气体压力加卸载过程中无烟煤变形及渗透特性的试验研究

利用自主研发的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置,以无烟煤型煤试件为研究对象,进行不同轴压、围压条件下气体压力加卸载过程中渗流试验研究,模拟不同煤层深度,以探讨煤变形及瓦斯运移演化规律.研究结果表明:(1)在加载过程中,煤应变量减小,吸附瓦斯产生较大的膨胀变形,呈现线性关系,在卸载过程中,煤应变呈增大趋势,煤逐渐被压缩.随轴压、围压增大,下降单位气体压力引起的煤应变升高量降低,应变响应程度减小.(2)在加载过程中,随气体压力升高,渗透率先减小后增大趋势,煤渗透率呈类似“V”型变化趋势,气体压力在1.2 MPa左右存在明显的拐点,体现煤孔隙扩张的程度和吸附瓦斯层增厚程度影响,依赖于吸附作用或有效应力占主导地位.在卸载过程中,随着气体压力降低,煤渗透率呈先减小后增大趋势,渗透率增大且变化速度加快,主要依赖有效应力作用或基质收缩的主导地位差异.(3)随有效应力的增大,煤渗透率呈先减小后增大的趋势.煤渗透率随有效应力增大呈对数函数或指数函数关系.(4)气体压力具有典型二阶段特征,同时渗透率与体积应变具有密切关系,体现出有效应力、吸附膨胀与煤基质收缩同时对裂隙等内部结构的影响.     

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。     

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。     

高应力下含瓦斯原煤三轴压缩力学特性研究

 利用改制后的煤岩吸附–渗透–力学耦合试验系统,以淮南矿区－780 m标高B10煤层的原煤样作为研究对象,进行高应力下含瓦斯原煤常规三轴压缩力学特性的研究。结果表明：(1) 含瓦斯原煤偏应力–轴向应变曲线主要有弹性、屈服、破坏或峰后软化段构成。其中,弹性段连续、光滑性较差,多呈现出应变“软化–硬化”的波动起伏特点。(2) 峰后脆性破坏特征明显,且在相同初始瓦斯压力下,随着初始有效围压的升高,脆性向延性转化的趋势较弱;而在相同初始有效围压下,初始瓦斯压力越大,脆性破坏特征则越显著。(3) 偏应力–侧向应变曲线与轴向相比,峰前连续、光滑性更好,且几乎均呈线弹性;而峰后变化则趋同。(4) 偏应力–体应变曲线,在低有效围压下表现出扩容机制,且始于峰前;而在高有效围压下,则从峰前越至峰后,始终向右延展,呈现出体积不断收缩的趋势,且瓦斯压力越大,收缩特性越显著。(5) 在相同有效围压下,随着瓦斯压力的增加,峰前轴向、侧向应变增加的速率,以及峰值强度、泊松比均呈增大趋势;而弹性模量则呈降低趋势。(6) 相同瓦斯压力下,随着有效围压的增加,峰前轴向、侧向应变增加的速率,以及泊松比均呈降低趋势;而峰值强度、弹性模量则呈增大趋势。(7) 随着围压或瓦斯压力分别升高,峰值强度均呈线性增大趋势,煤样破坏模式以剪切破坏为主,且强度参数黏聚力和内摩擦角分别为14.02 MPa,25.93°。     

煤吸附解吸气体变形的力学模型研究

针对煤吸附/解吸气体过程中变形随时间变化的力学行为,对煤体孔隙度方程的隐函数求导,将具有时变性的孔隙度方程引入有效应力系数中,由此建立煤吸附/解吸气体变形问题的力学模型。模型的数值计算结果表明:煤样吸附/解吸气体产生膨胀/收缩变形,变形随时间的增加而增大,直到气体在煤中吸附/解吸达到平衡,煤样的变形才稳定不变;气体压力对煤样的吸附/解吸变形平衡时间及平衡变形量产生影响,气体压力越大,吸附/解吸变形平衡所用的时间越短,平衡时煤样体积应变越大;煤样吸附变形与气体吸附性相关,吸附性更强的CO2气体比CH4气体促使煤样产生更大的膨胀变形。模拟结果与以往实验研究结论一致,证明建立的力学模型能反映煤吸附/解吸气体的变形特征。     

