含瓦斯煤的力学特性及渗流规律试验研究

采动裂隙场瓦斯流动是实现深部煤与瓦斯共采的基础。采用WYS-800微机控制电液伺服三轴瓦斯渗流试验装置,对平朔井工一矿14106工作面煤层进行了含瓦斯煤的力学特性和瓦斯渗流试验。结果表明:常规三轴不同瓦斯压力条件下,全应力-应变曲线分为4个阶段:初始压密阶段、线性弹性阶段、屈服阶段、破坏阶段。煤样的渗透率随轴向应变先减小后增大,最后趋于稳定;煤样的偏应力-应变和渗透率-应变曲线呈现相反的趋势,而且常规三轴压缩煤样破坏后渗透率增加量比较少。常规三轴不同围压条件下应力-应变曲线也主要表现为4个阶段。随围压值增大,三轴抗压强度呈线性增加趋势;在相同轴向载荷作用下,煤样所受围压越大,渗透率就越小。从不同围压条件下轴向应力-轴向应变和渗透率-轴向应变曲线可以看出,渗透率随着轴向应变的增大先降低后升高,煤样的峰值强度随着围压升高而增大。     

含瓦斯煤渗透率演化模型和实验分析

与气体压力有关的煤层渗透率变化规律是煤矿开采和煤层气开发过程中的重要问题,不同应力条件下,不同类型煤样的渗透率演化特征不同。为了研究瓦斯压力变化过程中煤样渗透性的变化规律,以开滦赵各庄煤矿9号煤层的煤样为研究对象,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,在恒定温度、轴压和围压,降低瓦斯压力的实验条件下测定了煤样应变和瓦斯渗透率。实验结果表明:随着瓦斯压力的降低,煤样收缩应变加剧,渗透率表现为两种变化趋势:逐渐增大和先减小后增大(渗透率回升对应的瓦斯压力小于1. 0 MPa)。瓦斯压力降低至0. 3 MPa时,渗透率为初始条件下(瓦斯压力2. 0 MPa)渗透率的1. 9～2. 9倍。考虑到煤样在径向和轴向的收缩应变数值接近,针对三维变形煤样建立了渗透率模型,模型同时体现了气体压力和气体解吸对渗透率的影响。理论分析表明,降压过程中煤的渗透率将在某一气体压力(反弹气体压力pr)时由降低转为升高。推导的反弹气体压力pr计算公式显示pr的取值由煤样的体积模量K、与吸附效应有关的Langmuir系数εp和pL共同决定;体积模量K与吸附变形系数εp越大,pr越大。值得注意的是,pr的取值与煤样的外部应力以及内部的气体压力无关。结合本文和前人的实验数据,由本文的渗透率模型计算得到了不同应力和瓦斯压力条件下的煤样渗透率变化曲线以及相应的反弹气体压力pr。模型计算结果与实验数据接近,最大相对误差低于8. 9%。研究表明,实验测得煤样的渗透率表现为何种变化趋势,取决于反弹气体压力pr和实验气体压力的关系。当pr≥pmax(实验测点中最大的气体压力值)时,渗透率随着气体压力增大而降低;当pr≤pmin(实验测点中最小的气体压力值)时,渗透率随着气体压力增大而增大;当pminprpmax时,随瓦斯压力的增大,煤样渗透率呈"V"形变化,即先减小后增大。     

不同应力路径下含瓦斯煤渗透特性的实验研究

通过对含瓦斯煤渗透特性的实验研究,系统分析了不同应力路径下含瓦斯煤的渗透率变化规律,建立了含瓦斯煤渗透率与轴向压力、围压及瓦斯压力等之间的定性与定量关系,探讨了不同应力路径下含瓦斯煤渗透性的控制机制和变化规律。结果表明应力路径对含瓦斯煤的渗透率有着重要影响:1)含瓦斯煤渗透率随着轴向压力和围压的增加而减小,随瓦斯压力的增加而增加。2)含瓦斯煤渗透率与轴向压力、围压和瓦斯压力呈指数关系变化。3)三轴压缩下全应力-应变实验过程中,含瓦斯煤的渗透率呈"V"字型走势;渗透率随煤样的应变先减小后增大,然后达到最大值,而且渗透率的增加速率小于其减小速率。     

