温度与应力对原煤、型煤渗透特性影响的试验研究

 通过试验分析尺寸效应、温度和应力对原煤及型煤的渗流特性的影响,结果表明,对岩芯直径相同而高度不同的均质试样,尺寸效应对渗透率的测试值误差一般在10%以内;非均质煤样尺寸效应对渗透率的测试值误差范围为4%～40%,甚至可能更高;微裂缝的发育程度是导致煤样渗透率变化较大的主要因素。不同直径的煤样,直径相对较小的煤样在围压加压、卸压条件下渗透率变化比大尺寸煤样更为敏感,渗透率对应力的敏感性大于孔隙度。当煤体经历较高的围压后,孔隙结构将发生塑性变形,煤体会遭受永久性不可逆的损害,表现在孔隙度及渗透率的值无法恢复到初始值。煤在经历高温后,大孔被压缩,但微孔更加发育,比表面积增加,同时煤体的强度将有所降低,当围压增加时,存在一个围压临界点,当围压达到临界点,渗透率会大幅降低。原煤与型煤在加压、卸压条件下渗透率的变化规律一致,均与围压成指数关系。     

液氮对煤岩的冷冲击作用机制及试验研究

在煤层气开发过程中,利用液氮对近井地带煤层进行“冷冲击”能使煤层产生裂纹,同时液氮辅助煤层气压裂具有增能助排、减小地层伤害等优点。分析液氮对煤岩冷冲击的作用机制,建立煤岩基质的冷缩应力的计算模型,并进行不同条件下的冷冲击试验,测试冷处理前、后煤岩的声波传播特性,分析冷冲击对煤岩力学性质的影响。研究结果表明,液氮的超低温作用能使煤岩基质收缩,产生热应力裂缝,同时煤岩天然裂缝中的水结冰膨胀产生的应力超过煤岩的强度,可在煤岩内产生局部裂纹;冷冲击应力产生得裂缝将沿着垂直于面割理裂缝的方向延伸,有助于增加煤岩的整体渗透率。经过液氮处理,煤岩的声波速度与幅度有较大的下降,表明液氮冷冲击作用能对煤岩的内部结构和力学强度产生较大改变。     

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...     

液氮冷浸煤岩孔隙损伤和渗透率演化特性研究

为研究冷冲击对煤岩的损伤和增透作用,在液氮冷浸前后对煤岩试样进行核磁共振和渗透率测试,通过T2分布、T2谱面积和渗透率的变化来反映煤岩孔隙损伤和渗透率变化情况,并利用传热学理论,研究煤岩温度降与煤岩损伤以及渗透率演化之间的关系。研究结果表明,液氮冷浸能够提高煤岩孔隙数量、孔隙体积和渗透率;煤岩渗透率随冷浸时间的演化表现出先增大后逐渐稳定的趋势;温度降主导着煤岩损伤和渗透率的演化,温度降越大,煤岩损伤越严重、渗透率增幅越大,且温度冲击得到的渗透率与温度降的大小成正比关系,当煤岩温度降达到最大,损伤终止、渗透率不再增加;利用液氮对常温煤岩进行冷浸,最终得到煤岩渗透率增幅为50%～150%。     

循环加卸载作用下不同高度煤样渗透性试验研究

为获取循环荷载作用下不同高度煤样渗透率的变化规律,应用煤岩三轴加载渗流试验装置,对直径相同高度不同的煤样进行循环加卸载轴压渗透性试验。研究结果表明:加载阶段,渗透率随轴压增加而降低;卸载阶段,渗透率随轴压降低而增加;渗透率与轴压呈负指数函数关系,渗透率应力敏感性随循环次数增加而降低;加载阶段与卸载阶段渗透率产生明显差值,其差值随循环次数增加而降低,渗透率损失量主要发生在初期加卸载阶段。不同高度煤样应力敏感性存在显著差异,应力敏感性随煤样高径比增加而降低;在加载与卸载阶段,无因次渗透率损失量随高径比增加而增大;经历循环加卸载作用后,渗透率损失率随高径比增加而增大,渗透率恢复率随高径比增加而降低。     

