对煤矿瓦斯抽采和灾害防治具有重要意义。运用低压氮气和低压二氧化碳吸附法对不同变质程度的6个煤样微观孔隙结构进行定量分析,基于微孔填充和单层吸附理论研究煤中甲烷极限吸附平衡状态,建立表征煤样甲烷吸附能力的量化方法,最后通过甲烷极限吸附实验结果验证理论结果的可靠性,获得甲烷在煤储层不同尺度孔隙结构中的赋存特征及其吸附能力的控制因素。结果表明:煤中0.38~1.50 nm孔隙结构的甲烷吸附能力受限于微孔孔容,而大于1.50 nm孔隙结构的甲烷吸附能力受孔隙表面积控制;6个煤样的孔隙结构中微孔孔容为0.028~0.065 cm^(3)/g、占66.1%~96.6%,微孔比表面积为75.4~197.3 m^(2)/g、占82.8%~98.2%;微孔填充计算的甲烷吸附量为14.50~32.27 cm^(3)/g,孔隙外表面积计算的甲烷吸附量为0.10~7.31 cm^(3)/g,计算的甲烷极限吸附量为14.60~33.35 cm^(3)/g;通过实验获得的甲烷极限吸附量为13.30~35.75 cm^(3)/g,与理论计算结果具有较好的相关性;说明煤中甲烷主要以微孔填充形式吸附在微孔孔隙中,5个煤样以微孔填充形式吸附的甲烷量超过极限吸附量的91%以上,0.38~0.76 nm微孔结构提供的甲烷吸附能力占总吸附能力的41.27%~55.32%;仅XQ煤样由于外比表面积的吸附作用,使其微孔填充形式吸附的甲烷量为极限吸附量的73.74%,0.38~0.76 nm微孔结构提供的甲烷吸附能力占总吸附能力的37.51%。 展开更多
关键词 孔隙特征 甲烷 吸附 微孔填充 单层吸附
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基于煤中甲烷赋存和运移特性的新孔隙分类方法 被引量:22
12
作者 程远平 胡彪 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第1期212-225,共14页
煤中复杂的多尺度孔隙结构是瓦斯赋存的空间和运移的通道,厘清甲烷在不同孔隙中的赋存和运移特性对煤层瓦斯的抽采利用以及灾害防治具有重要意义。在过去的几十年中,学者们对煤中复杂孔隙结构进行了大量的研究与分类。随着孔隙测试技术... 煤中复杂的多尺度孔隙结构是瓦斯赋存的空间和运移的通道,厘清甲烷在不同孔隙中的赋存和运移特性对煤层瓦斯的抽采利用以及灾害防治具有重要意义。在过去的几十年中,学者们对煤中复杂孔隙结构进行了大量的研究与分类。随着孔隙测试技术的发展,以及对煤中甲烷赋存和运移特性的进一步认识,发现现有的煤孔隙分类方法存在不足。因此,对以往的孔隙分类方法进行全面回顾,并基于最新的煤中甲烷赋存和运移特性的研究成果,提出了一种新的针对煤和甲烷系统的孔隙分类方法。将煤中孔隙结构划分为不可达孔(<0.38 nm)、填充孔(0.38~1.50 nm,吸附相扩散)、扩散孔(1.50~100 nm,游离相扩散)和渗流孔(>100 nm)4类,且煤中不同孔隙(填充孔、扩散孔和渗流孔)形成顺序串联,相同孔隙形成相互并联为主的连接模式。煤中甲烷主要以微孔填充形式吸附于填充孔中,填充孔中的吸附态甲烷作为煤层瓦斯运移的源头,以吸附相扩散的形式为扩散孔中的游离相扩散提供源源不断的甲烷分子,而扩散孔中运移的甲烷也汇总至渗流孔并不断渗流到抽采钻孔或煤壁表面。新的煤孔隙分类方法总结了甲烷分子在不同尺寸孔隙结构中的赋存形式(微孔填充吸附态、单分子层吸附态和游离态)及其运移特性,为从微观和宏观相结合角度进一步研究甲烷在煤中的赋存和运移规律提供了理论基础。 展开更多
关键词 甲烷 微孔填充 扩散 渗流 孔隙分类
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基于煤中瓦斯赋存和运移方式的孔隙网络结构特征表征 被引量:28
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作者 张开仲 程远平 +2 位作者 王亮 胡彪 李伟 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第10期3680-3694,共15页
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... 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。 展开更多
关键词 孔隙结构 多尺度 连通性 瓦斯赋存 瓦斯运移
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原生结构煤与构造煤孔隙结构与瓦斯扩散特性研究 被引量:18
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作者 胡彪 程远平 王亮 《煤炭科学技术》 CAS 北大核心 2018年第3期103-107,24,共6页
为了研究原生结构煤与构造煤孔隙结构与瓦斯扩散特性,采用压汞、低温液氮、二氧化碳吸附和稳压吸附试验对试验煤样进行研究。分析了原生结构煤与构造煤的孔隙结构特征,以及在颗粒条件下吸附瓦斯的时间效应,获得原生结构煤与构造煤孔隙... 为了研究原生结构煤与构造煤孔隙结构与瓦斯扩散特性,采用压汞、低温液氮、二氧化碳吸附和稳压吸附试验对试验煤样进行研究。分析了原生结构煤与构造煤的孔隙结构特征,以及在颗粒条件下吸附瓦斯的时间效应,获得原生结构煤与构造煤孔隙的复杂程度与瓦斯在煤粒中运移快慢的关系。研究表明:祁南矿和大宁矿原生结构煤的微孔孔长度分别为8.087×10^(10)m/g和1.202×10^(11)m/g,而构造煤的微孔孔长度分别为6.932×10^(10)m/g和1.090×10^(11)m/g;给定试验煤样条件下,原生结构煤吸附达到平衡状态需要的时间远大于构造煤,构造煤在前3 min的平均吸附速率分别为原生结构煤的3.3和3.8倍;煤样中的微孔孔长度越小,瓦斯在煤中的扩散路径越短,运移所需时间越少,在初期吸附的瓦斯量越大。 展开更多
关键词 瓦斯吸附 瓦斯扩散 构造煤 原生结构煤 煤孔隙
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煤与瓦斯突出相似模拟试验的能量原理 被引量:17
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作者 程远平 雷杨 杨斯杰 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第11期4078-4096,共19页