瓦斯放散过程中煤样力学特性演化试验研究

以处于固定应力环境中的含不同压力瓦斯的煤样瓦斯放散过程为研究对象,以瓦斯逐渐放散过程中煤样的轴向应变、横向应变为研究参数,系统地研究了瓦斯逐渐放散过程中煤样的变形特性与规律。结果表明:在一定外力环境下,煤样逐渐放散瓦斯后其轴向应变、横向应变变化均表现为一个明显的非线性过程;轴向应变变化规律呈三段式,存在一个瓦斯放散速度点使煤样轴向应变开始以较大速率增加,瓦斯放散速度与产生的轴向应变可用改进的乘幂关系表征;横向应变变化规律呈明显的非线性;试验结束时,随着瓦斯压力的增加煤样产生的总横向应变也呈明显的非线性;瓦斯压力大小对于瓦斯放散过程中煤样产生的轴向应变、横向应变均有明显影响,主要表现为开始出现应变处对瓦斯放散速度的敏感性、产生变形总量和产生变形过程与瓦斯放散速度的关联性等方面。     

瓦斯抽采降压过程中温度对煤变形及渗透率的影响

以重庆松藻煤矿K2煤层为研究对象,利用自行研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置,进行了不同温度条件下含瓦斯煤在气体压力降低过程中的渗流试验,分析了抽采降压过程中温度对含瓦斯煤变形及渗透率的影响。结果表明:在气体压力降低过程中,轴向应变随温度升高先略有减小后逐渐增大,径向应变随温度升高逐渐往负值方向发展;各温度条件下,含瓦斯煤渗透率随气体压力降低均呈现先减小后增大的趋势;在抽采降压过程中,煤样渗透率随温度的变化与应变随温度的变化具有对应关系。     

含瓦斯原煤样的渗透特性试验研究

 为了解井下煤层受采动作用的影响,原岩应力升高与降低的过程中引起的煤体瓦斯渗透特性变化规律,利用MYS-Ⅰ型煤岩样渗透率测试系统,对原煤煤样通过改变围压和瓦斯压力的方法,研究了渗透率与围压和瓦斯压力之间的关系。试验结果表明：围压对煤体渗透率的影响很大;瓦斯压力保持不变时,随着围压的增加,渗透率开始下降很快,降到一定程度之后变化缓慢;在围压保持不变时,瓦斯压力与煤样渗透率之间的关系呈先减小后增大的趋势变化。     

饱和水含瓦斯煤气水两相渗流特性试验研究

通过恒温条件下饱和水煤样气水两相渗透率的测定试验,研究了含瓦斯煤样气水两相渗透特性规律。利用自主研发的三轴瓦斯渗流试验系统,测定随着含水饱和度变化,煤样在围压和瓦斯压力的不同组合情况下的渗流量,得到气水两相渗透率与含瓦斯煤含水饱和度之间的关系,揭示了饱和水含瓦斯煤气水两相渗透特性的一些新的认识:1随着含水饱和度的减小,水的渗透率不是一直减小的,而是整体呈现出随着煤样含水饱和度的减小而减小的趋势,但在开始阶段有一段比较大的波动,渗透率先减小后增大,出现一个波峰,然后再逐渐减小,且很快减到极小的程度;2水对瓦斯的渗透性有较大的抑制作用,在饱和水状态下瓦斯气体几乎不能通过煤样,但在高含水饱和度条件下,瓦斯的渗透率不一定接近于0;3随着瓦斯压力的增大,气水等渗点右移。     

不同加载条件下原煤力学渗流特性试验研究

以潞安集团常村煤矿煤样为研究对象,利用WYS-800微机控制电液伺服三轴试验装置研究不同加载条件下原煤的力学渗流特性。结果表明,三轴压缩煤样的极限抗压强度和弹性模量均大于单轴条件下的相应值;随着围压的不断增大,煤样抗压强度和弹性模量也会增大,且弹性模量呈现很好的线性;循环加卸载轴压应力-应变曲线在一定程度上受制于常规三轴压缩试验相应曲线,峰值强度降低;煤岩应力-体应变曲线,在低围压试验下表现出扩容机制;在高围压条件下,从峰前至峰后,煤样体积始终呈压缩状态。三轴压缩条件下含瓦斯煤的渗透率与轴向应变呈斜"V"字型走势;循环加卸载轴压试验,随着加卸载次数的增加,煤样渗透率整体降低,但降低梯度减小。     