含不同气体煤岩全应力-应变渗透特性试验研究

分别以吸附性气体甲烷(CH₄)、二氧化碳(CO₂)和“非吸附性”气体氦气(He)为渗流介质,在三轴伺服渗流装置上进行了含不同气体煤岩全应力-应变加载过程煤岩渗透特性的研究。试验结果表明:三种气体的渗透率-应变曲线变化趋势相近,其相对应力-应变曲线变化有明显滞后性,吸附性气体的滞后性表现较为明显;在弹性到屈服点阶段和应变软化阶段,煤样渗透率与有效应力呈负指数关系;煤样对不同吸附能力的气体,其渗透率之间存在明显差异性;对煤样进行饱和吸附后,二氧化碳和甲烷所测渗透率较之氦气测得的(视为煤样绝对渗透率)平均减小了55%,且二氧化碳所测渗透率小于甲烷。     

循环载荷下突出煤样的变形和渗透特性试验研究

 以典型煤与瓦斯突出矿井——天府煤业有限责任公司三汇一矿K1煤层原煤制备的煤样为研究对象,利用自行研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流系统,进行固定瓦斯压力及不同围压情况下突出煤试样循环载荷下渗流试验研究。研究结果表明：在循环载荷作用下,煤样产生塑性变形,煤样的弹性模量和渗透率随着循环次数增加呈下降趋势,且在第一循环下降最为明显;卸载过程中渗透率逐渐增大,加载过程中渗透率逐渐减小,卸载和加载时的渗透率–应变曲线围成一个封闭环,与轴向应力–应变曲线形成的封闭滞回环相对应,说明渗透率的变化与煤样的损伤变形密切相关;渗透率变化率和损伤变量呈正相关变化,前几个循环变化较为明显,经过之后几个循环,其数值趋于稳定。     

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。     

高压电脉冲水力压裂法煤层气增透的试验与数值模拟

为了提高低渗透性煤层气的抽采效率,揭示高压电脉冲水力压裂技术对煤体产生裂缝的效果及裂缝的扩展演化规律,通过实验室试验,对煤样进行单纯静水压裂(3 MPa)和相同水压力(3 MPa)、不同放电电压(5,10 k V)条件下的高压电脉冲水力压裂试验,应用CT扫描技术分析了煤样内部裂纹的起裂、发展、分布情况;建立数值模拟分析水压电脉冲作用下裂隙的发展规律和裂缝周边的应力分布情况。研究结果表明:在相同静水压力作用下,高压电脉冲水力压裂煤层比单纯静水压力致裂效果明显;放电电压越高,在裂隙尖端产生的拉应力值越大,煤体易产生疲劳损伤破坏,裂隙易产生、易发展;放电电压越高,裂纹数量越多,裂纹的起裂时间更早,裂缝延伸长度更长,宽度更宽,致裂效果更好;可证明高压电脉冲水力压裂煤层方法有效,技术可行。     

轴向应力循环加卸载作用下含瓦斯煤渗透性研究

 针对构造煤渗透率对轴向应力循环加卸载的响应特征,利用自行研制的含瓦斯煤热–流–固耦合三轴渗流试验装置,进行试验研究,并结合试验结果进行渗透率动态模型分析,结果表明：含瓦斯构造煤的渗透率与应变的关系呈斜“V”字型走势,峰值强度后,煤样渗透率增加趋势明显,且增速大于初始压缩阶段渗透率的降速;煤样渗透率与轴向应力在加卸载过程中符合负指数函数分布,渗透率在加载过程中减小,卸载过程中有所恢复,渗透率与有效应力未形成封闭曲线,循环加卸载使煤样中孔隙进一步压缩,渗透率损失量增大,同时渗透率对于有效应力的敏感度降低;通过引入加载过程渗透率敏感性损失因子及卸载过程中渗透率损耗因子,建立循环加卸载过程中渗透率与有效应力的动态演化模型,试验数据与理论计算数据对比验证了模型的适用性。     

