考虑含水率影响的煤岩变形及渗透率模型

煤矿开采深度不断增加,煤层瓦斯含量升高导致动力灾害逐渐增多,给煤矿安全开采带来严峻考验。对于瓦斯在煤层中流动的研究一直以来都备受关注,其中渗透率正是影响煤层中瓦斯流动的关键参数之一。因此,为准确模拟开采环境变化导致的煤岩变形及渗透特性变化,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,开展不同含水条件下孔隙压力升高过程中煤岩渗透特性的试验研究,建立考虑含水率的吸附方程和吸附-渗透率模型,探讨含水率和孔隙压力共同作用对煤岩变形及渗透特性的影响。研究结果表明:①孔隙压力升高过程中,径向应变及轴向应变随孔隙压力的升高均呈降低趋势,瓦斯流量的变化呈上升趋势,煤基质由于吸附瓦斯产生膨胀变形,体积应变逐渐减小。②当含水率恒定时,随着孔隙压力的升高,瓦斯吸附量随孔隙压力增大先增大而后趋于平缓,产生的吸附变形的变化趋势与其相同;当孔隙压力恒定时,煤岩的吸附量和吸附变形均随着含水率的增大而减小。③在恒定含水率条件下,煤岩渗透率曲线随孔隙压力的升高先减小后趋于平缓;而在相同的孔隙压力条件下,随含水率的增加,煤岩渗透率整体逐渐减小,而且含水率越大孔隙压力对渗透率的影响越弱,水分子对渗透率的影响越强。④构建了考虑含水率的吸附量计算方程,并在此基础上进一步构建考虑含水率煤岩吸附-渗透率模型,其中所计算的渗透率值与试验所测结果基本一致,反映了煤岩渗透率变化规律。     

力热耦合作用下煤岩吸附及渗透特性的试验研究

利用等温吸附试验仪器与含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,为模拟深部煤层瓦斯开采过程,分别进行不同温度下等温吸附试验与孔隙压力升高的渗流试验,建立考虑过剩吸附量修正的吸附模型并修正吸附膨胀模型,探究力热耦合作用下煤岩吸附与渗流变化规律。结果表明:瓦斯吸附量在不同温度下随瓦斯压力升高均呈增大趋势,随温度升高吸附量逐渐降低。在高压下需考虑过剩吸附量造成的误差,修正的Langmuir模型比原模型计算结果精度更高;建立了考虑温度与过剩吸附量修正的吸附变形模型与吸附膨胀模型,煤岩吸附应变随孔隙压力升高而减小,且温度越高应变变化量越小。随孔隙压力升高,煤岩渗透率及吸附膨胀与滑脱效应导致的渗透率变化量均呈下降的趋势,且随温度升高3者逐渐增加;吸附膨胀是引起煤岩渗透率减小的主要因素,吸附膨胀与滑脱效应对渗透率的贡献率随孔隙压力升高逐渐下降,其贡献率均随温度升高逐渐增加。     

应力作用下含水煤岩渗透率及水膜动态演化机制

为探究应力-吸附-水与滑脱效应多因素综合作用下煤岩渗透率演化机制,考虑应力-吸附诱导煤岩变形的影响,修正水膜厚度表达式,并分析煤岩孔隙的动态变化。基于此,进一步量化含水煤岩气体滑脱效应的强度,建立考虑应力-吸附-水与滑脱效应多因素综合作用的煤岩渗透率模型。此外,结合煤岩渗透率试验研究,通过试验数据验证渗透率模型的可靠性,以揭示应力-吸附-水多因素综合作用下煤岩渗透率、动态水膜及滑脱因子的演化机制。研究结果表明：同一含水饱和度条件下,煤岩渗透率随有效应力增大先急剧减小后趋于平缓;同一有效应力条件下,煤岩渗透率随含水饱和度增大逐渐减小。水膜厚度在应力-吸附-水作用下动态变化,水膜厚度与应力、吸附呈负相关趋势,而与含水饱和度呈正相关趋势;随含水饱和度增大,滑脱因子逐渐增大,但在低应力条件下,增大趋势平缓,高应力条件下增大趋势急剧。此外,基于气-液-固表面分离压,推导应力-吸附作用下正方形、正三角形内动态水膜表达式,并分析不同几何形态孔隙的煤岩渗透率、动态水膜及滑脱因子演化机制的差异。其中,因角孔存在,不同几何形态孔隙内水膜厚度从大至小排序为圆形、正方形、正三角形,煤岩渗透率排序与其相反;圆形...     

