沉积岩石全应力应变过程的渗透性试验研究

通过实验室内全应力应变过程渗透性试验研究,分析了不同岩性喾岩石的应变－渗透率试验曲线,阐述了不同岩性岩石在变形破坏过程中渗透性变化的规律,概化出岩石的一般应变－渗透曲线。研究表明,岩石的应变－渗透率曲线是岩性、结构、应力状态等各种影响因素综合反映的结果。     

应力作用下煤层底板关键隔水层渗透性分析

为了对煤层底板关键隔水层的渗透性进行分析,利用瞬态渗透法进行了全应力-应变-渗透性试验.分析了各关键隔水层在应力作用下的应变-渗透性曲线,研究了不同岩石的渗透变化规律.结果表明,渗透性由大到小依次为:粉砂岩、铝土岩、泥岩、灰岩.影响岩石渗透性的因素除岩性外,还有围压大小及其变化速率、原生裂隙及后期裂隙扩展方式、贯通方式等.     

采场底板岩石渗透性试验研究

采场底板岩石的渗透性是评价煤层底板隔水层隔水能力以及能否进行安全带压开采的重要因素。通过伺服渗透试验所获得的渗透率—应变关系及应力—应变关系,分析了全应力—应变过程中岩石渗透性随变形的变化特点及不同裂隙充填物质的岩石渗透率—应变关系的主要差异和渗透率—应力之间的关联性。最后提出了采场底板岩层可以视为相对隔水层,对工程评价有一定的指导意义。     

兖州矿区红层全应力应变过程的渗透性试验研究

用瞬态渗透法试验了红层岩样全应力应变过程的渗透性,分析了不同岩性红层的应力-应变渗透率试验曲线以及在变形破坏过程中渗透性变化的规律。     

赵庄矿峰峰组碳酸岩层隔水性能研究及应用

为解决山西晋煤赵庄矿下组煤水压高、传统隔水层薄所带来的安全带压开采问题,采用水文地质钻探、抽水试验、压水试验、地应力测试及室内试验等技术手段,通过对奥灰顶部岩性、裂隙岩溶充填情况、钻探漏水、岩石力学指标及渗透性试验等各方面的综合研究,论证了下组15#煤底板奥灰顶部峰峰组岩层的相对隔水性。结果表明：赵庄矿15#煤下伏的奥陶系顶部峰峰组上段岩性为深灰色厚层石灰岩,致密坚硬,局部夹白云质灰岩和泥灰岩,强度较高,裂隙多呈不规则状且大量被充填,构成渗透性很差的岩层|本区奥灰峰峰组顶部至少存在30m厚度的相对隔水层段,15#煤底板隔水层厚度在38.75～67.25m之间,平均厚度为57m,且隔水性能较好|采用突水系数法对赵庄矿开采下组15#煤突水危险性评价,说明利用奥陶系顶部相对隔水层可使突水危险性大幅降低,从而解放大量煤炭资源。     

保德煤矿峰峰组隔水性能多尺度定量化评价

针对华北型煤田下组煤开采奥灰水害威胁问题,以河东煤田保德煤矿峰峰组地层为研究对象,采用室内岩样薄片鉴定、微-CT扫描分析与现场压水试验相结合的手段,从微观-宏观多尺度分析了峰峰组岩性、孔隙结构以及渗透性特征,对其隔水性能进行了量化研究。研究表明:峰峰组地层岩性在垂向上存在明显差异性,上段岩性以泥晶、粉晶灰岩为主,总体呈晶粒结构,主要为泥晶方解石,部分为泥质结构,黏土质透镜体呈层状分布,下段岩性主要为粉质白云岩,晶间孔隙和溶孔多数被泥晶方解石和泥晶基质充填,岩石受到明显的压实、胶结和重结晶作用;峰峰组地层孔隙度为2.42%～3.18%,其中96.35%～96.74%的孔隙半径在2～8μm, 78.9%～87.6%的喉道半径在0.6～1.5μm,孔隙与喉道半径分布集中且单一,总体表现为低孔隙性特征;峰峰组地层全段压水量为0.43～1.16 L/(m·min),平均压水量0.95 L/(m·min),透水率为0～2 L/(m·MPa·min),压水量随深度呈现出逐步增高的趋势,峰峰组顶部压水量最小,进入峰峰组地层96.4 m深度压水量最大,变化趋势稍有波动,但总体较为平稳;采用霍斯列夫公式计算峰峰组全段渗透系数的数量级在10~(-3)～10~(-4) m/d,总体呈现出弱透水性特征;从带(水)压开采角度,峰峰组全段可作为隔水层加以利用。     

