细观特征对贵州高瓦斯低渗难抽煤层作用机制研究.pdf

贵 州 大 学 2017 届硕士研究生学位论文 细观细观特征对贵州高瓦斯低渗难抽煤特征对贵州高瓦斯低渗难抽煤 层作用机制研究层作用机制研究 学科专业 矿业工程 研究方向 矿山安全与灾害防治 导 师 袁梅教授 研 究 生 杨萌萌 中国﹒﹒贵州﹒﹒贵阳 2017 年 4 月 分 类 号 TD712 论文编号 2014021987 密 级 公开 万方数据 贵州大学硕士学位论文 摘要 I 细观细观特征对贵州高瓦斯低渗难抽煤特征对贵州高瓦斯低渗难抽煤 层作用机制研究层作用机制研究 摘摘 要要 贵州煤炭资源丰富，瓦斯储量大，但目前很多贵州煤矿都面临着煤层瓦斯含 量高，瓦斯抽采难度大，抽采效率低等问题。为了从煤的细观特征探究造成该问 题的原因， 本文以取自贵州富煤区具有高瓦斯低渗难抽特点的 6 个突出煤层为研 究对象，通过扫描电镜实验、压汞实验、低温液氮吸附实验和高压容量法瓦斯吸 附实验，探究了煤的细观特征对贵州高瓦斯低渗难抽煤层的作用机制，并结合各 煤层的瓦斯抽采现状分析了造成上述煤层抽采效率低的原因， 本文取得的研究进 展如下 1）利用全自动工业分析仪、全自动密度分析仪等设备测定了实验煤样工业 分析、真/视密度等基本参数；借助扫描电镜观察了煤的外部孔、裂隙特征；利 用全自动压汞仪测定了煤样的孔隙度、孔隙迂曲度、孔隙连通性等特征；利用全 自动比表面积及孔径测试仪测定了煤样的比表面积、总孔体积、孔径分布、孔隙 连通性；利用高压容量法瓦斯吸附装置测定了煤样的瓦斯吸附常数、吸附等温曲 线。 2）由扫描电镜实验可知，6 个实验煤层中有部分裂隙存在，但分布较少，存 在一定数量的中孔，为气孔，孔隙大多独立存在，相互之间连通性不好。由压汞 实验可知 6 个实验煤层孔隙度较大，迂曲度较低，可见孔、裂隙以及部分大孔连 通性较好，微孔和过渡孔之间的连通性差。由低温液氮吸附实验可知，6 个实验 煤层微孔较多，但连通性差，实验结果与压汞实验相互应证。由高压容量法瓦斯 吸附实验可知，6 个实验煤层的极限吸附量较大，吸附瓦斯的能力强，对瓦斯的 吸附速率大于解吸速率。 3）根据实验结果分析了贵州富煤区 6 个高瓦斯低渗难抽煤层的细观特征， 认为造成 6 个煤层原始瓦斯含量较高的原因是煤中的孔隙度较大， 孔体积和孔表 面积较大，煤的变质程度较高，煤层较厚；造成 6 个煤矿瓦斯难抽采的原因主要 是煤层中微孔和小孔的连通性较差，裂隙稀疏，裂隙不连贯，钻孔后钻孔瓦斯流 量衰减快。 关键词孔隙连通性，吸附，解吸，瓦斯抽采，透气性 万方数据 贵州大学硕士学位论文 ABSTRACT I The study of the mechanism of action of the microscopic characteristics on high gas low permeability and difficult gas drainage coal seams in Guizhou Yang Meng meng ABSTRACT The coal resource and gas reserves in Guizhou is very abundant.But at present,many coal mines in Guizhou are faced with the problems of high gas content in coal seams,difficult gas drainage and low extraction efficiency.In order to explore the cause of the problem from the microscopic characteristics of coal,six outburst coal seams which have the characteristics of high gas ,low permeability and difficult gas drainage in rich coal district of Guizhou are taken as the research object through the SEM experiments ,the mercury injection experiments,low temperature liquid nitrogen adsorption experiment, and high pressure volumentric gas adsorption experiment in the pater. The mechanism of action of the microscopic characteristics of coal on the coal seams which have the characteristics of high gas ,low permeability and difficult gas drainage in Guizhou are explored.And combined with the present situation of gas drainage of coal seams,the reasons for low extraction efficiency of coal seams are analyzed.The research progress of this paper are as follows. 1The industry analysis,TRD/ARD analysis and other basic parameters are determined by automatic industrial analyzer, automatic density analyzer and so on.The characteristics of external hole and fissure are observed by The SEM experiment equipment.The porosity ,pore tortuosity and pore connectivity of coal samples are measured by mercury porosimetry.The specific surface area, pore volume, pore size and pore connectivity are determined by the specific surface area and pore size analysis instrument.The gas adsorption constant of coal samples and the adsorption isothermal curves are measured by high pressure volumnetric gas adsorption equipment. 