煤岩不同含水状态下瓦斯渗流特性试验研究

水力增透技术在瓦斯抽采中的作用效果常常受到水的影响,为更客观地了解煤层不同含水状态下的瓦斯渗透特性,利用三轴渗流试验机,在恒定有效轴向应力和有效围压条件下,对四川省白皎煤矿试样,进行干燥煤样、自然含水煤样、液态水润湿煤样、压力水注水煤样等不同湿润方式煤样的渗流试验。试验结果表明:1)压力水注水煤样(含裂隙)的无因次渗透率随瓦斯压力的增大而逐渐减小,干燥煤样、自然含水煤样、液态水湿润煤样及压力水注水煤样的无因次渗透率均随瓦斯压力的增大呈现先减小后增大趋势,且在瓦斯压力为1.00 MPa左右时存在相对较为明显的变化拐点。2)在干燥煤样、自然含水煤样及液态水湿润煤样的含水率范围内,煤样渗透率与含水率呈线性减小关系。3)在试验范围内,随着含水率的增加,水分对瓦斯压力敏感性的影响越显著,而对压力水注水煤样,水压主要通过产生裂隙来影响煤样瓦斯压力敏感性。     

煤岩力热耦合渗流特性实验装置开发与应用

为深入研究多因素综合作用时煤岩瓦斯渗流规律,自主研制了煤岩力热耦合渗流特性实验装置。实验装置优势明显:可在模拟煤储层原位地质条件下,开展温度、含水率、地应力及注气压力多因素耦合作用下的煤岩瓦斯渗流特性实验,且回压控制系统的设计保证了煤岩渗流特性实验与煤矿现场实际情况相符。同时,利用实验装置进行了多因素综合作用下的瓦斯渗流特性实验研究。结果表明:恒定温度、注气压力条件下,随加载应力的增大,煤样渗透率大幅下降,但加载应力增幅相同时,渗透率下降幅度明显变小;煤样渗透率随含水率的增加逐渐减小,但减小趋势逐渐减缓,且两者符合负相关关系变化规律。     

考虑温度作用下煤岩渗透特性及吸附膨胀的试验研究

利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,为模拟采深增加导致的渗透特性变化,开展不同温度下孔隙压力升高过程中煤岩渗透特性的试验研究,建立考虑温度作用的吸附膨胀模型,探讨温度和孔隙压力综合作用对煤岩吸附膨胀效应的影响。结果表明:随孔隙压力升高,轴向应变在较低温度下(30,40℃)逐渐下降,在较高温度下(50,60℃)逐渐上升,在各个温度下径向应变、体积应变逐渐降低;随孔隙压力升高,煤岩渗透率先减小后略有增高,不同温度下通入氦气与甲烷气体的煤岩渗透率变化趋势相同且前者渗透率大于后者;随温度升高滑脱效应导致的渗透率变化量(Δkb)逐渐增大,煤岩吸附膨胀导致的渗透率变化量(Δks)随孔隙压力升高先急剧下降后趋于平缓,且随温度升高变化量逐渐增大;在相同孔隙压力下,考虑温度作用吸附膨胀引起的渗透率变化量均高于不考虑温度作用的变化量,且前者总减小量要大于不考虑温度时总减小量。     

含水煤岩变形破坏过程中瓦斯运移规律的实验研究

配合自制煤岩三轴流固耦合夹持装置,采用实验方法对煤岩变形破裂过程中瓦斯运移规律进行研究。实验结果表明：煤岩破裂前后,瓦斯解吸量、解吸速率以及渗透率的差异较大,在弹性压密到强化阶段,瓦斯解吸规律基本遵循Langmuir等温吸附规律。在煤岩破裂阶段,瓦斯解吸量和解吸速率都急剧增大,瓦斯渗透率的变化表现为少许滞后于应变的特点;在瓦斯压力较低的情况下,煤岩渗透性能受含水饱和度的影响显著,破裂后气测渗透率值比压密阶段高近6倍,含水饱和度增大后,煤岩破裂前后气测渗透率变化规律大致相同,虽然增大了煤岩孔隙压力,但煤岩变形破裂全过程中测定的气测渗透率反而降低。     