低渗煤样全应力应变过程渗透特性试验

采用MTS815.02型岩石伺服试验系统对煤样进行了应力应变全过程渗透性试验,得到不同围压下煤样的全应力-应变曲线,探讨了全应力-应变过程中煤样渗透率-应变关系曲线的几何特性,研究了煤样变形和破坏过程中的轴向应变与渗透率之间的关系,分析围压对煤样渗透率变化的影响。结果表明,轴向应力对Darcy流渗透特性和非Darcy流渗透特性的影响是同步的,煤样渗透率的峰值滞后于应力应变峰值;随着围压增大,煤样的渗透率总体上呈下降趋势。     

不同加卸载路径下煤岩渗透性变化特征分析

查明不同加卸载路径下煤岩渗透率变化特征是进行采、掘过程中煤岩裂隙变化规律研究的基础。利用RMT-150B型岩石力学伺服实验系统对不同煤样进行了不同应力、不同变形阶段的多次加-卸载下的渗透性测试试验,基于孔裂缝的演化机理对渗透性变化规律进行总结,并对变化机理进行了分析。结果表明:峰值前进行加卸载时,渗透性变化幅度较小;应变-渗透性曲线较应力-应变曲线滞后性不明显。其变化主要取决于弹性变形;峰值后进行加卸载时,渗透性发生质的变化,增加幅度较大,并且应变-渗透性曲线较应力-应变曲线滞后性明显,其变化主要取决于塑性变形。同时随着循环加卸载次数的增加,渗透性均是逐渐变大,尤其是同一加卸载过程中相同应变所对应的加载与卸载时渗透性的差值。     

烧变岩石伺服条件下渗透特性试验研究

烧变岩是煤层自燃引起周围围岩变质而形成的,具有特殊的工程地质性质。通过伺服渗透试验所获得的应力-应变关系与渗透率-应变关系,分析了全应力-应变过程中烧变岩石渗透性随变形的变化特点,揭示了不同原岩性质的烧变岩石渗透率-应变关系的主要差异和渗透率-应力之间的关联性,最后阐述了烧变岩石变形过程渗透性特征参数的工程意义。     

兖州矿区红层全应力应变过程的渗透性试验研究

用瞬态渗透法试验了红层岩样全应力应变过程的渗透性，分析了不同岩性红层的应力一应变渗透率试验曲线以及在变形破坏过程中渗透性变化的规律。     

中国煤储层渗透性及其主要影响因素

利用９０年代以来全国煤层气钻井的大部分试井渗透率资料,客观地评价了我国主要煤层气聚集区、带煤储层渗透性状况,研究了中国煤层渗透率的主要影响因素．我国煤层渗透率普遍低于美国煤盆地．区域上具有一定的分布规律．华北聚气区东部渗透率相对较低,而西部渗透率相对较高．东北聚气区、华南聚气区煤储层的渗透率较低．地应力是影响中国煤层渗透率的主要因素,渗透率随深度的变化趋势是应力的函数．     

Theory and test research on permeability of coal and rock body influenced by mining

Stress distribution rules and deformation and failure properties of coal and rock bodies influenced by mining were analyzed. Experimental research on permeability of coal and rock samples under different loading conditions was finished in the laboratory. In-situ measurement of coal permeability influenced by actual mining was done as well. Theory analysis show that permeability varied with damage development of coal and rock under stress, and the influence of fissure on permeability was greatest. Laboratory results show that under different loading conditions permeability was different and it varied with stress, which indicated that permeability was directly related to the loading process. In-situ tests showed that permeability is related to abutment stress to some degree. The above results may be referenced to gas prevention and drainage. Supported by the National Major Fundamental Research Program of China (973 Project) (2005CB221503); National Science Foundation of China (50544010)     

混凝土黏结面应力-渗流耦合试验装置研制及应用

针对新老混凝土黏结面或混凝土与其它介质黏结面大都受到正应力作用的情况,研制了混凝土黏结面应力-渗流耦合试验装置,介绍了装置的主要功能、技术参数、系统组成及关键技术;采用该装置对四组钢板与混凝土黏结面进行了抗渗试验,获得了不同粗糙度的钢板与混凝土黏结面的渗透特性。试验结果表明,该装置完全能够保证测试需要的轴压和水压稳定,提出的电阻法测试渗透锋面的方法是可行的;钢板与混凝土黏结面具有良好的抗渗性能,采用钢质接茬板可保证井壁接茬的密封性能满足要求;在相同轴向应力状态下,钢板与混凝土黏结面的渗透系数大小与钢板表面粗糙度有关,钢板表面粗糙度越大,黏结面的渗透系数越小;装置具有较好的实用性和可靠性,为进一步研究应力作用下混凝土本体、新老混凝土黏结面以及混凝土与其它介质黏结面的渗透特性提供新的测试手段。     

