构造煤受载破坏过程电阻率响应的方向性差异特征

开展了配比软煤正方体试样的单轴压缩试验,分析了构造煤受载破坏过程的应力应变特征,得到不同方向上煤体的电阻率响应特征。结果表明:试样从加载到破坏分为4个阶段,依次为压密阶段、弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段;煤体受载过程中,煤体呈现劈裂破坏形态,裂纹从试样底部向上方扩展,部分裂纹贯穿试样的上下表面;试样在竖直方向和水平方向上的电阻率响应特征呈现明显的差异性,竖直方向上试块的电阻率呈现先减小后增大的趋势,而水平方向上试块的电阻率呈现缓慢增大、快速增大和急剧增大3个阶段;试块发生破坏后,竖直方向的电阻率变化远不如水平方向电阻率的变化幅度大,而且水平方向电阻率呈现持续增大的特征。     

受载煤体电阻率变化规律的实验研究

通过建立受载煤体电阻率变化实时测试系统,分别测试了不同煤体在不同加载方式下不同方向的电阻率变化特征,并对电阻率变化机制进行了探讨。研究结果表明：在加载初期不同煤样电阻率随压力的变化趋势有所不同,但在煤体发生破裂后电阻率均呈现上升趋势;对于同一煤样而言,电阻率随压力的变化趋势是一致的,在不同加载方式下电阻率与应力保持良好的对应性;煤体电阻率呈现明显的各向异性特征,在受载过程中不同方向的电阻率中呈现不同的变化规律;煤体的导电特性和孔隙结构的演化共同决定了电阻率的变化特征。     

含瓦斯煤体单轴压缩电阻率变化规律实验研究

建立了含瓦斯煤体单轴压缩电阻率实时测试系统,测试并对比分析了含瓦斯煤体和不含瓦斯煤体在单轴压缩过程中的电阻率变化,并对瓦斯对电阻率变化的影响机制进行了探讨。研究结果表明:2种实验条件下煤体电阻率均呈现先减小后增大的变化规律;电阻率减小阶段,游离态瓦斯对电阻率的减小有延缓阻碍作用,即电阻率随加载应力的增大呈持续平缓减小趋势,未出现不含瓦斯煤体实验中出现的突降现象;电阻率增大阶段,游离态瓦斯对电阻率的增大有促进作用,即电阻率"拐点"处所对应的加载应力水平较之不含瓦斯煤体更小;煤体发生破裂之后,电阻率增长幅度普遍小于不含瓦斯煤体。     

高突煤层水力压裂视电阻率响应特征分析

水力压裂常应用于高突煤层的卸压增透,但缺乏较好的效果考察手段。介绍了水力压裂过程视电阻率响应原理,建立了水力压裂视电阻率响应现场测试系统,并在新田矿1404底抽巷试验研究了高突煤层水力压裂过程煤体的视电阻率响应。结果表明,压裂孔两侧煤层45 m范围内视电阻率在压裂前后发生明显的变化,且压裂孔对称区域视电阻率的变化存在差异。通过煤层水力压裂视电阻率响应系统可有效地判断水力压裂过程中煤体裂隙场的变动,预测水力压裂范围,为确定水力压裂孔距提供了依据。     

受载煤体全应力-应变过程电阻率响应规律

为了研究煤体变形破坏过程电阻率变化特征,利用自建的受载煤体电阻率实时测试系统,对单轴压缩过程煤体应力、应变及电阻率进行了测试,分析了全应力-应变不同阶段煤体电阻率响应规律及变化机制。研究结果表明:煤体全应力-应变过程中,扩容现象发生时电阻率变化趋势出现突变,由下降转为上升,呈不规则"V"字形变化;在扩容发生前的压密阶段和弹性阶段,电阻率的变化由孔隙裂隙的闭合及应力作用决定,扩容的发生使得煤体在塑性阶段电阻率总是呈上升趋势,煤体进入破坏阶段后电阻率进一步上升。通过对煤体电阻率进行连续实时监测,可将电阻率变化规律作为前兆信息,以反映煤体失稳破坏前的扩容突变现象。     