含水率对含瓦斯煤的渗流特性影响试验研究

利用自主研发的三轴煤岩瓦斯渗流试验系统,测定煤样在含水率、围压和瓦斯压力的不同组合情况下的渗流量,得到含水率与含瓦斯煤渗透特性之间的关系表达式,揭示了受水分影响的含瓦斯煤渗透特性的一些新的认识：① 不同含水率煤样,固定瓦斯压力条件下,含瓦斯煤渗透率随围压的增大而减小,且呈指数函数关系;② 不同含水率条件下的含瓦斯煤,随着瓦斯压力的增大,含瓦斯煤渗透率的先减小后增大,呈现出“V”字型变化趋势,具有明显的Klinkenberg效应;③ 瓦斯压力对含瓦斯煤渗透性的影响大于围压的影响;④ 恒定温度环境条件下,含水率对含瓦斯煤的渗透性有很明显的影响,随着煤样中含水率的增加,含瓦斯煤的渗透率逐渐减小,整体呈负指数关系。     

水-瓦斯-煤三相耦合作用下煤岩强度特性及实验研究

为研究煤岩在水、瓦斯共同作用下的强度特性,基于非饱和多孔介质混合物理论及有效应力原理,建立了含水瓦斯煤岩破坏准则。通过引入基质吸力应力因子,并利用实验得到基质吸力与煤岩含水率的拟合曲线,得出水-瓦斯-煤三相耦合作用下煤岩强度与瓦斯压力及含水率的关系式。在实验室进行三轴压缩强度实验,对含水瓦斯煤岩强度理论进行了验证。结果表明:基质吸力是含水瓦斯煤岩强度的重要影响因素,在水与瓦斯共同作用下,煤岩峰值强度随瓦斯压力增加线性减小,而随含水率增加呈指数降低。     

煤岩孔裂隙结构分形特征及渗透率模型研究

为探究煤岩孔裂隙结构与渗透特性的联动关系,采用扫描电镜、偏光和分形等手段分析煤岩孔裂隙结构分布特征,利用自主研发的出口端正压三轴渗流装置,开展恒定有效应力条件下孔隙压力升高的渗流试验。基于分形理论,考虑煤岩表面孔隙分布情况对煤岩渗透率的影响机理,建立考虑孔裂隙分形特征的煤岩渗透率模型,通过试验验证其合理性,对煤岩孔裂隙下分形维数和渗透率耦合进行定量分析。研究结果表明:①六盘水矿区煤岩表面含有一定数量的孔隙和裂隙,其中四角田7号煤层孔裂隙发育情况最好,具有2条清晰的宽度较大的裂隙,并伴有大量交叉微裂隙及孔隙发育,煤岩结构破坏严重;②通过盒维数法可得煤岩孔裂隙分布具有明显的分形特征,且煤岩孔隙率与分形维数呈正相关关系;③恒定有效应力条件下,煤岩渗透率随孔隙压力升高呈现先急剧降低后趋于平缓的趋势,受孔裂隙结构影响,在相同的孔隙压力下煤岩渗透率存在明显差异。煤岩表面孔裂隙结构越复杂其分形维数越大,有助于瓦斯运移,渗透率呈上升趋势;④考虑孔裂隙分形特征的煤岩渗透率模型计算值与实测值吻合度较高,与前人研究成果相比,无论理论机理的适用性还是对试验点的匹配方面都更加适用,且能较好地反映孔隙压力与渗透率的联动关系。     

吸附气体对突出煤渗流特性的影响

煤层中瓦斯渗流特性不仅受地应力、煤孔隙结构等因素的影响,还因气体吸附而发生变化。以重庆市万盛区某煤矿突出煤层原煤为实验对象,在有效轴向应力和有效围压为1 MPa条件下,利用自制的三轴渗流试验机研究突出煤吸附二氧化碳、甲烷气体对渗流特性的影响。结果表明:1突出原煤吸附-渗流过程具有明显的阶段特征,煤体变形经历了初始快速变形阶段、缓慢变形发展阶段、变形稳定阶段、收缩变形阶段和渗流稳定阶段;2气体压力越大,煤体膨胀变形越大,相同气体压力下,煤体吸附二氧化碳变形增量大于吸附甲烷变形增量;3随着气体压力的增大,气体渗流速度逐渐增大,呈显著的指数函数关系,突出煤渗透率先减小后增大,具有明显的阶段性。     