2 The SEM experiments have shown that there are some fissures in the six coal seams ,but the distribution is small,and there are a number of mesopores ,which are 万方数据 贵州大学硕士学位论文 ABSTRACT II blowholes.Most of them exist independently and are not well connected with each other. The mercury injection experiments have shown that the porosity of the six coal samples is larger, the toruosity is relatively low,the visible pores, fissures and some of the larger pores are well connected ,micropores and transition pores are poor connectivity. The low temperature liquid nitrogen adsorption experiment have shown that there are more micropores in the six coal seams ,but the connectivity of micropores is poor and the results of the experiments are mutual evidence with the mercury injection experiments. The high pressure volumentric gas adsorption experiment have shown that the maximum adsorption capacity of the six coal seams is larger.,the adsorption ability of coal for gas is heavy,the adsorption rate of coal for gas is higher than the desorption rate. 3 The microscopic characteristics of the six coal seams which have the characteristics of high gas ,low permeability and difficult gas drainage in rich coal district of Guizhou are analyzed according to the experimental results.It is believed that the reasons for the higher original gas content of the six coal seams are that the porosity of coal is larger,the pore volume and pore surface area are larger,the degree of coal metamorphism is higher ,and the coal seams are thick.It is considered that the main reasons for the difficulty of gas drainage in the six coal mines are the poor connectivity of the pores and small pores in the coal seams ,the sparse and incoherent fissures.After drilling,gas flow is fast attenuation. Keywords connectivity of pores ,adsorption,desorption,gas drainage, gas permeability 万方数据 贵州大学硕士学位论文 目录 I 目目 录录 摘 要....................................................................................................... I ABSTRACT ................................................................................................ I 目 录 .................................................................................................... I 1 绪论......................................................................................................... 1 1.1 选题背景及研究意义 .................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ............................................................................ 2 1.3 贵州煤层瓦斯抽采存在的问题及研究现状 ................................ 8 1.4 研究内容及研究方案 .................................................................... 9 1.4.1 主要研究内容 ....................................................................... 9 1.4.2 研究方案 ............................................................................. 