地应力对煤层开采底板破坏控制效应实验研究

为了研究地应力对深部煤层开采底板破坏深度的控制效应,论述了地应力随地层埋深不断增加而增大的分布规律,分析了地应力、矿山压力和底板突水的内在关系,通过室内岩石应力、应变和破坏特征实验研究,结合国内现场底板破坏深度统计资料分析,得出了地应力对深部煤层开采底板损伤破坏深度具有明显的控制效应,并提出了深部煤层开采底板破坏深度计算公式。     

煤矿采空区岩体渗透性计算模型及其数值模拟分析

煤矿采空区岩体渗透性是煤矿采空区煤层气抽采设计的基本参数。从煤矿采空区岩体变形-破坏特征分析入手,通过理论分析研究了岩体渗透性与应力之间的耦合关系和模型,揭示了采空区岩体应力-应变和渗透性分布规律。研究结果表明:不同岩性岩石的渗透性在全应力-应变过程中为应变的函数,采空区岩体渗透性决定于岩体破坏程度和断裂的张开度,基于采空区岩体应力-应变导致断裂开度变化,推导了采空区岩体渗透系数与应力之间的三维关系与模型;应用FLAC~(3D)计算软件,对采空区岩体应力-应变-渗透性进行了数值模拟计算,分析了采空区岩体的变形破坏的分区分带特征,在纵向上自上而下形成弯曲下沉带、断裂带和垮落带;在横向上划分为原岩应力区、超前压力压缩区、卸载应力区和岩体应力恢复区;揭示了采空区岩体渗透性分布与采空区岩体应力-应变和破坏规律相一致的特征。无论是垂直渗透系数比(K_z/K_(z0)),还是水平渗透系数比(K_y/K_(y0)),均随着距开采煤层垂直距离的增大,采空区岩体渗透性逐渐减小,且采空区边缘的渗透系数较大,采空区两侧煤柱区岩体渗透性显著降低。     

华北型煤田峰峰组碳酸盐岩渗透性特征分析

中奥陶统碳酸盐岩是华北型煤田开采下部煤层的主要充水含水层.为开采深部煤炭,对山西阳泉矿区峰峰组碳酸盐岩进行偏光显微镜、扫描电镜、全应力一应变下的渗透性试验研究,分析了不同岩性沉积岩石的应变-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,得出岩石的一般应变一渗透曲线.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,该煤田峰峰组碳酸盐岩可作为隔水层或相对隔水层.     

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。     

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。     

围压下煤储层应力-应变、渗透性与声发射试验分析

煤储层应力-应变、渗透性与声发射特征是煤储层压裂改造和产能评价研究的基础,声发射技术作为研究煤、岩石类材料失稳、破裂及其演化过程有效方法,已被广泛应用。采用沁水盆地西山矿区石炭系太原组8号煤层样品开展了不同围压下煤样应力-应变、渗透性与声发射试验研究,揭示了围压对煤的应力-应变、渗透性和声发射的影响及其控制机理。研究结果表明,基于煤样全应力-应变-渗透性-声发射特征,将煤的变形破坏过程划分为孔隙压缩与弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏失稳阶段3个阶段。在孔隙压缩与弹性变形阶段,荷载作用初期煤中孔隙-裂隙逐渐被压密,煤样渗透率下降,进入弹性变形阶段,煤样渗透率较低,声发射活动不明显。在塑性变形阶段,随着轴向应力的增大煤中裂隙扩展,煤样渗透率增大,声发射活动强度明显增高并达到峰值。破坏失稳阶段,煤的轴向应力随应变的增加而降低,煤样渗透率开始下降,声发射强度也逐渐降低。煤的轴向破坏荷载和有效弹性模量以及残余强度均随围压的增高而增大,煤样的初始渗透率、峰值渗透率和残余渗透率以及累计声发射振铃计数均随着围压的增加而降低。不同围压下煤样应力-应变、渗透率和声发射特征是不同围压下煤的破坏机制所致。     

陷落柱填隙物全应力-应变过程的渗流特性研究

岩溶陷落柱易导通含水层与煤层从而引发底板突水事故,已经成为我国华北地区下组煤开采的重要安全隐患。对于固结良好的陷落柱,其填隙物的渗透性直接影响着陷落柱的整体渗透性,且在采动压力的影响下,陷落柱填隙物的渗透性也在不断发生变化。为研究不同应力状态下填隙物渗透率的变化规律,对填隙物进行固结重塑,并利用MTS815.02渗流试验系统对重塑后不同初始含水率的填隙物试样进行了不同围压条件下的全应力-应变过程的渗流特性试验。试验结果表明:1)陷落柱填隙物全应力-应变过程渗透率的变化曲线可划分为压密段、破坏段和蠕变段,渗透率对应的呈现出减小-增大-减小的变化规律;2)填隙物的全应力-应变过程的渗透率峰值随围压的增大而减小,其峰值比与围压差存在指数函数关系;3)填隙物的初始渗透率和孔隙度随初始含水率的增大而增大,渗透率比和孔隙度比存在幂函数关系,在全应力-应变过程中渗透率峰值与初始值的差随初始含水率的增大而减小。     

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。     

模拟煤层开采岩石渗透性试验研究

岩石渗透性试验通常都是在加载过程中进行,本次试验利用美国MTS公司815.02型电液伺服岩石力学试验系统,采用瞬态渗透法,模拟煤层开采过程中的底板砂岩渗透系数变化情况,揭示砂岩在加、卸载全应力-应变过程中渗透性与应力状况之间的规律.     

