水分对煤体瓦斯吸附及径向渗流影响试验研究

 为了解水力化钻孔周围煤体瓦斯径向渗流特性,利用自行研制的径向瓦斯渗流试验系统,对青东煤矿突出煤层试样,进行干燥煤样、液态水润湿煤样、吸附瓦斯后高压注水煤样的等温解吸及径向稳态渗流试验。结果表明：(1) 相同平衡压力下,高压注水煤样等温吸附量高于干燥煤样,均显著高于液态水润湿煤样的吸附量。(2) 随含水率增加液态水润湿煤样等温吸附量逐渐降低,呈对数函数关系,得出各系数随吸附压力变化的拟合函数。(3) 相同覆压下,高压注水煤样瓦斯渗透率显著高于干燥煤样渗透率,液态水润湿煤样渗透率略低于干燥煤样渗透率;且液态水润湿煤渗透率随含水率增加而降低,在低瓦斯压力阶段尤为显著。根据试验结果分析水分对径向瓦斯渗流特性的影响机制,并指出水力化钻孔径向瓦斯流动经过原始解吸渗流区、压力水抑制解吸渗流区、液态水自然润湿解吸渗流区3个区域。     

煤层瓦斯运移机制的关键参数表征

 煤层的瓦斯扩散系数、浓度流动系数、初始运移强度系数和衰减系数,是煤体孔隙结构和煤质特性的力学表征。为研究煤层瓦斯运移机制,量化煤层瓦斯运移能力,依据Fick扩散理论和质量守恒方程,建立了描述煤体瓦斯浓度与扩散速率的计算模型,采用变量分离法进行数学求解,并通过数据迭代方法获取煤体内瓦斯的扩散系数和表面浓度流动系数;通过室内4种煤样瓦斯运移实验数据比较发现,煤体瓦斯质量增量与运移时间成负指数关系,且随煤阶升高而增大;瓦斯运移速度和衰减系数取决于煤的吸附能力和煤质组分,且煤种之间差异明显;渗透率与扩散系数成线性关系,与流动系数成二次函数关系,且随煤阶升高整体呈增加趋势。     

考虑有效应力的钻屑量理论分析及试验研究

考虑深部开采条件下水平地应力作用不能忽略,引入有效应力,推导得到新钻屑量公式,分析给出了有效应力与钻屑量间关系,提出了通过有效应力判断钻屑量方法。在此基础上以典型阜新孙家湾矿突出危险煤层为例,利用自主研制的三维应力煤体钻屑量检测试验装置,改变轴压模拟垂直地应力、围压模拟水平地应力、孔隙压模拟瓦斯压力作用,进行了实验室尺度下钻屑法模拟试验,研究了有效应力、煤层深度、瓦斯压力对钻屑量影响规律。研究结果表明:钻屑量与有效应力呈线性递增关系,试验值略大于理论值,平均误差为7.9%,与前人结论一致,验证了新钻屑量公式有效性及三维应力煤体钻屑量检测试验装置可靠性;随着煤层埋藏深度增大,钻屑量越大,钻屑量与煤层深度呈线性递增规律,且钻屑量随钻孔深度增加呈先减小、后递增、最后缓慢递减规律,在钻孔深度12.5 cm处钻屑量最大,表明此处为应力集中区;钻屑量随瓦斯压力增加,呈指数函数递增规律,瓦斯压力越大,孔壁裂纹扩展越明显,说明瓦斯对煤体软化作用越显著。上述研究结论对该矿深部煤与瓦斯突出预测和防治具有重要参考价值。     

