考虑瓦斯吸附作用的真三轴煤体剪切渗流特性试验研究

在煤炭资源科学开采过程中,煤层内部伴有复杂的瓦斯运移行为,其常处于真三轴应力状态,而当前物理试验不能反映瓦斯吸附饱和煤体的真实受力的动态状况,为此,利用自主研制的真三轴气-固耦合煤体渗流试验系统,开展了以甲烷和氦气作为吸附介质、渗流介质的煤体吸附渗流试验,对比分析了甲烷吸附在真三轴应力环境中对煤体变形和渗透率等影响的作用机理。试验结果表明:1)与氦气吸附试验定量对比分析可知,甲烷吸附作用受围压性质影响,在柔性围压一侧容易产生膨胀变形,而在刚性围压一侧产生微小变形;2)在不同的真三轴剪切应力环境中,中间主应力越大,煤体最小主应力方向上的应变速率越大;3)中间主应力效应具有双重作用,中间主应力效应与围压效应存在差异,当中间主应力超过一定的应力范围后,煤体峰值强度降低,其渗透率提高。研究成果为治理煤与瓦斯突出、提高煤层气抽采率提供了试验参考依据。     

瓦斯压力对卸荷原煤力学及渗透特性的影响

运用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置,以原煤煤样作为研究对象,在不同瓦斯压力条件下对含瓦斯煤进行了固定轴向应力的卸围压瓦斯渗流试验,研究卸围压过程中瓦斯压力对煤体的力学及渗透特性的影响。研究结果表明：开始卸围压后,煤体出现明显的扩容现象,径向发生明显膨胀应变,煤体中的渗流通道张开,煤体中瓦斯的渗流速率随之加快;随着瓦斯压力的升高,解除单位围压后煤样产生的变形变大,渗流速率升高的速率也随之增大;瓦斯压力越高,煤样从开始卸围压起至破坏的时间越短,即煤体强度越低;在卸围压初始阶段,煤样变形模量变化不大,在进入屈服阶段和失稳破坏阶段后,煤样的变形模量减小的速率开始明显加快。从煤样开始卸围压至破坏之前,煤样的变形模量下降了3.71%~7.45%;煤样的泊松比逐渐增大,围压与泊松比的对应具有较为明显的幂函数关系。     

真三轴路径下含瓦斯复合煤岩体渗流及力学破坏特性

深部开采扰动下“煤体-岩体”复合系统发生整体破坏失稳是导致煤岩瓦斯复合动力灾害发生的主要原因之一。为了研究煤岩瓦斯复合动力灾害发生机理，采用真三轴气固耦合煤岩渗流试验系统，以人工压制具有过渡界面的复合煤岩体试件为研究对象，进行了5种不同真三轴应力路径下含瓦斯复合煤岩体渗流特性及力学破坏特征试验研究。结果表明，真三轴路径下含瓦斯复合煤岩体强度符合Mogi-Coulomb准则，相比于其他试验路径，真三轴加载路径下试件强度最大，复合加卸载路径下试件强度次之，σ₂、σ₃发生转换时，试件强度显著降低；试件破坏时，真三轴复合加卸载路径下试件渗透率增长倍数最多，真三轴卸载路径次之，真三轴加载路径下试件渗透率增加倍数最少，σ₂、σ₃发生转换时试件渗透率显著增大；此外，复合煤岩体试件破坏特征具有规律性，真三轴加载路径下，σ₁-σ₂平面煤体中出现剪切裂纹，并在煤岩交界面处交汇，真三轴卸载和复合加卸载路径下，σ₁-σ₂平面上裂纹从煤体...     

含瓦斯煤Forchheimer型非达西渗流实验研究

针对目前非达西渗流在含瓦斯煤三轴应力状态下研究较少的问题,基于Forchheimer型非达西渗流理论,采用自行研制的含瓦斯煤准三轴渗流试验装置,研究了2个煤矿的贫煤煤样在不同围压、轴压条件下Forchheimer型非达西渗流特性并计算了相关参数。研究结果表明,三轴应力状态下煤样中瓦斯气体流速随瓦斯压力梯度的变化而出现明显的Forchheimer型效应。相同介质和流体下,瓦斯压力和三轴应力状态成为煤体瓦斯渗透规律的主要影响因素。不同围压、轴压条件下,瓦斯渗透速度会随瓦斯压力的增大而增大,但其渗透速度的增大速率最终会趋于恒定。相同围压下,非达西渗流因子β随轴压的增大而增大,且β越大,压力梯度与渗流速度之间的非线性关系越明显,而非达西渗透系数K值会有减小的趋势。     

采动条件下煤体渗流特性试验及应用

为准确判断高瓦斯低透气性煤层瓦斯采动卸压抽采的有效区域,进一步提高瓦斯抽采效果,采用渗流试验和理论分析的方法,研究了煤层采动过程中煤体渗透率随应力的变化规律。结果表明:在受采动影响不同阶段,含瓦斯煤体渗透率随应力变化呈现明显的阶段差异性。在煤体弹性变形阶段,煤体渗透率随应力的增加逐步降低;在煤体达到屈服点至煤体破坏阶段,随着应力的升高,煤体发生塑性变形,煤体内产生采动裂隙,渗透率开始缓慢提升;在煤体破坏后,煤体处于卸压状态,煤体渗透率随着应力的降低大幅提升。最后,通过现场本煤层瓦斯抽采效果分析验证了采动煤体渗流特性试验结果的正确性。     