煤层中水-气两相流体渗透性影响因素分析

煤层气储层的渗透性是反映煤层中气、水等流体的渗透性能的重要参数,决定着煤层气的运移和生产。应用煤岩学的方法,从原地应力、有效应力,煤层埋藏深度与原始储层压力,天然裂隙和压力变化等几个方面,对影响煤层渗透率的因素进行了分析、探讨,得出了煤层渗透率与原地应力、有效应力存在相关性,渗透率随煤层埋藏深度的增大而减小、随原始储层压力增大而降低,天然裂隙发育有利于提高渗透性,在开采中受克林肯伯格效应、基质收缩及有效应力影响的结论,为预测煤层气储层的渗透性提供了依据。     

特厚煤层分层开采下伏煤层应力分布及破坏特征研究

对于特厚煤层分层开采,掌握煤层开采后下伏煤层应力分布及破坏特征能够为精准判定采空区瓦斯富集区提供一定理论依据。因此,为厘清倾斜特厚煤层下伏煤层应力及塑性破坏区的分布特征,开展了不同煤层倾角工作面回采的数值模拟计算。首先基于采空区压实理论,获得了采空区垮落岩体的应力-应变关系,进而通过迭代反演确定了破碎岩体的岩体力学参数。在此基础上,通过数值模拟计算及分析,得到了煤层倾角变化对下伏煤层应力分布及破坏特征的影响规律。结果表明:在采空区底板范围内,随着煤层倾角增大,采空区应力恢复"O"形圈不再以采空区中部走向线对称分布,而向倾向下部偏移。沿倾向,在采空区的上下两端,侧向应力集中系数均随煤层倾角增大而减小,但倾向上端侧向应力集中系数始终小于倾向下端侧向应力集中系数。沿走向,在工作面底板,超前支承应力集中系数随着煤层倾角增大而增大。最后,通过分析下伏煤层塑性破坏区的分布可知,工作面以及倾向上下端底板煤体内的塑性破坏深度均随着煤层倾角增大而增大,但倾向上端底板破坏深度始终小于倾向下端底板破坏深度;采空区底板最大塑性破坏深度所在位置逐渐远离采空区中部,向倾向下端偏移。     

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.     

岩石全应力-应变过程渗透变化规律分析

根据岩石渗透率变化与岩石破坏过程的对应关系,分析了全应力-应变过程中岩石渗透性能随应变的变化特点及渗透率-应变和渗透率-应力之间的关联性。研究表明岩石渗透率增长起始点与岩石的膨胀点近似对应,随全应力-应变过程的渗透率可划分为3个变化区间：压密区间、峰前屈服区间、峰后区间。岩石破坏过程变化主要是由尺度等级较小的微破裂的相互作用和生长最终形成主干断裂,进而形成贯通性的渗透通道。同时通过试验数据验证了分析的合理性。     

不同开采条件下岩石的变形破坏特征及对比分析

基于3种典型的煤层开采方式(无煤柱开采、放顶煤开采和保护层开采),借助MTS- 815电液伺服岩石实验系统对潞安李村煤矿灰岩进行了同时恒定降围压、变速率加轴压的三轴卸荷试验,由此研究了不同开采卸荷条件下的应力路径对围岩的力学行为影响。实验获得了不同围压不同加载速率条件下灰岩的全应力-应变曲线及宏观破坏模式,认为灰岩的破坏模式与达到峰值时围压的大小有很大关系,而轴向加载应力路径影响较小;放顶煤开采条件下围岩的变形较保护层开采和无煤柱开采要大,特别是塑性变形较后两者也大。另外围岩的脆性和延性特征的转变与轴向加载速率有很大关系,即与煤层开采方式有关,并且围压越大,塑性特征越明显。     

分层开采底板岩体渗透性变化的试验研究

华北煤田石炭二叠纪煤系地层底部存在着含水丰富的奥陶纪石灰岩。开采实践表明,一旦煤层与奥灰之间的隔水层内存在地质构造或煤层开采引志底板岩体破坏,可能会在煤层和含水层之间形成导水带,从而诱发突水,介绍了分层开采引起对底板岩石渗透性影响的试验成果,并进行了详尽的分析,获得了分层开采对煤层底板岩体渗透性的影响规律。     