CO2驱替煤层CH4中混合气体渗流规律的研究

CO2驱替开采煤层气过程中,由于CO2和CH4的竞争吸附,CO2/CH4混合气体在运移时CH4体积分数会不断发生改变,进而影响煤体变形和渗透特性。利用自主研发的三轴渗流系统,采用稳态渗流法对焦煤样进行单一组分气体(He,CH4和CO2)和不同配比的CH4/CO2混合气渗流试验。渗流过程中保持温度和体积应力(30 ℃、33 MPa)恒定,并利用LVDT测量煤体的轴向变形。结果表明:① He和不同配比CH4/CO2混合气的渗流过程均受滑脱效应的影响,气体渗透率随入口压力增大呈先减小后缓慢增大的变化;对于非吸附He,入口压力Symbol|@@2 MPa时滑脱效应对气测渗透率的影响要远远大于有效应力效应;② 在一定的体积应力条件下,不同配比CH4/CO2混合气体吸附引起的煤体膨胀应变随入口压力增加而增大,变化规律符合Langmiur方程,且在相同入口压力条件下,混合气体中CO2浓度越高,煤体膨胀应变越大;③ 在考虑有效应力效应、吸附膨胀应变对渗透率的动态影响以及滑脱因子b随煤体渗透率变化的基础上,建立了煤体气测渗透率理论模型,该模型能够描述不同配比CH4/CO2混合气体以及He渗透率随入口压力的变化;④ 随着煤储层CH4/CO2混合气体压力增大或者CO2体积分数升高,基质膨胀应变对煤体渗透率的影响逐渐减小。煤体中靠近孔裂隙的基质吸附膨胀对渗透率的影响(β)随入口压力的增加逐渐减小;CH4/CO2混合气体中CO2体积分数越高,β减小速率越大。     

考虑煤渗透性变化的抽采渗流耦合模型研究及应用

为揭示煤岩变形对煤层瓦斯抽采渗流特性的影响,开展了煤层瓦斯抽采气固耦合问题研究。首先,考虑煤吸附解吸变形、孔隙压力及渗透性变化对瓦斯抽采的影响|然后,根据达西定律,建立以有效应力及吸附应变为耦合媒介的煤层瓦斯渗流和煤岩变形气固耦合方程|最后,以沙曲矿24208工作面为工程背景进行抽采煤层位移、吸附应变和瓦斯渗流数值模拟,并对比分析煤层瓦斯压力、煤层渗透率和瓦斯抽采量的耦合效应。结果表明：抽采后钻孔周围煤体位移呈增大趋势,煤体因瓦斯解吸收缩变形,距抽采孔越近应变量越大|抽采初期煤层瓦斯压降梯度大|煤层渗透率随抽采时间呈增大趋势,距孔越近增幅越大|初期钻孔瓦斯抽采量较大但降幅较快,后趋于稳定,对比发现模型抽采量计算结果与实际抽采数据较为一致。     

淮南矿区典型煤岩体全应力—应变渗透性表征试验

煤岩体是一种多孔介质,地下开挖使岩体的应力状态发生改变,导致岩体的力学性质和渗透性质发生改变,围岩应力状态和渗流场特性是获取储层瓦斯气、评价或计算矿井涌水量、防突水危害等具体工程问题的理论基础和科学依据。通过对淮南矿区煤岩进行三轴压缩全过程渗透性试验,分析了煤岩变形破坏全过程以及不同围压和瓦斯压力下的瓦斯渗透特性。得出煤岩全应力—应变曲线与煤岩瓦斯渗透率—全应力应变曲线之间的对应关系。结果表明:在微型裂隙闭合和弹性变形阶段,煤样渗透率随应力增大而减小,进入屈服阶段后,渗透率达到最小值并在峰值后呈持续增大之势;固定瓦斯压力作用下,煤样应力峰值随着围压的增加而逐渐增大,煤样渗透性与围压关系呈指数函数变化规律,且表现出应变滞后的特点;固定围压作用下,渗透率与瓦斯压力关系呈“V”字型走势,即在扩容阶段煤岩样渗透性达到最佳。