煤与瓦斯突出作为一种破坏力极强的矿井动力灾害,由于这种动力灾害通常难以直接观测,煤与瓦斯突出的物理相似模拟成为了收集突出观测数据和研究突出机理的重要方法。然而,突出相似模拟试验的能量原理目前仍缺乏系统性研究。通过对过去7... 煤与瓦斯突出作为一种破坏力极强的矿井动力灾害,由于这种动力灾害通常难以直接观测,煤与瓦斯突出的物理相似模拟成为了收集突出观测数据和研究突出机理的重要方法。然而,突出相似模拟试验的能量原理目前仍缺乏系统性研究。通过对过去70 a中突出模拟试验的回顾,发现实验型煤具有普遍较高的孔隙率(10%~40%,中位数为21.2%),显著增大了煤孔隙中储存的初始游离瓦斯膨胀能(几倍到几十倍)。为了进一步获得突出模拟试验的能量释放特征,基于相似准则,利用真三轴煤与瓦斯突出模拟系统开展了一系列突出模拟试验。结合观测数据与能量分析,发现瓦斯膨胀能是突出能量的主要组成部分,占总能量的87.50%~95.31%,其中初始游离气体的贡献占比为1/3~2/3;证明了实验室模拟试验的本质,是将突出过程等效为煤中高压气体驱动的动力过程。特别是,由于实验型煤高孔隙率引起的高初始游离瓦斯膨胀能,模拟试验可以不依赖应力条件,甚至可以由非吸附性气体(如He)在低压下(约0.45 MPa)诱发。与现场实际突出相比,模拟试验往往表现为瓦斯膨胀能与应力能的同时释放,缺乏应力与瓦斯之间的相互作用,因而难以还原突出的激发过程。在未来的试验装置设计中,如何使实验型煤孔隙率与原始煤层相当(通常为1%~11%)是突出相似模拟能否在相似性上获得突破性进展的关键。 展开更多
关键词 煤与瓦斯突出 瓦斯膨胀能 试验仪器 能量原理 突出机理
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构造煤变形能及在煤与瓦斯突出中的作用 被引量:17
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作者 程远平 王成浩 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第2期645-663,共19页
煤与瓦斯突出是一种以煤体变形能与瓦斯膨胀能共同驱动的煤岩动力灾害,尽管突出的综合作用假说已被广泛认可,相比于瓦斯膨胀能,煤体变形能在突出中的作用总被忽视。为了确定煤体变形能在突出中是否可以被忽略,对霍多特和郑哲敏的研究(... 煤与瓦斯突出是一种以煤体变形能与瓦斯膨胀能共同驱动的煤岩动力灾害,尽管突出的综合作用假说已被广泛认可,相比于瓦斯膨胀能,煤体变形能在突出中的作用总被忽视。为了确定煤体变形能在突出中是否可以被忽略,对霍多特和郑哲敏的研究(突出能量领域的代表性成果)开展了系统回顾与讨论,认为霍多特提出的突出激发能量判据以煤体变形能为核心,而郑哲敏的数量级对比结果不能作为变形能可以被忽视的证据。大部分煤与瓦斯突出事故发生在构造煤层中,为揭示构造煤变形能在突出中的贡献,开展了煤体循环载荷实验与三轴破坏同步声发射监测实验,实验结果表明:与原生煤的线性、小变形特征不同,构造煤的加卸载曲线具有非线性、大变形的特征,构造煤的变形能与应力不再符合平方关系。基于土力学临界状态模型,构建了适用于构造煤非线性特征的变形能理论计算模型,该模型反映了煤体变形能与应力间的幂函数关系,确定了构造煤的幂指数主要为1.1~1.3,原生煤的幂指数主要为1.7~1.9,进一步表明构造煤的性质与土体更相似,而原生煤的性质更接近理想弹性体。尽管在相同应力水平下,构造煤的变形能更大,但构造煤在失稳后的对外释放能量很低,表现为损伤破碎时几乎不产生声发射信号。构造煤变形能的对外释放能量增加了煤体孔隙率,对内耗散能量为瓦斯快速解吸提供条件,2者综合控制了瓦斯膨胀能的释放。瓦斯膨胀能的研究对象应为参与突出做功的瓦斯,即突出煤体在短时间内的释放瓦斯,进一步的实验与数值分析结果表明,参与突出做功的瓦斯膨胀能与构造煤体变形能数量级相近,为10^(2)~10^(3)kJ/t。煤体变形能与瓦斯膨胀能的释放存在时序性与因果性,在突出孕育–激发阶段,煤体变形能的预先释放是瓦斯膨胀能聚集的必要条件。突出由煤体变形能与瓦斯膨胀能共同控制,煤体变形能与瓦斯膨胀能在突出中具有同等重要的地位。 展开更多
关键词 煤与瓦斯突出 构造煤 煤体变形能 瓦斯膨胀能 释放机制
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采动裂隙形态响应及覆岩渗透性演变试验研究 被引量:8
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作者 孔胜利 贾音 +2 位作者 程远平 宋雨晴 杨洋 《煤炭科学技术》 CAS CSCD 北大核心 2020年第11期135-140,共6页
采场覆岩岩层移动和裂隙发育产生的卸压增透作用是实现瓦斯高效抽采的保障,为了探究回采中采动裂隙的分布和覆岩渗透性的演变,基于相似模拟技术,分析了裂隙的形态响应过程,并利用瞬态流量法以空气为介质对覆岩渗透性进行了测试,研究结... 采场覆岩岩层移动和裂隙发育产生的卸压增透作用是实现瓦斯高效抽采的保障,为了探究回采中采动裂隙的分布和覆岩渗透性的演变,基于相似模拟技术,分析了裂隙的形态响应过程,并利用瞬态流量法以空气为介质对覆岩渗透性进行了测试,研究结果表明:裂隙布展在频数上,近开切眼区域高于采场内部;在形态上,裂隙角度多集中在水平夹角0°~10°、90°~110°和170°~180°三个区域,近开切眼区域裂隙角度与岩层卸压角表现出一致性,而在采场内部裂隙角度多以正交方向为主。回采过程中,测点流量数据与采动影响密切相关,水平方向上各测点流量均经历了波动—激增—稳定3个阶段,而垂向上流量激增阶段较不明显,最终稳定流量与测点与回采层位层间距呈负相关。利用数据拟合,获得了描述覆岩渗透性与层间距关系的三参数对数式,并对各参数的物理意义进行了解释。研究成果可对瓦斯抽采的工程参数布置提供一定的指导。 展开更多
关键词 采动裂隙 渗透性 层间距 瓦斯抽采
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Regional gas drainage techniques in Chinese coal mines 被引量:14
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作者 Wang Haifeng cheng yuanping Wang Lei 《International Journal of Mining Science and Technology》 SCIE EI 2012年第6期873-878,共6页