10 1.5 主要创新点 ................................................................................. 10 1.6 技术路线 ...................................................................................... 11 2 煤的细观特征及煤层瓦斯赋存和运移理论 ...................................... 12 2.1 煤层中的孔、裂隙 ...................................................................... 12 2.1.1 孔隙 ..................................................................................... 12 2.1.2 裂隙 ..................................................................................... 14 2.2 煤层中孔隙的连通性 .................................................................. 15 2.3 孔、裂隙的研究方法 .................................................................. 16 2.4 煤层中瓦斯的赋存状态 .............................................................. 16 2.4.1 瓦斯的生成 ......................................................................... 16 2.4.2 吸附态瓦斯 ......................................................................... 17 2.4.3 游离态瓦斯 ......................................................................... 18 万方数据 贵州大学硕士学位论文 目录 II 2.4.4 水溶态瓦斯 ......................................................................... 19 2.5 煤层中瓦斯的运移 ...................................................................... 19 2.5.1 解吸过程 ............................................................................. 19 2.5.2 扩散过程 ............................................................................. 19 2.5.3 渗流过程 ............................................................................. 20 2.6 本章小结 ...................................................................................... 20 3 贵州高瓦斯低渗难抽煤层概况及基本参数测定 .............................. 22 3.1 煤样采集 ...................................................................................... 22 3.2 取样煤层概况 .............................................................................. 23 3.3 煤样制备 ...................................................................................... 26 3.4 煤层基础参数测定 ...................................................................... 27 3.4.1 工业分析 ............................................................................. 27 3.4.2 煤样的真/视密度测定 ........................................................ 28 3.4.3 煤样的坚固性系数 f 测定 .................................................. 29 3.5 本章小结 ...................................................................................... 31 4 煤的细观特征测定实验 ...................................................................... 32 4.1 扫描电镜实验 .............................................................................. 32 4.1.1 实验仪器及步骤 ................................................................. 32 4.1.2 实验结果及分析 ................................................................. 33 4.2 压汞实验 ...................................................................................... 