底板穿层钻孔水力压裂破裂压力影响因素研究

根据穿层钻孔水力压裂作用机理,运用数值模拟试验方法,对影响穿层钻孔的影响因素进行研究分析。结果表明:在试验模型参数下,起裂压力随煤层倾角增大而增大,当达到峰值后,又逐渐随角度增大而减小,综合破裂压力和压裂效果分析得水力压裂角度在45°~60°最优;随着煤体的变质程度的增加和均质度的增大,破裂压力也随之增大;侧压系数对煤体破裂压力的影响表现在煤体破裂压力主要受水平最小主应力的大小所决定。     

脉动水力压裂煤层微观结构变化及其工程实践

为了研究脉动水力压裂煤层微观结构变化,对取自杨柳矿、顾桥矿和丁集矿的煤样进行脉动水力压裂实验室实验,通过压汞实验和CO_2气体吸附测试分析原煤样和水力压裂作用下煤样孔隙特征变化规律。结果表明:原煤大孔隙阶段的孔隙连通性明显优于中孔隙阶段;煤体孔隙度、孔隙总体积、总表面积和微孔比例随着煤阶的升高而增加,中孔比例随着煤阶的升高而减小,大孔比例则随着煤阶的增加呈"减少-增加"趋势。脉动水力压裂作用后,孔隙度明显增加,而水分对孔隙连通性影响较小。脉动水力压裂使煤样孔隙总表面积、微孔体积和微孔比例减小,总孔隙体积、中孔比例、大孔体积和大孔比例增大。     

瓦斯在煤体水压致裂过程中的作用试验研究

为分析瓦斯对煤体水压致裂过程的影响,利用自制的含瓦斯煤水压致裂实验系统,开展了恒定流量下含瓦斯煤水压致裂实验,得到了煤体压裂形态及电阻率响应特征,并分析了瓦斯在压裂过程中的作用。结果表明,无瓦斯条件下煤体压裂形成的裂隙少而宽,随着瓦斯压力的增大,新生裂隙数目逐渐减少,而原生裂隙则逐渐被激活;瓦斯压力的增大提高了煤体的起裂压力;含瓦斯条件下电阻率曲线呈现两种形态,即新生裂隙较多时呈现增大型曲线,原生裂隙被大量激活时呈现减小型曲线。基于试验结果分析,瓦斯在水压致裂过程中的作用有两个,一是瓦斯压力增大了水压致裂阻力,提高了起裂压力;二是高压水驱气作用诱导高压水进入、激活了原生裂隙。     

基于瞬变电磁法探测煤体内水力压裂流场的运动规律

基于瞬变电磁的工作原理,利用煤层孔隙-裂隙结构电阻率的变化,分析煤层水力压裂后流场特征、煤体破裂、裂隙延伸扩展以及含水性增大的过程。通过采用瞬变电磁法对煤层水力压裂流场进行了相关探测,得出了在高压水流场的作用下,水力压裂影响半径可达30 m以上并且压裂影响区域具有不均匀性,在应力释放区容易出现水流通道,形成卸压带。如若煤层的顶、底板较为坚硬完整,则水力压裂一般只会限制在煤层进行,同样由于煤层赋存地质条件的不均匀性,因此可利用瞬变电磁探测含瓦斯煤体的水力场,为水力压裂工艺的优化提供依据,以期达到理想的压裂效果。     

水力压裂增透防突措施应用

水力压裂措施可以有效提高煤层透气性,增加低透气性煤层钻孔瓦斯抽放量.同时该措施能改变煤的物理力学性质,增加煤体塑性,在起到防突作用的同时也能有效防治冲击地压.在平煤十矿24080机巷进行了2次水力压裂试验,并分别对水力压裂前、后瓦斯抽放量随时间的变化进行分析.煤体经过水力压裂后,支撑应力峰值降低,峰值点位置向煤体深部转移,提高了煤层的透气性,提高了瓦斯抽放浓度,增大瓦斯抽放量,降低了煤与瓦斯突出危险性.     