China's rapid economic development has increased the demand for coal.These results in Chinese coal mines being extended to deeper levels.The eastern Chinese,more economical developed,regions have a long history of... China's rapid economic development has increased the demand for coal.These results in Chinese coal mines being extended to deeper levels.The eastern Chinese,more economical developed,regions have a long history of coal mining and many coal mines have now started deep mining at a depth from 800 to 1500 m.This increase in mining depth,geostresses,pressures,and gas content of the coal seam complicates geologic construction conditions.Lower permeability and softer coal contribute to increasing numbers of coal and gas outburst,and gas explosion,disasters.A search on effective methods of preventing gas disasters has been provided funds from the Chinese government since 1998.The National Engineering Research Center of Coal Gas Control and the Huainan and Huaibei Mining Group have conducted theoretical and experimental research on a regional gas extraction technology.The results included two important findings.First,grouped coal seams allow adoption of a method where a first,key protective layer is mined to protect upper and lower coal seams by increasing permeability from 400 to 3000 times.Desorption of gas and gas extraction in the protected coal seam of up to 60%,or more,may be achieved in this way.Second,a single seam may be protected by using a dense network of extraction boreholes consisting of cross and along-bed holes.Combined with this is increased use of water that increases extraction of coal seam gas by up to 50%.Engineering practice showed that regional gas drainage technology eliminates regional coal and gas outburst and also enables mining under low gas conditions.These research results have been adopted into the national safety codes of production technology.This paper systematically introduces the principles of the technology,the engineering methods and techniques,and the parameters of regional gas drainage.Engineering applications are discussed. 展开更多
关键词 Coal and GAS OUTBURST GAS drainage Protective SEAM Pressure-relief GAS DENSE BOREHOLE
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Sponge Effect on Coal Mine Methane Separation Based on Clathrate Hydrate Method 被引量:14
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作者 ZHANG Baoyong cheng yuanping WU Qiang 《Chinese Journal of Chemical Engineering》 SCIE EI CAS CSCD 2011年第4期610-614,共5页
The findings were presented from laboratory investigations on the hydrate formation and dissociation processes employed to recover methane from coal mine gas.The separation process of coal mine methane(CMM) was carrie... The findings were presented from laboratory investigations on the hydrate formation and dissociation processes employed to recover methane from coal mine gas.The separation process of coal mine methane(CMM) was carried out at 273.15K under 4.00 MPa.The key process variables of gas formation rate,gas volume stored in hydrate and separation concentration were closely