轴向静载对红砂岩中应力波传播特性的影响试验研究

由于开挖卸荷效应以及原岩应力的复杂性,围岩体承受的静应力大小具有动态变化特点。为了研究静应力大小对岩石应力波传播的影响,利用动静组合加载试验装置,对红砂岩长试件进行小扰动的应力波传播试验,试件轴向静应力分别设置为13个等级。通过应力波传播速度和幅值随传播距离、传播时间以及静应力的衰减规律,研究不同静应力条件下应力波的传播衰减特性。结果表明,相同轴压下,不同测点处应力波形状基本相同;不同轴压下,相同测点处应力形状变化较大,轴压越大,应力波尾部出现的拉伸波越大。随着轴向静应力的增加,岩石纵波波速呈"快速增加–平缓发展–急剧减小"的趋势,轴向静应力与单轴抗压强度之比?s/?c=30%和?s/?c=55%是其2个应力分界点。相同轴压下,应力波幅值随传播距离及传播时间都具有良好的指数关系;随着轴压的增加,空间和时间响应强度逐渐减小,幅值空间衰减系数和时间衰减系数呈"快速减小–平稳发展–急剧增大"的趋势。随轴压增加,相同测点处幅值随轴压衰减系数??s先减小后增大,离冲击端越近测点处的??s变化越敏感。     

高压注水对煤体瓦斯解吸特性影响的试验研究

 为了研究高压水作用后的煤层瓦斯解吸特性,依据地面水力压裂煤层抽采煤层气的方案和工艺,设计一系列含瓦斯煤体注水后的解吸特性试验,说明实际状态下的含瓦斯煤体在受到高压水的长期作用后解吸能力及规律的变化。试验装置采用自主研制的吸附–注水–解吸成套设备,分阶段地进行吸附、高压注水和解吸试验,对于不同煤种同等吸附压力下、相同煤种不同吸附压力下的块状原煤进行自然解吸和不同压力下的高压注水解吸试验,以获得不同条件下试验煤体的瓦斯解吸规律。结果表明：(1) 在相同吸附平衡压力下,试验用1–1#贫煤的自然解吸率为56.17%,略高于试验用2–1#无烟煤的51.50%,与矿井实际的条件相同;(2) 水对含瓦斯煤体的解吸特性影响较大,等压注水后的1–1#,1–2#和2–1#煤体的瓦斯解吸率分别为40.15%,47.17%和 27.09%,只有自然解吸时的50%～70%,无烟煤的影响最大,较高瓦斯吸附压力下的贫煤影响最小;(3) 随着注水压力的增加,最终解吸率逐渐呈非线性的规律衰减,在注水压力达到一定极值后解吸率会保持稳定;(4) 解吸的时间效应与注水有关,自然解吸在较快时间内可以达到平衡,而注水后的解吸达到平衡的时间有不同程度的增加。     

液氮致裂层理煤体热–流–固–损伤耦合模型及数值模拟研究

煤体原生层理对煤体力学性质有显著影响,为探究液氮低温致裂层理煤体裂纹扩展及劣化失稳机制,基于细观基元理论和损伤力学理论建立热–流–固–损伤耦合模型,并利用COMSOL软件模拟获得不同应力比下液氮致裂层理煤体裂纹扩展分布特征,分析压裂过程中煤体损伤、渗透率和温度的演化规律。结果表明：液氮注入煤体初期(5 s),钻孔附近与液氮接触煤体温度急剧下降形成小范围超低温区,产生的热应力超过煤体抗拉强度,在钻孔周围产生损伤破坏区域。随着液氮注入压力增加,煤体内部出现多条主裂纹,主裂纹主要沿层理方向发育并生成次生裂隙,且钻孔周围形成复杂破坏区域,煤体损伤开始增大,渗透率也随之增加;注入压力持续增加煤体进入失稳阶段,煤样内部大量裂纹贯通,煤体发生破坏,煤体损伤和渗透率也逐渐达到峰值。煤体损伤、裂隙压力与渗透率随着煤体层理角度增加呈增加后减小趋势,层理角度为45°时达到最大值;煤体损伤、裂隙压力与渗透率在应力比为0.5时达到最大,应力比从0.5增大到1时大幅减小,应力比超过1后逐渐趋于平稳。层理对煤体液氮压裂的起裂压力影响显著,不同层理角度条件下煤体液氮压裂起裂压力变化规律相似,随层理角度增加,起裂压力呈...     