37 4.2.1 实验仪器及步骤 ................................................................. 37 4.2.2 实验结果及分析 ................................................................. 38 4.3 低温液氮吸附实验 ...................................................................... 43 万方数据 贵州大学硕士学位论文 目录 III 4.3.1 实验仪器及步骤 ................................................................. 43 4.3.2 实验结果及分析 ................................................................. 44 4.4 高压容量法瓦斯吸附实验 .......................................................... 52 4.4.1 实验仪器及步骤 ................................................................. 52 4.4.2 实验结果及分析 ................................................................. 54 4.5 本章小结 ...................................................................................... 56 5 细观特征对高瓦斯低渗难抽煤层的作用机制分析 .......................... 58 5.1 细观特征对煤层高瓦斯含量的影响 .......................................... 58 5.1.1 煤的细观特征对瓦斯生成的影响 ..................................... 58 5.1.2 煤的细观特征对瓦斯赋存的影响 ..................................... 59 5.2 细观特征对煤层瓦斯运移的影响 .............................................. 60 5.2.1 煤的细观特征对瓦斯解吸规律的影响 ............................. 60 5.2.2 煤的细观特征对瓦斯扩散和渗流规律的影响 ................. 60 5.3 细观特征对煤层瓦斯难抽采的影响 .......................................... 61 5.3.1 实验煤层瓦斯含量高的原因分析 ..................................... 61 5.3.2 实验煤层低渗难抽的原因分析 ......................................... 63 5.4 本章小结 ...................................................................................... 65 6 结论与展望 .......................................................................................... 67 6.1 本文主要结论 .............................................................................. 67 6.2 今后研究工作展望 ...................................................................... 68 致谢 ........................................................................................................... 69 参考文献参考文献 .................................................................................................. 70 万方数据 贵州大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 绪论绪论 1.1 选题背景及研究意义选题背景及研究意义 在煤的形成过程中伴随着煤层瓦斯的生成，瓦斯的主要成分是甲烷，是一 种经济、 高热、 洁净、 方便的能源。 1000m3的瓦斯 （燃烧热值 3.353.77 105J/m3） 约相当于 4 吨原煤燃烧所产生的热量[1]。瓦斯从生成到开采经历了吸附、解吸、 扩散、渗流和产出几个连续阶段。煤孔隙成因类型多，形态各异，大小不等，变 化复杂。各种孔隙在煤储层中都有一定的作用。煤中各种孔隙都具有储集性，各 种孔隙承担煤储层的储集任务。孔隙的连通性直接关系到储层的渗透作用。煤中 孔隙虽然较多， 但孔隙各自发育、 连通性差使煤层的渗透率较低。 在煤化过程中， 构造应力产生的次生裂隙是煤层中的主要导流通道， 但由于原始割理裂缝连通性 较差，不能形成高导流能力的通道，使煤层瓦斯的抽采率降低[2]。同时受特殊地 质条件的影响，绝大多数矿井具有低饱和度（70） 、低压（0.8） 、低渗透性 （1md）的三低现象，在工程实践中大部分矿井抽采水平达不到 30[3]。瓦斯 成为诱发煤矿事故的主要危险源。不仅如此，瓦斯的温室效应是同等质量 CO2 的 2060 倍， 对臭氧层的破坏能力是 CO2的 7 倍， 是大气环境的污染源[1]。 因此， 提高煤层中瓦斯的抽采效率，不仅可以降低煤层中瓦斯的压力和含量，降低煤矿 事故的发生，又可变坏为宝，实现安全生产[4]，能源供应，环境保护，使煤炭行 业持续健康发展。 贵州是中国南方煤炭最丰富的省区，素有“西南煤海”之称。贵州含煤面积 占总面积的 40以上，煤炭相对集中于西部盘县、水城、六枝、织金、纳雍和大 方等县，其次在黔北的桐梓、仁怀、习水、遵义和中部的贵阳-安顺一带，黔西 南地区也有较多分布[5]。贵州煤炭资源储量 528 亿吨，2013 年贵州煤炭产量 1.9 亿吨， 2014 年贵州煤炭产量 1.85 亿吨，2015 年贵州煤炭产量 1.7 亿吨。贵州煤 矿资源储蓄量大、种类齐全、煤质优良。