含瓦斯煤岩蠕变渗流耦合试验研究

应用自行设计的CSCG-160型重力液压恒载蠕变渗流试验系统,进行了煤样蠕变渗流特性试验,研究煤体蠕变过程中变形和渗流特性,并将试验结果与数值模拟结果进行了对比分析。研究结果表明:煤岩蠕变特性明显,蠕变载荷较小时,煤岩呈现衰减蠕变,较高的蠕变载荷水平下煤岩具有典型的蠕变3阶段;煤岩试样的环向应变随轴向应变的增大而增大,体积应变随轴向应变的增加呈现先增大后减小的趋势;煤岩渗透率随时间变化的曲线与煤岩蠕变试验曲线的变化趋势一致,煤岩的渗透率随蠕变载荷水平的增加而增大;煤岩蠕变过程的渗透率随轴向应变的增大而增大,渗透率增加的速率也随着轴向应变的增大而增大。     

不同含水状态下含瓦斯原煤加卸载试验研究

以南川宏能煤业(原半溪矿)矿井西翼K1煤层为研究对象,利用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置,进行了不同含水状态下的含瓦斯煤加卸载试验研究。研究结果表明:(1)随含水率增加,加卸载煤样的承载强度、残余强度、变形模量都呈现降低趋势,而轴向应变、径向应变、体积应变及侧向膨胀率均呈增加趋势。(2)加卸载过程中煤样甲烷有效渗透率变化与煤样损伤变形演化相对应,但存在明显的滞后现象;煤样破坏前,含水率越高,甲烷有效渗透率越小;煤样破坏后,含水率越高,甲烷有效渗透率反而越大。(3)随含水率增加,加卸载煤样破坏程度增大,裂隙发育增多,形变量增大,煤样加卸载过程中的总能量和耗散能也增加,而弹性能却减小。     

卸轴压起始载荷水平对含瓦斯煤样力学特性的影响

以肥煤制作的型煤试件为研究对象,对其在一定围压和瓦斯压力下的三轴压缩力学特性、不同起始应力点卸轴压时的力学特性进行了试验研究。结果表明：三轴压缩试验型煤试件的变形特点、变形阶段分布与原煤非常相似,而尤以压密阶段和线弹性阶段为最;卸轴压过程中,煤样的变形特性呈非线性特点;随着起始应力点的升高,煤样变形的非线性呈增加趋势,卸轴压过程中的平均弹性模量呈下降趋势,瓦斯压力对煤样变形的影响呈增加趋势;在一定围压和瓦斯压力作用下,煤样卸轴压过程中轴向应力-轴向应变关系可用指数关系表示。     

含瓦斯煤热流固耦合渗流实验研究

以晋城煤业集团赵庄矿3号煤层的无烟煤为研究对象,运用自主研发的“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置”,进行了恒定瓦斯压力和围压条件下含瓦斯煤热流固耦合全应力-应变瓦斯渗流实验。研究结果表明：随着煤样温度的升高,煤样的三轴抗压强度降低,承受变形的能力减小,弹性模量增大;在全应力-应变整个过程中,煤样的渗透率总体呈下降趋势;煤样渗透率小不利于采煤之前的瓦斯抽放,导致煤层深处与工作面之间的瓦斯压力梯度较大,并且高温煤样在屈服阶段的渗透率增长更快,使煤与瓦斯突出的危险性增大。煤体渗透率与应力之间的关系不是单调的随应力的增大而减小,而是要看煤体处于何种应力-应变状态。     

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。     

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。     

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。     

两种典型受载含瓦斯煤样渗透特性的对比

利用自主研发的含瓦斯煤岩三轴压缩实验系统,进行了受载含瓦斯煤的渗透特性实验,对比分析了受载含瓦斯型煤与原煤两种典型煤样的渗透特性之间的异同。研究结果表明,控制煤体渗透率大小的直接原因是有效孔隙度而非总孔隙度,有效孔隙度大,则渗透率大。在恒定瓦斯压力条件下,型煤与原煤的渗透率随围压的增大而减小,均服从负指数函数变化规律;相同实验条件下,型煤渗透率普遍远大于原煤渗透率,且型煤渗透率随围压下降的速度比原煤的快。在恒定围压条件下,型煤与原煤的渗透率呈现先减小后增加的趋势,在瓦斯压力p<1.0 MPa范围内均具有明显的Klinkenberg效应。全应力-应变条件下,瓦斯渗流规律与煤样的破坏形式相关,煤样渗透率都表现出先减小后增大的现象,并且具有一般的“V”字型变化规律。     