瓦斯抽采过程中的煤层透气性动态演化规律与数值模拟

 为了研究煤层瓦斯抽采过程中的煤体渗透性变化规律,基于Kozeny-Carman方程,利用表面物理化学与含瓦斯煤的有效应力理论,建立考虑有效应力变化、瓦斯解吸和煤基质收缩效应的煤层渗透率动态变化模型,并结合数值模拟分析煤层瓦斯抽采过程中煤体透气性动态演化规律。研究结果表明：(1) 所建立的煤层渗透率动态演化模型能较好地描述煤层瓦斯抽采过程中的煤体透气性动态演化规律。(2) 煤体渗透率与煤体孔隙压力之间呈现出“V”字型变化趋势,低瓦斯压力阶段煤基质收缩效应占主导地位,煤层渗透率随瓦斯压力降低而增大;高瓦斯压力阶段有效应力作用占主导地位,煤层渗透率随瓦斯压力降低而减小。(3) 从煤层内部逐渐接近抽采钻孔过程中,煤层瓦斯压力较高时,煤体渗透率先减小后增加;煤层瓦斯压力较低时,煤体渗透率不断增大。研究结果可以为我国煤矿瓦斯治理和煤层瓦斯抽采提供理论支撑,具有指导性意义。     

煤样吸水全过程纵波波速变化规律及波形特征实验研究

 为了研究含水煤体的纵波波速变化规律及波形特征,开展原煤试样吸水全过程的纵波测试实验;研究煤体纵波波速与孔隙率、含水饱和度之间的变化规律;基于FFT和HHT研究不同含水饱和度煤样波形幅频和时频特征。结果表明：煤体纵波波速同时受孔隙率和含水饱和度的影响;波速随含水饱和度的增加总体呈现非线性增加趋势,当含水饱和度达到70%左右时,波速增加速率明显提高;水自身性质及煤体内部孔隙水均匀存在形式是导致含水煤波速增加的主要原因。纵波波速随孔隙率的增加总体呈现线性降低趋势,含水饱和度越高波速受孔隙率影响越小,表明水的存在降低了煤体孔隙率对波速的影响。煤样在吸水过程中的波形频率分布存在显著性差异,波形主频随含水饱和度的增加呈现向低频非线性移动的“频移”现象;含水饱和度越大、孔隙率越大,波形最大幅值越小。Hilbert三维能量谱能够反应波形的频带能量分布及随时间的变化特征;随着煤样含水饱和度的增加,波形高频成分所占比例逐渐降低,且高能量频带范围不断向低频移动,表明煤体中孔隙水不但加快了波形中所有频带能量的衰减速度,而且对高频信号的吸收损耗大于低频信号。     

煤层瓦斯渗流非线性运动规律实验研究

以焦作矿区赵固二矿采集加工的原煤煤样为研究对象,利用自主研制的含瓦斯煤热–流–固–力耦合实验装置,在考虑吸附变形量、孔隙气体压缩量和温度膨胀变化量的基础上,对煤样渗透率与有效应力之间的变化关系以及煤样中瓦斯运动规律进行实验研究,建立受载煤体渗透率与有效应力关系方程及描述煤层瓦斯非线性渗流规律的运动方程。研究结果表明:(1)渗透率随有效应力增大而呈非线性递减关系,具有负指数变化规律;(2)在围压和轴压固定情况下,研究不同孔隙压力梯度下瓦斯渗流规律,得到瓦斯渗流速度在煤体变形作用下呈现非线性特征,同时将所建方程与实验数据进行拟合,由相关度可知,实验结果与拟合结果相一致,表明所建立的运动方程与研究方法是合理的。     