但由于贵州矿区复杂的地质结构、煤层 埋藏深，瓦斯含量高，透气性低，贵州大部分煤矿属于煤与瓦斯突出矿井，目前 瓦斯灾害已成为制约贵州煤矿安全生产的主要因素， 有效的防治煤矿瓦斯灾害对 贵州煤矿的安全高效生产具有重大意义。瓦斯抽采可有效解决矿井瓦斯涌出问 题，减小煤层内瓦斯压力，缓解或消除煤与瓦斯突出等灾害，是目前治理瓦斯问 题的重要措施， 也是确保安全成产的前提和关键。目前很多高瓦斯矿井面临着瓦 斯抽采难度大，抽采效率低的问题，为了探究造成该问题的原因，本文主要以贵 州高瓦斯低渗难抽煤层为研究对象，以其细观特征为切入点，探究高瓦斯低渗难 抽煤层的细观特征与煤层瓦斯抽采效果之间的作用机制， 为防治贵州煤矿瓦斯灾 万方数据 贵州大学硕士学位论文 1 绪论 2 害、瓦斯资源开发利用及提高安全生产现状提供理论指导。 1.2 国内外国内外研究现状研究现状 1） 煤层孔、裂隙结构研究 煤岩中含有孔隙和裂隙双重孔隙系统，煤层中瓦斯的生成、吸附、解吸和运 移都和煤岩中的孔隙和裂隙有关。 国内外许多学者对煤中的孔隙和裂隙结构做了 研究。Bolivia Vega[6]使用高 X 射线对比气体技术，研究了低透气性双重孔隙系 统的 CT 成像。 Abdullah Fisne 和 Olgun Esen[7]研究了土耳其宗古尔达克煤盆地的 煤与瓦斯突出危险性，以及其与地质参数之间的关系，并且结合该地区的煤矿和 地质状况，详细分析了可能引起煤与瓦斯突出的原因，对影响煤与瓦斯突出的地 理参数（裂隙的深度、厚度、倾角） 、煤与瓦斯突出的发生次数和地质构造的扰 动等因素做了统计分析。琚宜文和 Kray Luxbacher 等[8]研究了构造煤的微观结构 变化以及这些变化对煤的物化性质的影响，利用 X 射线衍射技术、高分辨率透 射电子显微镜以及低温氮吸附实验分析了构造煤的大分子结构与孔隙之间的关 系。袁玉东和 Nima Gholizadeh Doonechaly 等[9]，利用致密多孔煤体的瓦斯渗透 率分析模型，研究了孔隙大小和弯曲度、孔隙率、扩散表面、Langmuir 参数对 渗透的影响。范俊佳等[10]通过对不同变质与变形煤样的宏微观构造观测、镜质 组反射率测试、 孔隙度测试以及压汞实验分析，研究了不同变质变形煤层的孔裂 隙结构特征及其对瓦斯可采性的影响。李伟等[11]以渭北煤田韩城矿区结构煤为 研究对象，通过显微 CT 三维空间分析技术，采用多孔介质三维逾渗理论，开展 了不同结构煤的孔隙三维建模分析， 实现了对不同结构煤中孔隙分布三维可视化 的精细表征， 从而定量研究了不同结构煤的孔隙连通性和渗透能力的差异性。孟 宪明[12]借助计算机作为辅助工具，通过实验分析对煤孔隙结构和煤吸附 CH4、 N2、CO2及 CH4/CO2二元混合气体吸附特性进行了系统研究。李维光[13]运用岩 层移动理论和采空区瓦斯流动规律， 研究了采场内卸压瓦斯的运移路径和富集区 域，建立了矿井煤与瓦斯共采系统。刘爱华等[14]分析了高煤阶煤与低煤阶煤的 镜质组最大反射率，认为随着煤变质程度提高煤中大孔、中孔减少，微孔增多， 孔隙度降低， 高煤阶煤总比孔容较低煤阶煤的总比孔容小， 低煤阶煤以开放孔为 主，孔隙连通性较好，无烟煤多存在半封闭孔。张晓辉[15]采用显微 CT 法、压汞 法、低温氮吸附法等多种测试手段，结合盒维数、热力学、FHH 等分形理论模 型对选取的不同变形强度的典型构造煤（碎裂煤、碎粒煤、碎粉煤、鳞片煤、糜 棱煤）的渗流孔和吸附孔孔隙结构进行了多尺度下的精细化、定量化表征。薛东 杰等[16]分析了应变归一化系数和弹性模量（泊松比）在平行和垂直方向的分层、 分层角度、孔隙度、孔隙半径、法向与切向刚度和裂缝，并研究了有不同切向刚 度不同宽度的裂缝之间的关系。钟玲文等[17]分析了煤中孔隙的孔体积、孔隙的 万方数据 贵州大学硕士学位论文 1 绪论 3 比表面积及其同孔隙类型的关系与对煤吸附瓦斯能力的影响。王明寿等[18]对煤 储层中孔隙结构特征的研究方法和研究成果进行了总结， 并提出了今后针对煤中 瓦斯抽放的煤中孔隙的研究方向。桑树勋等[19]分析了固气作用煤中孔隙类型的 成因及分布规律，认为煤体中存在吸附孔隙、吸收孔隙、凝聚-吸附孔隙和渗流 孔隙四种具有固气作用的孔隙类型。琚宜文等[20]将构造煤纳米级孔隙结构化分 为极微孔（小于 2.5nm） 、亚微孔（2.5nm5nm） 、微孔（5nm15nm）和过渡孔 （15nm100nm） ，认为对煤的孔隙特征参数演化起决定作用的是构造应力的强 弱。降文萍等[21]研究了不同煤体结构的构造煤的孔隙特征，并将低温液氮吸附 回线进行了分类，分析了发生瓦斯吸附的孔径范围。魏建平等[22]对不同煤级的 煤样孔隙结构综合分形特征进行了研究， 认为不同煤级的孔隙结构有显著的分形 特征，煤中的总孔体积越大，综合分形维数就越大，煤中孔隙的表面粗糙度就越 大，孔隙分布情况越复杂。陈玉莲等[23]研究了花岗岩、油页岩和煤岩在不同温 度下的孔隙。 综上所述，国内外的学者主要利用压汞法、低温液氮吸附法、扫描电镜法和 显微 CT 法分析煤岩中的孔、 裂隙结构特征对瓦斯的吸附、 运移、 煤与瓦斯共采、 煤与瓦斯突出等方面的影响， 本文要研究细观特征对贵州高瓦斯低渗难抽煤层的 作用机制，应先掌握煤中瓦斯的吸附、解吸和运移机理，掌握孔、裂隙研究的测 定方法，分析目前细观研究的发展，从而确定本文研究的方案。 2） 煤的吸附解吸特性研究 煤中的瓦斯大部分通过吸附的方式储存在煤岩中， 瓦斯的解吸是瓦斯产出的 前提条件， 所以有很多学者对瓦斯的吸附解吸特性及其影响因素进行了深入的探 究。刘纪坤[24]利用专用瓦斯吸附罐对不同条件下煤层瓦斯吸附解吸过程中温度 变化的规律进行了实验研究。赵东[25]针对采用过热水或过热水蒸气，加热煤层 开采瓦斯的施工方案和工艺，进行了较小煤试样的细观渗流实验研究、不同温度 和水压作用下大尺寸煤试样对瓦斯的吸附解吸实验研究、 毛细管中水和甲烷的运 移机理研究。马东民等[26-28]通过对沁水南部寺河煤矿 3 号煤进行瓦斯吸附/解吸 实验，得出了该瓦斯吸附/解吸的数学式与等量吸附热表达式。雷东记[29]研究了 静电场对不同煤种、 不同破坏类型煤样的瓦斯吸附/解吸特性的影响规律。 吴迪[30] 开展了 CO2注入残留煤层非等温渗流实验、CH4和 CO2单组分气体及 CH4/CO2 二元混合气的非等温吸附解吸实验、CO2驱替置换 CH4实验以及煤层注入 CO2 驱替 CH4的数值模拟研究。宋晓[31]基于声波技术提高瓦斯抽采率的方法，采用 自制的声波作用下瓦斯吸附解吸系统，研究了不同声强、不同频率的声波作用下 瓦斯的吸附、解吸及扩散特性，分析了声波作用对吸附、解吸模型参数的影响， 探讨了声波促进煤中甲烷解吸、扩散的微观机理。杨华平[32]通过温度场下甲烷 气体两次解吸实验、煤体红外光谱实验和密度泛函理论DFT分别从宏观能量和 万方数