煤层瓦斯渗流非线性运动规律实验研究

以焦作矿区赵固二矿采集加工的原煤煤样为研究对象,利用自主研制的含瓦斯煤热–流–固–力耦合实验装置,在考虑吸附变形量、孔隙气体压缩量和温度膨胀变化量的基础上,对煤样渗透率与有效应力之间的变化关系以及煤样中瓦斯运动规律进行实验研究,建立受载煤体渗透率与有效应力关系方程及描述煤层瓦斯非线性渗流规律的运动方程。研究结果表明:(1)渗透率随有效应力增大而呈非线性递减关系,具有负指数变化规律;(2)在围压和轴压固定情况下,研究不同孔隙压力梯度下瓦斯渗流规律,得到瓦斯渗流速度在煤体变形作用下呈现非线性特征,同时将所建方程与实验数据进行拟合,由相关度可知,实验结果与拟合结果相一致,表明所建立的运动方程与研究方法是合理的。     

地球物理场中煤层气渗流控制方程及其数值解

 为探索地球物理场中原地煤层气运移能力对煤层气储集和富集能力的影响,以地应力场、地温场中煤层气连续性方程、气体状态方程、吸附方程、渗流方程为基础,建立了应力、温度影响下的煤层气渗流控制方程。方程体现了地应力和地温对煤层气压力、含量、渗透率和孔隙率的影响,其中,应力和温度通过影响煤层气压力影响吸附量,通过影响煤层气压力和孔隙率影响游离量;温度还通过影响吸附常数b影响吸附量;不同的应力、温度组合条件下,渗透率的变化机制不同。通过Kaiser声发射原岩应力测试实验、不同温度下煤的甲烷等温吸附实验、不同温度及有效应力下煤体中甲烷渗流实验以及煤的孔隙率、工业分析等实验,研究应力、温度影响下的煤层气渗流特征。不同温度下煤的甲烷等温吸附实验表明,吸附常数a随温度变化不明显,b随温度升高而下降;不同温度、不同有效应力条件下煤的甲烷渗流实验表明,小有效应力条件下,煤体中甲烷渗透率随温度升高而升高;大有效应力条件下,渗透率随温度升高而下降。以实验数据和原始地质资料为基础,采用有限差分法,进行了地球物理场中原地煤层气渗流运移能力的一维、二维数值模拟。计算表明：研究区现今原地煤层气渗流运移导致的煤层气散失甚微,低渗煤层具有良好的储集和富集能力,但不利于后期开采,卸除地应力和升高温度是提高煤层气抽采率的有效途径。     

地应力场中含瓦斯煤岩变形破坏过程中瓦斯渗透特性的试验研究

 利用典型煤与瓦斯突出矿井松藻煤电集团打通一矿突出煤层原煤制备型煤试件,应用自行研制的含瓦斯煤样三轴瓦斯渗流试验装置,进行含瓦斯型煤试件的全应力–应变过程瓦斯渗透特性变化规律的试验研究。研究结果表明：恒定瓦斯压力时,在某一围压下,峰前渗流速度随轴向应力先减小后缓慢增大,到达峰值应力后,随轴向应力的减小而增大。全应力–应变过程曲线与渗流速度–轴向应变曲线具有较好的对应关系。煤样的峰值渗流速度随围压的增加而减小,呈现较明显的线性关系。对比试验表明,在一定的围压和瓦斯压力范围内,保持瓦斯压力不变增加围压可减小煤样渗透率,保持围压不变增加瓦斯压力可增大煤样渗透率。研究结果对于利用地应力场抽采瓦斯、通过瓦斯涌出量预测煤岩的变形破坏具有现实指导意义。     

渗透压–应力耦合作用下砂岩渗透率与变形关联性三轴试验研究

 为了探讨渗透压–应力耦合作用下岩石渗透率与变形的关联性,采用岩石伺服三轴试验系统,在不同围压和渗透压条件下,利用稳态法对砂岩全应力–应变过程进行渗透率试验研究。根据试样渗透率变化与其破坏过程的对应关系,分析全应力–应变过程中试样渗透率随其脆性、延性变化的特点及渗透率–轴向应变和渗透率–体积应变之间的关联性。试验结果表明：(1) 在渗透压–应力耦合作用下,试样初始渗透率、峰值强度随着围压与渗透压的改变而改变。(2) 在渗流场–应力场耦合作用下连续加载的全应力–应变过程中,渗透率先随着轴向应变的增大而逐渐减小,进入弹塑性阶段后,渗透率变化曲线随围压变化呈现增大、持平及减小3个不同趋势。其中,渗透率曲线持平的现象为三轴渗透试验研究中的新现象。(3) 围压较高时,若形成局部压缩带,则试样进入弹塑性阶段后,渗透率的变化趋势是由岩石微裂隙的萌生、扩展与岩石骨架颗粒压碎这2个主要因素共同决定的。(4) 岩石微裂隙的萌生、扩展对渗透率增大起积极作用,岩石骨架颗粒压碎形成的压缩带对渗透率增大起抑制作用。(5) 岩石进入塑性阶段后,随围压增大,渗透率由上升趋势转变为下降趋势的现象先于脆–延转换的临界状态发生。(6) 岩石的体积应变对渗透率有一定影响,在脆–延转换阶段存在体积应变增大而渗透率减小的现象,这需要其他能够更精确地测量体积应变变化的试验进一步验证。     