气相压裂增透技术强化煤层瓦斯抽采效果的研究

针对高瓦斯低透煤层瓦斯抽采效果差、抽采成本高、抽采时间长等问题,通过应用气相压裂增透技术来强化煤层的瓦斯抽采效果,实验和现场测试分析压裂前后煤样的孔隙裂隙基本参数变化情况,明确增透强化的机理。结果表明:气相压裂煤层孔容和比表面积均以大孔为主;在不同吸附平衡压力和粒径下,压裂煤层的扩散系数随着时间的延长减小的幅度存在差异;气相压裂后煤层孔隙裂隙基本参数都呈现增大的趋势,有利于缩短瓦斯扩散路径,提高瓦斯扩散系数;气相压裂后,钻孔有效抽采半径、煤层透气性系数和渗透率分别提高了2.1~4.3倍、54~96倍和7.54~30.40倍,从而判定压裂煤层由原始难抽采煤层转化为易抽采煤层,气相压裂增透强化瓦斯抽采效果明显。     

太赫兹波段煤的湿度与介电特性关系

基于自由空间法测试材料介电常数的原理,在室温条件下,测量了太赫兹波段100~110 GHz频率范围电磁波辐射条件下不同地区不同类型的煤样在不同湿度时的介电常数,研究湿度对煤的介电特性的影响,为研发旨在防治煤矿水害的基于太赫兹透射成像的煤矿孔中径向裂隙探测技术提供理论和数据基础。实验分别测出了煤样在100,105和110 GHz电磁波辐射时不同湿度条件下对应的介电常数实部和虚部,计算了不同湿度条件下的损耗正切。通过实验数据分析得出以下结论,室温条件下太赫兹波段的电磁波辐射时,煤的介电常数实部和虚部均随湿度的增加而单调增大,损耗正切随湿度的增加也呈现增大趋势。     

水力压裂基本顶沿空留巷顶板变形特征研究

摘 要：为探究水力压裂基本顶沿空留巷对巷道顶板及巷旁支护体顶部变形的影响,本文以榆家梁矿43308运输顺槽沿空留巷水力压裂基本顶工程为背景,采用FLAC3D数值模拟方法对水力压力前后沿空留巷顶板与巷旁支护体顶部的变形特征进行了分析,结果表明：沿空留巷顶板下沉量呈现由煤壁处向支护体处逐渐增大的趋势,巷旁支护体顶部变形量呈现由沿空留巷处向采空区处逐渐增大的趋势,均呈现“倾斜”特征。水力压裂基本顶前后,沿空留巷顶板平均下沉量由10.7 mm减小到7.23 mm,而巷旁支护体顶部平均变形量由16.82 mm减小到9.13 mm,沿空留巷顶板下沉量与巷旁支护体顶部变形量分别降低32.43%和45.72%。现场实测结果显示,水力压裂基本顶沿空留巷的巷道顶板下沉量与巷旁支护体顶部变形分别维持在20 mm~25 mm和60 mm~65 mm之间。水力压裂基本顶沿空留巷技术在榆家梁矿的成功应用,为其他类似矿井或工作面提供了一定的借鉴意义。     