真三轴实验下梁宝寺煤矿掘进工作面煤体应力—渗流关系研究及应用

针对梁宝寺煤矿3434掘进工作面作业期间瓦斯浓度较高的实际问题,以瓦斯防治为研究目的。运用自行研制的真三轴气—固耦合煤体渗流实验系统,根据掘进工作面周围煤体应力分布情况,开展了卸载围压和加载轴压实验,研究各应力分区煤体渗透率演化规律,分析瓦斯赋存情况。研究结果表明:卸压区渗透率增大,适宜瓦斯逸散;应力增高区渗透率下降,瓦斯难以逸散。根据实验结果和应力分区特点设计出瓦斯治理方案,并进行工程实践。实践结果显示:采用超前钻孔抽采煤层瓦斯后,掘进工作面瓦斯浓度由0.53%~0.76%降至0.35%以下,证明应力—渗流关系研究结果正确。     

瓦斯突出及渗流物理试验研究进展

系统综述了前人研究煤与瓦斯突出的物理试验方法及理论成果,得出突出物理模拟试验分为瓦斯压力破膜突出模拟试验、人工缓慢干扰突出模拟试验、点火爆炸气压突增模拟试验、瞬间卸压突出模拟试验、间接突出试验5种方案;渗流试验由单一影响因素向多影响因素综合分析,并得到各因素影响渗流变化量的规律。认为目前该类试验研究为静态-突出模拟而非动态-突出模拟;没有研究机械振动作用下含瓦斯煤体渗流特性;没有研究突出前后瓦斯渗流规律;未系统分析煤体力学性质、瓦斯解吸吸附、渗流、煤体变形特征与突出破坏特性间的关系,以及机械振动对煤体强度、瓦斯解吸吸附、渗流、突出的影响。     

不同产状裂隙煤样三轴承压下非Darcy渗流特性

裂隙产状是影响瓦斯抽采钻孔孔周煤体渗流状态的重要因素之一。为探究裂隙的不同产状对煤体渗流特性的影响,分别制作了含有1,2,3条裂隙共5种产状的煤样;利用自主设计的三轴渗流试验系统,采用稳态渗透法对煤样进行渗流试验研究,得到了三轴应力下裂隙煤体的渗流雷诺数、渗透率和Forchheimer数变化趋势,并分析了裂隙煤体非Darcy渗流的演化规律。结果表明:① 渗流试验过程中,42%的渗流雷诺数分布在10~100,且渗流趋势符合非线性渗流特点;说明随着裂隙面面积的增大,流动过程中黏滞阻力和惯性力对流速的影响越来越大,其发生非Darcy渗流的可能性就越高;② 通过分析裂隙煤体受力状况,得到裂隙煤样渗透率k随着有效应力σ的增加呈下降趋势,且符合k=aσ-b关系;说明随着应力水平的增加,煤样内部部分裂隙发生闭合、渗流通道数目和宽度的减少,最终导致渗透率急剧降低;③ 通过计算各个阶段的Forchheimer数Fo,得到Fo与渗流速度v符合二次曲线规律增长,且随着Fo的增加非Darcy渗流效应也越来越显著,说明裂隙煤样渗透性的增强是导致发生高速非Darcy渗流的根本原因。结合以上结论,可在煤层瓦斯预抽工作中,依据钻孔孔周煤体瓦斯流动规律准确确定抽采钻孔影响范围,从而为钻孔布孔方式的设计提供重要的理论依据。     

不同剪切端面和围压下损伤煤体孔渗特性实验研究

煤体损伤是影响渗透率变化和瓦斯流动的重要因素;采用多剪切端面损伤渗流测试系统和核磁共振仪,分析了不同剪切端面和围压下损伤煤体孔渗特性变化规律。结果表明：损伤煤体内中大孔增多,吸附空间向渗流空间转化,孔隙间连通性变好;50%剪切端面情况下,渗流空间（驰豫时间T2>10 ms）平均面积百分比由9.89%增大为14.94%;剪切应力作用下,煤体轴向变形量不断增大,50%剪切端面比30%剪切端面导致的轴向变形量大,而围压值越大,轴向变形量越小;随着剪切应力的增大,煤体渗透率先降低后缓慢增加,当应力达到煤体强度阈值时,损伤煤体渗透率以指数形式增大,50%剪切端面对应的渗透率值普遍比30%剪切端面的大,前者是后者的7倍左右。     

含瓦斯煤岩卸围压变形特征及瓦斯渗流试验

运用自制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置,进行了含瓦斯煤岩卸围压瓦斯渗流试验,研究其卸围压过程中的变形和瓦斯渗流特性。研究结果表明,卸围压试验煤样破坏形式是以剪切破坏为主的张剪复合破坏。卸围压过程中,含瓦斯煤岩围压-应变曲线可以分为3个阶段：屈服前阶段、屈服后阶段、破坏失稳阶段。渗透率-应变曲线与围压-应变曲线呈现出明显的对应关系,表明围压对煤岩的变形和渗透率有重大影响,煤岩渗透率的变化与煤岩的变形损伤演化过程密切相关。卸围压后,含瓦斯煤岩的泊松比立即转为向变大的方向发展,变形模量立即转为向变小的方向发展,并在卸围压过程中发展的趋势保持不变。