复杂应力路径下含瓦斯煤渗透性变化规律研究

 通过含瓦斯煤渗透特性试验研究,系统分析复杂应力路径下含瓦斯煤渗透性的变化规律,建立含瓦斯煤渗透率与轴向压力、围压、瓦斯压力、围压升降、全应力–应变过程等之间的定性与定量关系,深入探讨各种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重要影响：(1) 含瓦斯煤渗透率随着轴向压力和围压的增大而减小,随瓦斯压力的增大而增大。(2) 含瓦斯煤渗透率与轴向压力、围压和瓦斯压力均呈指数关系变化。(3) 围压升、降过程中,含瓦斯煤渗透率会受到一定程度的损害,其损害程度可以用最大渗透率损害率和渗透率损害率来表征。同时,三维压缩条件下含瓦斯煤会发生二次密实效应。(4) 三轴压缩下全应力–应变试验过程中,含瓦斯煤的渗透率呈“V”字型变化趋势;渗透率随煤样的应变先减小后增大,然后达到最大值,并且渗透率的增幅小于其减幅。     

含瓦斯煤渗透率理论分析与试验研究

 从孔隙率的基本定义出发,充分考虑煤基质吸附瓦斯膨胀、热弹性膨胀、受瓦斯压力压缩对其本体变形的影响,首先给出煤体孔隙率与体积应变、温度及瓦斯压力之间的函数关系,再以Kozeny-Carman方程为桥梁,建立扩容前压缩条件下综合考虑有效应力、温度及瓦斯压力共同影响的渗透率动态演化模型。相关试验数据验证表明,所建立的渗透率理论模型具有良好的适用性,能反映出一定条件下的渗透率演化趋势。试验研究表明：煤体孔隙发育程度与渗透率具有较好的一致性,渗透率随孔隙发育程度的增高而增大;当温度和瓦斯压力一定时,渗透率随有效应力的增大而减小,并且瓦斯压力越低减小趋势越明显;有效应力和瓦斯压力一定时,渗透率随温度升高而减小,但其减小幅度基本不受有效应力变化的影响;温度和有效应力一定时,渗透率随瓦斯压力的升高呈先急剧减小而后逐渐平缓的趋势。含瓦斯煤渗透率与有效应力、温度和瓦斯压力之间关系的研究,为有温度场参与的多场耦合问题的研究提供理论基础,也为高温矿井瓦斯抽放率的提高提供技术支持。     

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。     

低渗透突出煤的瓦斯渗流规律研究

 为了解低渗透突出煤体的瓦斯渗流规律,利用自行研制的煤岩体三轴渗透仪,在不同轴压和围压条件下,对以南桐矿区矿井低渗透突出煤层的原煤而制备的试样采用稳态渗流法进行瓦斯渗流试验;比较传统的渗透率计算方法与考虑瓦斯渗流的Klinkenberg效应的渗透率拟合方法在低渗透煤体渗流试验数据处理中的差异。研究结果表明：(1) 低渗透煤体中的瓦斯渗流具有显著的Klinkenberg效应;(2) 对于低渗透煤体,Klinkenberg系数b值与煤体的绝对渗透率呈显著的幂函数关系,而煤体的绝对渗透率与体积应力呈显著的二次多项式函数关系;(3) Klinkenberg系数b值随着煤体绝对渗透率的降低而逐渐增大,煤体的绝对渗透率随着煤体体积应力的增大而逐渐降低;(4) 采用考虑瓦斯渗流的Klinkenberg效应的渗透率拟合方法处理试验数据所得到的结果更为合理;(5) 试验得到的煤体渗透率表达式反映了瓦斯压力和应力对瓦斯渗流的共同作用,能很好地模拟低渗透煤层的瓦斯渗流。     