上保护层开采下煤岩强扰动力学行为与渗透特性

保护层开采在低渗透高瓦斯近距离煤层中得到广泛应用,研究保护层开采扰动下的煤岩强扰动力学行为与渗透特性为进一步更加高效安全的开采被保护层煤层提供了理论支持。选取平煤集团十二矿上保护层己14煤层工作面己14-31010和被保护层己15煤层工作面己15-31030为研究对象,进行相似模拟试验和保护层开采过后被保护煤层受力分析。通过相似材料模拟试验获取保护层开采方式下被保护层的受力情况,上保护层开采过程中,煤层压力先增大后减小,采空区重新压实稳定后,应力状态近似恢复到原岩应力状态。通过对保护层开采后的被保护煤层受力分析获取煤层变形后的应力状态,上保护层开采过后,被保护层煤层产生变形,煤层上部分膨胀变形,应力小于原岩应力;下部分煤层压缩,应力大于原岩应力。结合二者的结果获取保护层开采方式下室内试验中被保护层煤层应力加载路径。依据被保护层煤层应力加载路径,设计进行采动耦合应力路径下的煤样渗流试验。试验结果表明:上保护层煤层开采过程中,同等试验条件下,被保护层煤层可承受的上保护层开采扰动应力越大,被保护层煤层开采过程中的煤体破坏应力峰值越大,体积应变越大;被保护层煤层开采过程中,M组煤样和N组煤样应力应变曲线与常规保护层卸荷三轴试验相比,扩容点出现位置明显提前;同等应力状态下,水压越大,煤样的体积应变越大;被保护层煤层开采过程中,M组煤样初始围压为35 MPa,围压对渗透率的影响大于轴压的影响,N组煤样初始围压为20 MPa,围压、轴压交替对渗透率产生主要影响,渗透率曲线呈现"W"型。两组试验中,扰动应力最大的试样破坏前的渗透率普遍大于其他试样的渗透率。     

水—力耦合条件下灰岩渗透性试验研究

为了研究围压与渗透压差对灰岩渗透性影响,通过水—力耦合试验对不同条件下的岩石破坏过程的渗透性进行了测定。结果表明:在岩块破坏之前的压缩、变形阶段,岩石渗透率低,难以测出;在岩块达到峰值强度后,渗透率突增,在应变软化阶段渗透率最大;随着围压的增高渗透率减小,高围压状态下围压对灰岩渗透率的影响程度降低;随着渗透压差的增加,灰岩渗透率增大,高围压状态下,渗透压差对渗透率的影响程度较弱,试块的破坏位置集中在进水端位置附近。研究成果有助于深化对深部开采高地应力高水压条件下突水演化过程的认识。     

沁水盆地煤储层渗透性影响因素研究

渗透率是评价煤储层渗透性的重要参数，通过对沁水盆地煤储层渗透性影响因素的研究，认为渗透率取决于煤层裂隙特别是煤层割理的发育情况，同时煤级控制了煤层割理的发育，后期方解石等地下流体的充填作用对煤储层割理渗透性产生严重的负面影响，而煤岩成分、煤相、矿物质等因素对割理渗透性的作用有限；有效应力、煤层埋深与渗透率呈负指数关系；随着煤层气的开采煤基质的收缩作用增大了煤层渗透性。     

水分对煤全应力-应变过程渗流特征的影响

为探究水分对煤力学性质和渗流特征的影响，开展了干燥煤样和饱水煤样全应力-应变过程渗流实验，分析了2种含水状态煤样全应力-应变特征及渗透率演化规律。实验结果表明：干燥煤样全应力-应变曲线具有5个阶段，而饱水煤样仅具有4个阶段；饱水煤样在经历峰值应力破坏后，轴向应力跌落了36.82%，全应力-应变曲线中应变软化阶段消失；饱水煤样与干燥煤样相比，抗压强度下降了8.95%，弹性模量降低了8.54%，峰值应力降低了8.90%，应力跌落幅度增大了10.87%；干燥煤样渗透率随轴向应变增大而增大，整体呈线性关系；饱水煤样渗透率和应变的关系具有明显的阶段性，可分为稳定渗流阶段和快速渗流阶段；水分的存在会抑制煤体瓦斯渗流过程，在瓦斯抽采工程中应当注意煤层排水。     

岩石在不同应力幅值下受低频循环扰动的力学特性试验

设计3种不同类型的岩石在不同应力幅值下的循环扰动试验。试验结果表明:当扰动应力幅值较小时,岩石在循环加载下出现弹性模量强化效应,不同类型的岩石弹性模量强化程度不同;循环动力扰动加载试验存在应力上限门槛值,只有大于应力上限门槛值,试样才会发生破坏;扰动应力幅值对岩石的破坏影响显著,在高应力幅值下,循环次数迅速减少;在低应力幅值下,试件破坏形态为剪切破坏,在高应力幅值下,破坏形态复杂,出现板裂化破坏和碎块弹射。建立了循环扰动作用下的应变损伤模型,通过分析不同应力幅值下损伤变量的变化规律,得出如下结论:岩石损伤可划分为迅速增长阶段、平稳发展阶段、快速增大阶段,且随着扰动应力幅值的增加,平稳发展阶段的循环数显著减少;当应力幅值提高,损伤变量变化率显著提高,应变迅速增加,岩石破坏。