蠕变对含瓦斯煤渗透率影响的试验分析

 以重庆市松藻煤电公司石壕矿原煤制备的型煤试样为研究对象,设计含瓦斯试样的三轴蠕变及渗流试验方法和步骤。利用试样瓦斯渗透仪试验装置,在不同温度条件及不同有效应力水平下,对型煤试样进行三轴蠕变及渗透性试验,获得大量蠕变前后不同有效应力和不同温度条件下的渗流试验数据,研究蠕变对试样渗透率的影响规律。研究结果表明：在相同温度与有效应力条件下,蠕变后试样渗透率降低,下降幅度为25.2%～38.7%;在三轴应力条件下,随着有效应力增大和温度升高,蠕变前后试样渗透率逐渐降低,探讨两因素对渗透率的影响机制;定义渗透率损伤率来表示蠕变使得试样渗透率减小的程度,当温度一定时,渗透率损伤率与有效应力符合线性关系,该渗透率损伤率随有效应力增加而增加,且温度越高,增加的速率越大;在不同温度及有效应力耦合作用下,蠕变对渗透率的影响程度不同。研究结果对进一步认识瓦斯运移规律具有一定的意义。     

电荷感应法检测煤层注水防冲效果研究

为了探究电荷感应法检测煤层注水防冲效果,采用试验方法开展了不同含水率煤样单轴压缩破坏电荷规律的研究。理论分析了水对煤样物理力学性质和煤样产生电荷信号特征影响的规律,并对现场煤层注水过程进行了电荷感应现场监测,分析了注水前、中、后电荷信号变化规律以及产生原理。研究结果表明:水的存在减弱了煤样内部颗粒之间的摩擦作用,促进了微孔裂隙的增长与发育,导致水对电荷信号的产生起到弱化作用,出现有应力降而无电荷信号产生以及电荷信号滞后的现象;随含水率增高,煤样电荷均幅呈指数函数递减趋势;得到了煤样电荷均值与含水率的关系式,进而得到耿村煤矿符合煤层注水防冲要求的含水率增量对应的电荷降幅理论百分比为50.13%。由此可根据现场煤层注水前、后电荷降幅实际百分比与理论百分比相比较,就可对煤层注水防冲效果进行初步评价;现场监测结果表明煤层注水前和注水过程中,监测的电荷幅值较大,注水后电荷幅值与注水前相比降幅为52.65%,大于试验室理论结果,符合煤层注水要求。因此,电荷感应方法可以用来检测煤层注水防冲效果,但还需要大量的试验室以及现场试验进行不断的修正和完善。     

深部开采动力扰动下底板应力演化及裂隙扩展机制

深部开采地应力增高及动力灾害增多驱动岩体裂隙扩展导致底板突水事故频发,使得研究动力扰动下裂隙扩展机制具有指导意义。根据弹性理论推导分析了顶板动力扰动对底板应力的影响,模拟计算了动力扰动下底板应力及位移演化规律,基于卸荷岩体理论分阶段研究了动力扰动下端部效应区及卸荷作用下突水通道发育区的裂隙扩展机制,结合岩体渗流特征分析了高承压水压力下裂隙的渗透作用,并进行了工程验证。结果表明:随动力扰动强度增加,端部效应区应力非线性增长;动力扰动强度越大,卸荷起点越高,越易满足裂隙扩展的临界应力;动力扰动强度决定了底板裂隙的扩展及渗透作用机制,当突水通道发育区渗透率突变增加的岩层深度大于隔水层厚度时将诱发底板突水。     