有效应力和不同气体对煤的渗透性影响分析

以南桐6号煤层制备的型煤试件为研究对象,利用自行研制的煤岩三轴渗流实验装置研究了有效应力以及吸附不同气体对煤岩渗透率的影响,对煤吸附不同气体后的渗透性的差异性进行了分析。试验结果表明:有效应力和煤岩渗透率成负相关的关系;在维持有效应力3 MPa的条件下,因吸附效应不同CH₄通过煤的渗透率最高,CO₂通过煤的渗透率最低, CO₂/N₂混合气体通过煤的渗透率居中。研究结果对注CO₂提高不可开采煤层CH₄采收率同时实现CO₂地质封存具有指导意义。     

地应力场中煤岩卸围压过程力学特性试验研究及瓦斯渗透特性分析

应用MTS815力学试验机,对典型煤与瓦斯突出矿井松藻矿务局打通一矿突出煤层原煤制备的型煤试件进行型卸围压试验研究。研究结果表明:(1)位移控制方式卸围压将导致试件的扩容损伤,力控制方式卸围压将导致试件的破坏。(2)用位移控制卸围压时,在某一初始围压下,试件的轴向应力随围压的降低而减小,轴压减小的速率越来越大,屈服阶段卸围压曲线比弹性阶段卸围压曲线更加非线性;随初始围压的加大,屈服阶段卸围压曲线的非线形特征更加明显。(3)用力控制方式卸围压时,在某一初始围压下,试件的轴向应变随围压的降低而增大,轴向应变增大的速率越来越大,屈服阶段卸围压时轴向应变的增大比弹性阶段卸围压时更为迅速;随初始围压的增大,屈服阶段卸围压时试件加速破坏的趋势更加明显;通过轴向应变可计算分析卸围压过程中试验机对试件作的功。根据试验结果,结合全应力-应变过程煤岩瓦斯渗透特性的试验结果,推导出卸围压过程瓦斯渗透特性曲线。根据以上结果,应用损伤理论和Mohr-Coulomb强度理论推导含瓦斯煤岩卸围压过程中试件的损伤和强度的计算公式。研究结果对预测预报瓦斯涌出和预测卸围压过程中煤岩的破坏具有现实指导意义。     

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。     

煤层气储层含水率对煤层气渗流影响的试验研究

 以晋城煤业集团赵庄矿3#煤层无烟煤制备的成型煤样为研究对象,设计煤样含水率对甲烷渗流的影响试验方案,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”,较真实地模拟在煤层气开采中煤储层含水率的变化对煤层气渗流的影响规律。研究结果表明：恒定温度和有效应力、不同含水率条件下,随着煤样含水率的减小,甲烷有效渗透率增大。在本试验煤体含水率范围内,煤体含水率与甲烷有效渗透率关系可用线性函数表述。煤储层中的水通过占据煤储层渗流孔隙空间,使煤层气运移喉道减小,使其运移困难。根据对试验结果的分析,理论上论证可以把注水湿润煤体作为防治煤与瓦斯突出的措施之一。     

煤体吸附瓦斯膨胀变形效应的试验研究

为了探讨煤体吸附瓦斯产生膨胀变形效应这一特有的力学行为,利用自行研发的含瓦斯煤岩细观力学试验系统,进行不同瓦斯压力下的吸附膨胀变形试验。试验结果表明:(1)同一煤样在不同瓦斯压力下随时间的变形曲线具有相同的变化规律,煤样的应变变化率随时间逐渐减小,直至一个相对稳定值;(2)煤样的吸附膨胀变形呈各向异性,垂直于层理方向和平行于层理方向的应变整体变化趋势呈现一致性,但由于煤体内部裂隙分布差异,垂直层理方向的变形值明显大于平行层理方向;(3)煤体瓦斯吸附量与体应变量呈现较好的线性关系,以此建立考虑温度、水分、灰分和各向异性等因素的吸附膨胀变形计算方程;(4)利用吸附变形应力与制约吸附变形量的线性关系,以及吸附变形量与瓦斯压力的关系得出吸附膨胀应力计算方法;(5)煤体的吸附膨胀变形具有不可逆性,且吸附气体压力越大,其残余变形值也越大。煤体的膨胀变形效应具有重要的工程应用价值,可作为煤层突出危险性测定的辅助指标,以及应用于煤层透气性的研究。