大应变下干燥橡胶砂动力特性试验研究

橡胶颗粒–砂混合物(橡胶砂)作为一种廉价耗能材料应用广泛,但关于其在大应变幅值范围内的模量和阻尼比特性的研究较少。本文应用循环单剪试验,对7种配比的干燥橡胶砂在4种固结压力下的动剪模量和阻尼比特性进行研究,得到其在10-3~10-1应变幅值范围的变化规律。结果表明,橡胶砂在大应变下:(1)动剪模量相对于纯砂动剪模量衰减,衰减系数随着橡胶含量的增大而降低,随着动应变幅值的增大而减小。(2)阻尼比相对于纯砂阻尼比呈增大趋势,增大系数随着橡胶含量的增大而增大,随着应变幅值的增大而减小。(3)固结压力对橡胶砂相对于纯砂动剪模量衰减系数影响较小,但对阻尼比增大系数影响较明显,表现为固结压力越高,阻尼比增大越多,随着动剪应变幅值增大,固结压力对阻尼比影响减小。(4)循环次数对橡胶砂动剪模量和阻尼比影响明显,随着橡胶含量的增加,此影响减小。     

煤体吸附瓦斯膨胀变形效应的试验研究

为了探讨煤体吸附瓦斯产生膨胀变形效应这一特有的力学行为,利用自行研发的含瓦斯煤岩细观力学试验系统,进行不同瓦斯压力下的吸附膨胀变形试验。试验结果表明:(1)同一煤样在不同瓦斯压力下随时间的变形曲线具有相同的变化规律,煤样的应变变化率随时间逐渐减小,直至一个相对稳定值;(2)煤样的吸附膨胀变形呈各向异性,垂直于层理方向和平行于层理方向的应变整体变化趋势呈现一致性,但由于煤体内部裂隙分布差异,垂直层理方向的变形值明显大于平行层理方向;(3)煤体瓦斯吸附量与体应变量呈现较好的线性关系,以此建立考虑温度、水分、灰分和各向异性等因素的吸附膨胀变形计算方程;(4)利用吸附变形应力与制约吸附变形量的线性关系,以及吸附变形量与瓦斯压力的关系得出吸附膨胀应力计算方法;(5)煤体的吸附膨胀变形具有不可逆性,且吸附气体压力越大,其残余变形值也越大。煤体的膨胀变形效应具有重要的工程应用价值,可作为煤层突出危险性测定的辅助指标,以及应用于煤层透气性的研究。     

土对桩中波传播特性影响及小波分析研究

采用数值分析方法，对桩周土模量及阻尼系数对桩中波速及幅值衰减系数影响规律进行系统研究，结果表明，波速随桩周土模量增大而增大，随阻尼系数增大而变小；波幅衰减系数随土模量和阻尼系数增大而增大，衰减系数与波速间近似成负线性相关规律。数值计算及实测资料表明，随着激振力脉冲长度增大，波传播速度变大，吸收系数变小。不同频率成份波传播特性的差异，表明桩周土对波具有频散和耗散特性，土的频散与耗散特性可以采用小波分析技术来研究。     

水力切槽高瓦斯煤体失稳发生机制与试验分析

为了探讨水射流增渗诱发孔内煤与瓦斯失稳喷出机制,以高瓦斯煤层内水力切槽工艺为研究对象,采用失稳条件理论分析与井下现场单因素试验的方法,结合煤岩电磁辐射与钻孔瓦斯涌出量的综合监测,论证水力切槽煤体失稳的地应力、瓦斯压力综合作用及其影响特征。结果表明:水力切槽扩展会增强煤体的地应力与瓦斯梯度力作用,孔内煤体失稳发生需达到切槽最小临界出流水压在冲击时间上的积累,切槽出流水压与钻孔排出煤屑质量呈线性正相关,与钻孔初次发生失稳喷出时间呈线性负相关,而钻孔周围瓦斯压力降低会弱化切槽煤体失稳喷出效应;失稳喷出过程中煤岩电磁辐射(EMR)信号剧烈波动且切槽失稳完成后EMR能量水平降低的现象,反映了切槽失稳的地应力响应;瓦斯预排放钻孔切槽完成后瞬时瓦斯涌出量明显降低的现象,反映了切槽失稳的瓦斯压力响应,现场试验结果与理论分析结果相互验证。研究结论为水射流增渗技术工程实践中的喷孔防治提供依据支撑。     