顺层钻孔水力压裂有效影响半径确定与抽采效果分析

为了增加煤层透气性,提高煤层瓦斯抽采效果,以某矿501工作面煤层地质条件为工程背景,采用理论分析、数值模拟、现场试验等方法,对某矿煤层起裂压力、单次压裂时间、压裂流量、影响半径、压裂钻孔抽采效果等参数展开研究。结果表明,模拟压裂孔注水1 h后,煤层压力由压裂孔向周围迅速降低,最终呈现出以压裂孔为圆心的圆形区域的致裂范围,最大压裂半径达到8.315 m;当对压裂泵主动升压至38 MPa时,煤层瞬间破裂,压力回降,流量瞬间增大,且达到压裂泵额定流量值,此时,煤体破裂效果完美;4号压裂孔首次压裂已经接近压穿煤体,进行第二次压裂时,流量曲线增加比较平稳,说明该孔在之前已贯通大部分裂隙,压裂半径可达22 m;对水力压裂孔和普通钻孔进行抽采比较发现,压裂3号钻孔的瓦斯浓度平均达到17.68%效果最为显著,与普通钻孔相比其平均浓度为1号普通钻孔的4.77倍、2号普通钻孔的3.12倍。     

掘进工作面顶板水力压裂防灾技术应用研究

高瓦斯、高地应力掘进工作面顶板围岩动力现象频繁出现，严重制约了矿井安全生产。为防止煤岩动力灾害事故发生，五阳煤矿采用水力压裂技术开展掘进工作面顶板围岩卸压增透试验，以减小巷道上方应力效应、预先释放顶板瓦斯。利用瞬变电磁仪检测煤层裂隙电阻率变化以表征顶板水力压裂试验开展情况，通过对比顶板水力压裂前后工作面瓦斯浓度、煤炮响应次数及微震事件，研究顶板水力压裂技术的防灾效果。研究表明，煤层电阻率受顶板水力压裂效果影响巨大，同时压裂防灾效果明显，施工前后各项指标均有明显降低，瓦斯浓度降低40%，煤炮响应次数减小85%，微震事件减小76%。     

定向水力压裂工作面煤体应力监测及其演化规律

为研究水力压裂的机理和评价压裂效果,采用空心包体应变计,对水力压裂前后钻孔附近煤层应力的变化,及水力压裂实施后,随着工作面推进,前方煤层应力的变化进行了监测。通过分析监测数据,得到以下应力演化规律与结论：① 水力压裂前后,在压裂钻孔附近煤层中的主应力增量值、倾角和方位角均会出现突变。突变程度与至压裂孔的距离、水压、裂缝扩展方式及煤层力学性质等多种因素有关;压裂后主应力增量得到恢复,但比压裂前均有所降低,水力压裂可改变煤层的应力状态。②顶板压裂后,再受到工作面采动影响,煤层垂直应力增加,水平应力有降低的趋势,但采动引起的主应力增量变化幅度远小于压裂引起的变化,而且采动对主应力增量的倾角和方位角的影响不大;水力压裂可使顶板来压强度降低,工作面超前支承压力的影响减弱。③ 晋城王台铺煤矿坚硬顶板综采工作面进行水力压裂后,顶板的整体性和强度得到弱化,工作面采动影响减弱,顶板能够紧随工作面推进及时垮落,说明水力压裂效果良好。     

煤体变形破裂电磁辐射的初步实验研究

实验研究了含瓦斯煤体变形破裂时产生的电磁辐射现象 ,并考察了电磁辐射与声发射的关系。结果表明 ,含瓦斯煤体在受载破坏时能够产生电磁辐射 ,电磁辐射与声发射并非严格同步 ;电磁辐射信号随着载荷的增大而增强 ,随着载荷的降低而减弱 ,在煤体受载的全过程基本上都出现 ,这一实验结果可为煤与瓦斯突出预报提供理论依据     

煤体应力状态电磁辐射测试研究

煤体应力状态的准确测试是工程实践中的一项重要工作，受栽煤体变形及破裂时能够产生电磁辐射，煤体中应力越高，变形破裂过程越强烈，电磁辐射信号越强，可以利用煤体变形及破裂时产生的电磁辐射信号间接确定煤体应力状态的变化特征．用电磁辐射法测试了煤体应力状态，并进行了工程实践验证．结果表明：电磁辐射信号的变化与煤体的应力状态的分布有较好的对应关系．电磁辐射技术可以确定煤体曼承压力的分布，是测试煤体应力状态的一种新方法．