温度及应力对成型煤样渗透性的影响

利用吉林华兴矿煤制成成型煤样,在ZYS-1型三轴渗透仪上对型煤试样进行渗流试验。通过试验研究了围压、轴压及温度对成型煤样的渗透率影响,结果表明：① 随着围压增加,煤样渗透率降低。② 偏应力对煤渗透率有很大影响。在围压条件下,随着偏应力(轴压)增加,煤样先发生弹性压缩,渗透率降低,当偏应力增加到一定程度,煤样破坏,伴随着剪切扩容及孔隙和裂隙空间增加,渗透率随之增加。因此,低围压下煤样的渗透率呈“V”型变化,高围压下,煤样的渗透率单调减小。③ 温度对煤中气体的流动有显著影响。温度升高,一方面瓦斯气体的动力黏度增加,另一方面煤内固体颗粒体积膨胀,减小了孔隙和裂隙空间,阻碍气体的流动。     

应力路径对煤岩渗透率影响实验研究

依据煤岩体在巷道开挖后应力出现重分布特征,利用CGMS煤层瓦斯气液相对渗透率测试系统,对屯留煤矿煤样施加不同应力组合以研究三轴加载条件下渗透率与应力、温度之间的耦合关系。实验结果表明,渗透率随应力、温度的增加而减小,各个方向的应力对渗透率的影响程度不同,且差别较大;与应力相比,温度对渗透率的影响相对较小。得出了渗透率与三轴应力和温度之间的关系,并对温度和应力对渗透率的影响进行了理论分析。     

煤系泥岩全应力—应变渗透试验研究

为了研究煤系泥岩在采动受力变形过程中渗透率变化的特点,进行了全应力—应变过程的渗透性试验。试验结果得出渗透率随轴向应力的增加可划分3个阶段,在此基础上,考虑渗透率与应力全过程耦合相对复杂的特点,对两者在峰前进行了耦合分析,得出其耦合曲线回归方程,探索了应力峰值和渗透率峰值相互间的关联效应。揭示了煤系泥岩在采动条件下渗透率的变化规律,为解决煤矿开采突水问题提供较重要的参考依据。     

吸附与应力耦合作用影响下煤体瓦斯渗透规律的实验研究

利用自行研制的真三轴煤岩渗透测试系统对煤样试件进行了不同应力条件下不同吸附瓦斯压力的渗透率测定,研究了吸附与应力耦合作用影响下煤体瓦斯渗透规律。结果表明:在一定应力条件下,随着煤样内瓦斯吸附量的降低,渗透率可能会出现2种情况:一是渗透率将不断地增加;二是渗透率先减小,当减小到最小值后,渗透率将不断增加。在瓦斯压力一定的条件下,降低煤样所受围压,渗透率与围压间较好地符合负指数函数的关系。     

三轴压缩岩石应变软化及渗透率演化的试验和数值模拟

三轴压缩下岩石峰后应变软化行为及渗透率演化规律是岩石工程稳定性分析的基础。取新疆巴里坤砂岩样在室内开展了三轴压缩试验和三轴渗流试验,获得了不同围压下巴里坤砂岩的全程应力应变曲线、体积应变与渗透率关系曲线。试验结果表明：随着围压增加,岩石峰后残余强度增加,体积扩容和脆性减弱;随着轴向应变增加,岩石先发生弹性压缩,空隙空间减小,渗透率降低;当应力达到屈服强度,岩石内裂隙开始扩展,渗透率降低速率趋缓;在峰值应力后,岩样破坏,裂隙扩展加速,并伴有新裂隙的萌生,岩样渗透率开始快速增长,岩样的渗透率呈“V”型变化。提出了描述围压对岩石峰后脆性影响的新参数,即脆性模量系数,围压与脆性模量系数之间服从负指数关系。基于脆性模量系数、强度退化指数和扩容指数,建立了考虑围压影响的岩石应变软化模型。在分析体积应变与岩石渗透率之间关系基础上,建立了基于体积应变增透率的岩石渗透率演化模型。在FLAC下模拟了巴里坤砂岩不同围压下的应变软化行为和渗透率演化过程,结果表明：岩石应变软化模型能很好地模拟围压对岩石残余强度、体积扩容和峰后脆性的影响;所示模型能较好地模拟围压和剪胀对岩石渗透率的影响;岩样峰后内部出现了明显的剪切破坏带,剪切破坏带与大主应力的夹角随着围压的增加而增大。在剪切破坏带内单元的渗透率显著增长,最后形成了一个流动通道。     