不同含水率及黏土含量下松软煤体力学特征试验研究EI北大核心CSCD

运用自行研制的型煤制样设备,借助RMT–150B岩石力学试验系统对不同含水率及黏土含量下松软煤体的力学特征开展试验研究。结果表明:(1)在试验含水率(1.59%~6.50%)范围内,相同黏土含量下的松软煤体均存在一个临界含水率,在该含水率水平时,煤体的抗压强度最高、弹性模量最大;(2)黏土含量由4.00%增加到19.36%过程中,各含水率下的松软煤体抗压强度和弹性模量均呈先增后减的变化趋势,极高点黏土含量皆在11.68%左右;(3)其他条件相同时,随含水率的增大、黏土含量的增多,松软煤体脆性降低而延性增加,泊松比逐渐增大;(4)松软煤体颗粒间液桥力随含水率的变化是煤体宏观力学行为演化的主要原因,适量的黏土颗粒能够作为胶结物进一步强化煤体。研究成果对松软煤层的安全高效开采具有重要的理论意义和工程应用价值。     

不同含水率及黏土含量下松软煤体力学特征试验研究

运用自行研制的型煤制样设备,借助RMT–150B岩石力学试验系统对不同含水率及黏土含量下松软煤体的力学特征开展试验研究。结果表明:(1)在试验含水率(1.59%~6.50%)范围内,相同黏土含量下的松软煤体均存在一个临界含水率,在该含水率水平时,煤体的抗压强度最高、弹性模量最大;(2)黏土含量由4.00%增加到19.36%过程中,各含水率下的松软煤体抗压强度和弹性模量均呈先增后减的变化趋势,极高点黏土含量皆在11.68%左右;(3)其他条件相同时,随含水率的增大、黏土含量的增多,松软煤体脆性降低而延性增加,泊松比逐渐增大;(4)松软煤体颗粒间液桥力随含水率的变化是煤体宏观力学行为演化的主要原因,适量的黏土颗粒能够作为胶结物进一步强化煤体。研究成果对松软煤层的安全高效开采具有重要的理论意义和工程应用价值。     

寒旱环境灌木植物根–土相互作用 及其护坡力学效应

 通过在试验区将4种护坡灌木植物种植在PVC管内,分别对土体、4种灌木根–土复合体试样做直接剪切试验,对比非含根土体与4种灌木含根系土体抗剪强度指标,评价试验区生长时间为1 a灌木根系的护坡力学效应;通过对比4种灌木根–土复合体抗剪强度,评价生长时间为1 a的4种灌木根–土复合体的护坡力学强度增强效应。试验结果表明：(1) 4种灌木根–土复合体当其含根量、含水量一定时,抗剪强度随垂直压力的增大而呈线性增大,表明试验区灌木根–土复合体抗剪强度与剪切面上的法向压力成正比,且符合库仑定律;(2) 4种灌木根–土复合体的黏聚力显著大于素土的黏聚力,而内摩擦角 的变化不显著;(3) 四翅滨藜、柠条锦鸡儿、霸王、白刺灌木根–土复合体的黏聚力与素土相比,其增长幅度分别是76.3%,62.7%,45.8%,22.0%。试验区灌木根–土复合体剪应力与剪切位移关系反映出灌木根–土复合体受剪力作用开始段近似线性,接近剪破时呈圆滑曲线,达到剪破后近似为水平线,灌木根–土复合体剪应力随着垂直压力的增大而呈显著增加趋势;剪应力的增大开始阶段基本呈线性,接近剪破时呈非线性。根据试验区4种灌木植物根–土复合体强度,它们的护坡贡献按由大至小分别是：四翅滨藜、柠条锦鸡儿、霸王、白刺。     