煤体振动方法防治冲击地压的机理研究

 研究了一种新的冲击地压控制方法, 即煤体振动方法的机理。在实验上, 采用分形几何方法, 研究了煤体在受振后裂隙的变化规律, 发现受振后煤体的分形维数增大, 表明煤体的裂隙增加, 且经过一定振动时间后, 分形维数趋于稳定; 研究了振动对煤体力学性质的影响, 发现受振后煤体的抗压强度、弹性模量和降模量降低, 且受振时间越长或初应力水平越高, 振动对煤体力学性质的影响越明显。应用采煤工作面和巷道冲击地压的分析结果, 从理论上证明了煤体受振后煤岩体的稳定性增加。     

爆破开挖对边坡岩体裂纹扩展的扰动机制

 爆破开挖是导致边坡节理岩体开裂甚至失稳的重要影响因素之一。基于断裂动力学理论,研究了爆破开挖对边坡岩体裂纹失稳扩展的扰动作用,分析了开挖扰动下地应力卸荷和爆炸应力波对裂纹尖端应力强度因子及其裂纹失稳扩展模式的影响。结果表明,爆炸应力波与地应力共同决定了边坡岩体裂纹的失稳扩展模式,初始地应力作用下边坡岩体裂纹的扩展模式主要为I-II压剪复合型;爆破开挖所产生的卸荷效应将改变初始地应力的状态,可使裂纹的扩展模式由I-II压剪复合型转变为I-II拉剪复合型,导致裂纹更容易失稳扩展,且卸荷程度越大,裂纹越容易失稳扩展;爆炸应力波的作用将增加岩体裂纹的失稳扩展风险。     

桥梁施工中大体积混凝土裂缝的原因与防治

随着我国经济的飞速发展,我国的桥梁施工技术有了飞速的进步,当今的桥梁主要是以钢筋混凝土为基础,复杂的桥梁结构作为主要架构.然而大体积的使用混凝土往往会导致桥梁部分存在着裂缝.当今我国对于由机械引起混凝土开裂的理论情况研究的较为透彻,机械产生的混凝土的裂痕大都能够通过技术的手段进行区分与分解,而且在整个桥梁的施工之上,但...     

考虑渗流特性的岩体结构面分形特性研究

 裂隙的连通性和密度是影响岩体渗流特性的重要因素。从岩体渗流研究的需要出发,对计算机模拟的岩体裂隙网络,应用分形几何理论,提出考虑裂隙连通性和密度影响的岩体结构面信息维数的计算方法,建立信息维数与岩体渗透系数的关系,进而可以用信息维数和岩体结构面几何参数来直接推求各向异性裂隙岩体的渗透系数张量。工程算例表明：(1) 考虑渗流应力耦合作用时,用容量维数计算的渗透系数比用信息维数计算的值高出2倍多,说明用容量维数计算岩体渗透系数会夸大裂隙岩体的渗透能力;(2) 信息维数能较好地反映裂隙密度对渗流的影响。信息维数越大,表明岩体内连通裂隙数量越多,因而岩体的渗透性就更大一些。     

A 3-D study of the effects of thermomechanical loads on fracture slip in enhanced geothermal reservoirs

Heat extraction from enhanced geothermal systems (EGS) can greatly affect the behavior of joints and other discontinuities in the reservoir. Fracture permeability can change in response to fluid injection/extraction, rock cooling, variations of stress field, and mineral dissolution/precipitation. The reduction in effective stress caused by pore pressure increase can cause the slippage of discontinuities, thus inducing seismicity. Studies have shown that thermal stresses generated by cold water injection have a similar effect. In order to assess the influence of thermal stresses on fracture opening and slippage, a 3-D coupled heat extraction/thermal stress/elastic displacement discontinuity model is used in this study. The effects of each mechanism on fracture slip is estimated with particular reference to the Coso geothermal field. The results indicate that under typical field conditions, a substantial increase in fracture slip is observed when thermal stresses are taken into account. The temporal evolution of the thermal stresses suggests that the rock mass deformation will not cease upon stoppage of water injection, which can be a cause of delayed seismic activity.