循环加卸载路径下不同含瓦斯煤渗流及损伤演化特征

循环载荷广泛存在于采矿活动中并对煤岩的强度、损伤及渗透性质产生较大影响,例如煤层群开采多重保护工程中,被保护层煤岩就受到循环加卸载作用,并显著改变了煤岩的力学及渗流特性;瓦斯对煤的力学性质及能量耗散特征也具有显著的影响,不同加卸载路径下煤岩力学及渗流特性与常规加载下的性质存在显著差异,因而有必要研究循环加卸载条件下不同含瓦斯煤的渗流及损伤演化特征。根据煤层群开采条件下被保护层应力状态实时监测的相似模拟实验结果,设计了3种简化的循环加卸载应力路径,即阶梯循环加卸载、逐级增大循环加卸载和交叉循环加卸载,采用重庆大学自主研发的含瓦斯煤流固耦合三轴渗流实验装置对取自平顶山十矿和袁庄煤矿的煤样进行了瓦斯渗流试验。结果表明:在3种循环加卸路径中,2种煤样的渗透率变化与轴向应力应变曲线具有显著的一致性,循环加卸载作用下,煤样渗透率随着应力的增大和循环次数的增加呈减小趋势;应力卸载和加载对渗透率的影响不同;渗透率受到应力和损伤累积的双重影响。相同应力水平下,煤样经过卸载-加载过程后的渗透率有降低趋势,相对恢复率随着循环次数的增加而先降低后增大,只有应力超过煤样的屈服阶段后才能使渗透率增大。主要结论为:①3种循环加卸载路径下煤样在加载阶段的增透率随应力增大和循环次数的增加都可以分为3个阶段且呈增长趋势,单位体积变化引起的渗透率增加在变大,循环荷载的增透效果随着循环次数的增加而增强。②随着峰值应力的增大和煤样中损伤的累积,渗透率对应力的敏感性逐渐降低。随着荷载的施加,应力卸载对渗透率的影响先增强后减弱。③通过计算各循环阶段的加卸载响应比得到了煤样损伤变量的演化规律,通过回归分析可知损伤变量与轴向应力之间的关系可以用Boltzmann函数表征,该函数可以作为损伤的经验公式对实验中煤样的损伤进行预测计算。④循环加卸载对煤样渗透率及损伤的作用受煤种不同的影响不明显。研究结果为深入揭示多重保护下煤层增透机制和基于循环荷载致裂(重复水力压裂等)的煤层强化增透机制及瓦斯抽采工程设计提供理论支撑。     

瓦斯压力和应力对裂隙影响下的渗透率模型研究

煤层的渗透率演化对研究矿井瓦斯抽采、煤层气开采及钻孔优化布置起到至关重要的作用。为了研究瓦斯压力-裂隙及应力-裂隙耦合作用对煤岩渗透率演化模型的影响,基于应变,探讨了瓦斯压力和应力作用对煤体裂隙变形和渗透率的影响,构建了基于瓦斯压力-裂隙及应力-裂隙耦合的煤体渗透率理论模型,并结合前人的试验数据,对建立的基于瓦斯压力-裂隙及应力-裂隙耦合的煤体渗透率模型进行了对比验证。研究结果表明:①将煤体的结构单元体简化为立方体模型,分别分析了瓦斯压力引起的裂隙变形与煤体基质吸附变形引起的裂隙变形对煤体渗透率的影响;基于煤岩裂隙宽度与渗透率的关系,推导了瓦斯压力-裂隙耦合作用下煤体的渗透率模型。②侧向应力对裂隙变形的影响与煤体吸附所引起的内膨胀变形相似,均通过改变煤体骨架向裂隙内部膨胀来影响煤体裂隙的变形;通过试验数据验证了侧向应力和法向应力对煤体渗透率的影响机理相同,构建了三向应力-裂隙耦合作用下煤体的渗透率模型。③结合前人的试验数据,进行了全局优化非线性拟合,与基于有效应力的模型相比,所构建的模型与试验数据吻合度较好,验证了所建立模型的可靠性,并发现裂隙对法向应力的敏感性远大于侧向应力。