微胶囊-玄武岩纤维/水泥自修复复合材料超声波性能

以水泥、玄武岩纤维和环氧树脂微胶囊为原料,制备微胶囊玄武岩纤维/水泥自修复复合材料,研究纤维掺量、微胶囊质量分数、水灰质量比和养护龄期密度对复合材料超声波性能的影响,采用正交试验确定微胶囊玄武岩纤维/水泥自修复复合材料超声波性能的最佳配合比。试验结果表明,超声波声时随着纤维掺量、微胶囊质量分数及水灰质量比的增加,均呈现增加的趋势,随着养护龄期的增加而降低;超声波波幅随着纤维掺量的增加变化不明显,随微胶囊质量分数及水灰质量比的增加均呈先增加后降低的趋势,随养护龄期的增加而增加;超声波频率随着纤维掺量的增加变化不明显,随微胶囊质量分数及水灰质量比的增加均呈先增加后降低的趋势,随养护龄期的增加而增加;复合材料经损伤后修复,超声波波速修复率为113.67%,恢复率为101.04%;超声波波幅修复率为175.07%,恢复率为102.32%。     

轴向应力加卸载过程含瓦斯水合物煤体渗透率变化规律研究EI北大核心CSCD

瓦斯水合固化及采掘扰动对瓦斯水合物–煤体介质体系渗透率影响是瓦斯水合固化防突技术应用的关键问题。为此,采用基于出口端流量的稳态法,利用应力–渗流–化学耦合作用含瓦斯水合物煤体三轴试验机,开展含瓦斯煤体渗透试验(3种含水率和3种粒度)及轴向应力加卸载过程含瓦斯水合物煤体渗透试验,分析水合物生成、加卸载过程有效应力及饱和度对煤体渗透率影响规律并初步探讨其影响机制。研究发现,瓦斯水合物形成后,煤体渗透率明显下降,降低幅度为79%~99%;含瓦斯水合物煤体渗透率与有效应力在加卸载过程符合指数函数关系,卸载过程渗透率变化存在3种模式,分别为少量恢复、部分恢复和卸载增透;加卸载过程含瓦斯水合物煤体渗透率损失率、损伤率均随饱和度增大呈增大趋势。试验发现,瓦斯水合物的形成堵塞煤体渗透通道,限制由瓦斯压力降低导致的瓦斯运移补充,有望快速降低瓦斯压力,缩短石门揭煤工期。     

高压注水煤层力学特性演化数值模拟与试验研究

 为从细观上揭示高压注水过程中煤体裂隙扩展、应力场演化和高压水体在煤体中的渗流规律,利用考虑煤岩介质材料力学性质的非均匀性特点以及煤岩介质变形破裂过程中透气性的非线性变化特性特征并基于煤岩破裂过程固–流耦合动力学模型开发的RFPA2D-Flow软件系统对祁南煤矿721工作面煤层高压注水进行数值模拟,同时进行高压注水现场试验研究。数值模拟结果表明：在高压水挤压作用下,钻孔周围煤体逐渐损伤、破坏,裂隙进一步扩展,渗透能力大大增加,渗透系数最大可以由0.5 m/d增加到1 580.0 m/d,在钻孔附近煤体处平均增加14倍。现场试验结果表明：采取高压注水工艺后,工作面前方煤体卸压带宽度由2.5 m增加到3.5 m,应力集中带向煤体深处推移1.0 m,表明高压注水消突效果比较明显。     

块煤含水率对其吸附性影响的试验研究

 为研究地下水对煤吸附性影响,针对潞安屯留煤矿3#煤层,进行大块煤样在干燥及含水状态下的吸附特性研究,试验发现：(1) 采用定容吸附时,瓦斯压力随时间衰减具有对数关系,衰减系数随含水率增大而降低;(2) 瓦斯吸附量与吸附时间之间为幂指关系;(3) 煤的瓦斯吸附量与含水率之间具有线性关系,二者之间关系与粉煤的研究结果不同。