不同应力组合条件下煤岩渗透率的试验

利用自制含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置,对煤岩在不同轴压、围压和瓦斯压力组合下进行渗流试验,研究不同围压和瓦斯压力组合下的全应力-应变及在不同应力组合下煤岩渗透性的影响规律。结果表明：煤岩的渗透率随体积应力变化有三个阶段;在轴压和瓦斯压力一定的条件下,渗透率随着围压的增加而减小,且与围压呈二次曲线关系,围压对渗透率的影响比轴压大;在轴压和围压一定的条件下,渗透率随着瓦斯压力的增加先减小后增大,且与瓦斯压力呈三次曲线关系,渗透率减小阶段滑脱效应占主导地位;在一定瓦斯压力和相同体积应力下,渗透率随轴压     

破碎煤岩体瓦斯-水相对渗透特性试验研究

为探究瓦斯抽采钻孔孔周破碎煤岩体中瓦斯-水相对渗透特性,利用自主研发的破碎岩体气液耦合渗透试验系统,采用稳态渗透法开展了瓦斯-水耦合渗透试验,得到了煤样渗透参数随渗透压和轴向压力的变化特征,并分析了渗透参数间的相互影响关系。结果表明：承压破碎煤岩体孔隙度随轴向压力的增加呈快速下降、缓慢下降和趋于稳定的阶段性特征;随着含水饱和度的增加,煤样气体相对渗透率快速下降,水相对渗透率线性上升,气体和水相对渗透率表现出竞争关系,且气体渗透率对于含水饱和度的敏感程度更高;气体和水的总渗透率随有效应力的增加而减小,服从指数函数关系,有效应力会影响破碎煤岩体孔隙结构的变形过程,随孔隙度的减小,气体有效渗透率降低,相对渗透率增加;渗透压对于水和气体相对渗透率的影响可分为气体占优阶段、等渗阶段和水占优阶段,临界渗透压取值范围为0.4～0.6 MPa。     

不同应力组合条件下煤岩渗透率的试验

利用自制含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置,对煤岩在不同轴压、围压和瓦斯压力组合下进行渗流试验,研究不同围压和瓦斯压力组合下的全应力-应变及在不同应力组合下煤岩渗透性的影响规律。结果表明：煤岩的渗透率随体积应力变化有三个阶段;在轴压和瓦斯压力一定的条件下,渗透率随着围压的增加而减小,且与围压呈二次曲线关系,围压对渗透率的影响比轴压大;在轴压和围压一定的条件下,渗透率随着瓦斯压力的增加先减小后增大,且与瓦斯压力呈三次曲线关系,渗透率减小阶段滑脱效应占主导地位;在一定瓦斯压力和相同体积应力下,渗透率随轴压的增加而增大,随围压的增加而减小,而且呈线性规律。     

CO2置换CH4试验中煤体应变及渗透率的变化

为研究煤层注CO2置换CH4过程中煤体应变及渗透率的变化特征,采用沁水煤田屯留矿3号煤层圆柱体原煤试样,在不同围压(8～20 MPa)及注入压力(1～6 MPa)条件下,进行注CO2置换煤层CH4试验。研究表明：置换试验中,煤样的轴向、径向及体积应变随有效应力的增加呈指数关系降低,随围压的增加而降低;同时随围压的增加,相同压降范围内的轴向、径向、体积应变降幅呈增大趋势;且相同围压条件下,径向应变大于轴向应变。试验同时发现,同一围压下,受有效应力效应、基质收缩效应及滑脱效应等作用影响,煤体渗透率随着有效应力的增加呈现先降低后增加的变化关系;相同有效应力条件下,渗透率随着围压的增大而减小;且在试验压力范围内,有效应力增加后期渗透率相对初期提高了8.53%~22.45%。