investigated in twelve THF-SDS-sponge-gas systems to verify the sponge effect in these hydrate-based separation processes.The gas volume stored in hydrate is calculated based on the measured gas pressure.The CH4 mole fraction in hydrate phase is measured by gas chromatography to confirm the separation efficiency.Through close examination of the overall results,it was clearly verified that sponges with volumes of 40,60 and 80 cm 3 significantly increase gas hydrate formation rate and the gas volume stored in hydrate,and have little effect on the CH4 mole fraction in hydrate phase.The present study provides references for the application of the kinetic effect of porous sponge media in hydrate-based technology.This will contribute to CMM utilization and to benefit for local and global environment. 展开更多
关键词 coal mine methane separation clathrate hydrate SPONGE porous media mass transfer
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Gas desorption characteristics of the high-rank intact coal and fractured coal 被引量:16
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作者 Lu Shouqing cheng yuanping +3 位作者 Qin Liming Li Wei Zhou Hongxing Guo Haijun 《International Journal of Mining Science and Technology》 SCIE EI CSCD 2015年第5期819-825,共7页
The objective of this work is to study the gas desorption characteristics of the high-rank intact coal and fractured coal.The gas adsorption,mercury porosimetry and gas desorption experiments were carried out in this ... The objective of this work is to study the gas desorption characteristics of the high-rank intact coal and fractured coal.The gas adsorption,mercury porosimetry and gas desorption experiments were carried out in this study.Then,the theories of thermodynamics,diffusion mechanism and desorption kinetics were used to estimate the gas desorption characteristics.The results of gas adsorption experiments show that the initial isosteric adsorption heat of the intact coal is greater than that of the fractured coal,indicating that the gas molecules desorb more easily from fractured coal than intact coal.Using the mercury porosimetry,we find that the diffusion channels of fractured coal are more developed than those of intact coal.The difficult diffusion form dominates in the intact coal during the gas diffusing,while the easy diffusion form dominates in the fractured coal.The results of gas desorption experiments show that the initial gas desorption volume and velocity of the fractured coal are both greater than those of the intact coal.Using the Fick diffusion law,the study calculates the gas diffusion coefficients of the intact coal and fractured coal.The diffusion coefficients of the fractured coal are 2 times and 10 times greater than those of the intact coal at the time of 0-120 and 0-10 min,respectively. 展开更多
关键词 Intact coal Fractured coal Isosteric adsorption heat Diffusion coefficient
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