深部低透气性首采层煤与瓦斯气固耦合模型

立足于消除煤层渗透及扩散特性对于煤与瓦斯气固耦合模型的干扰,在分析首采煤层所处应力状态特点的基础上,建立更符合煤体的孔隙裂隙二重介质特性的修正的P-M渗透率模型,提出考虑解吸–扩散效应及Klinkenberg效应的煤与瓦斯气固耦合模型,详细阐述多物理场之间的耦合作用关系。应用该模型模拟分析深部首采层顺层钻孔预抽消突过程中煤层瓦斯压力及渗透率的演化规律。模拟结果表明,Klinkenberg效应对低渗透煤层瓦斯运移的促进作用显著,并随着瓦斯压力减小促进效果增大;煤体绝对渗透率的动态变化是骨架压缩效应及基质收缩效应的竞争结果,瓦斯压力开始减小时,骨架压缩效应首先起主导作用,渗透率减小,瓦斯压力持续降低时,基质收缩效应逐渐取代其成为主导作用,渗透率增大。     

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。     

基于扩散-渗流机理瓦斯抽采三维模拟研究

根据煤体孔裂隙多重介质特性,分析煤体内瓦斯在基质孔隙和裂隙中不同的运移机理,建立瓦斯流动方程;考虑孔隙压力、吸附膨胀效应对渗透率的综合影响,建立渗透率动态方程;以弹性力学为基础,建立煤体变形控制方程;共同构建能够描述瓦斯扩散-渗流运移机理的耦合模型。以真实煤层赋存参数为例,根据理论模型对COMSOL Multiphysics进行二次开发,建立三维瓦斯抽采模型,模拟研究不同抽采时间下的瓦斯压力、抽采有效半径变化规律;利用压降法进行现场实测考察,现场实测结果与模拟结果基本吻合,验证了扩散-渗流耦合模型及三维数值模拟的可靠性,从而为该矿实际瓦斯抽采工作提供安全可靠的理论技术指导。     

应力-损伤-渗流耦合模型及在深部煤层瓦斯卸压实践中的应用

根据瓦斯渗流与煤体变形的基本理论,引入煤体变形过程中应力、损伤与透气性演化的耦合作用方程,建立了含瓦斯煤岩破裂过程固气耦合作用模型。应用该模型模拟分析了深部采动影响下瓦斯抽放过程中煤层透气性的演化和抽放孔周围瓦斯压力的变化规律,认清了开采卸压瓦斯瞬态渗流的力学机制。模拟结果表明,采动影响使得处于其上部67m的煤层卸压,透气系数增大了2000多倍,卸压范围70m左右,同现场实际观测结果比较吻合。这对于进一步深入理解开采过程远程卸压瓦斯渗透性的演化、瓦斯抽放渗流的机制具有重要的理论和实践意义。     

应力–损伤–渗流耦合模型及在深部煤层瓦斯卸压实践中的应用

根据瓦斯渗流与煤体变形的基本理论，引入煤体变形过程中应力、损伤与透气性演化的耦合作用方程，建立了含瓦斯煤岩破裂过程固气耦合作用模型。应用该模型模拟分析了深部采动影响下瓦斯抽放过程中煤层透气性的演化和抽放孔周围瓦斯压力的变化规律，认清了开采卸压瓦斯瞬态渗流的力学机制。模拟结果表明，采动影响使得处于其上部67 m的煤层卸压，透气系数增大了2 000多倍，卸压范围70 m左右，同现场实际观测结果比较吻合。这对于进一步深入理解开采过程远程卸压瓦斯渗透性的演化、瓦斯抽放渗流的机制具有重要的理论和实践意义。     

采气–采煤阶段煤岩渗透率演化机制研究

为模拟煤矿现场先采气后采煤的作业过程,利用含瓦斯煤热–流–固耦合三轴伺服渗流装置,开展孔隙压力减小的煤岩渗流试验和全应力–应变–渗流试验。通过推导温度升高时煤岩裂隙宽度变化的表达式,进一步构建考虑温度–应力的煤岩渗透率模型,探讨温度与应力作用下煤岩瓦斯渗流演化机制。新建的煤岩渗透率模型包括有效应力、吸附/解吸、热膨胀及热裂四部分影响因素,并使用损伤变量表征裂纹扩容过程中产生的基质膨胀效应(热裂),结果表明:(1)当外应力恒定时,不同温度下渗透率随孔隙压力减小先略有减小而后迅速增大;当孔隙压力恒定时,渗透率随温度增大整体呈先减小后增大的趋势。(2)在煤岩全应力-应变–渗流试验过程中,渗透率随轴向应力的增大呈先减小后增大的趋势;煤岩弹性模量及峰值强度与温度之间呈负相关关系。(3)新建渗透率模型的计算值和实测值基本一致,可较好表征渗透率随孔隙压力及有效应力的演化规律。(4)基于内膨胀应力的定义,探讨温度与应力作用过程中内膨胀变形对渗透率的贡献。在温度恒定时,渗透率随内膨胀因子的增大而减小;煤岩裂隙宽度与损伤相关,在温度突变系数增大过程中渗透率随之减小。     

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。     

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。     

煤与瓦斯突出的微震前兆特性试验研究与预警案例分析

为研究煤与瓦斯突出的微震前兆特征,对关键结构体模型进行优化,基于优化的突出物理模型,借助COMSOL Multiphysics构建出煤体力学性质空间渐变的三维模型,首先分析巷道掘进前后原岩应力和采动应力的分布及演化规律;然后分别分析地应力、瓦斯压力和煤体力学性质对煤体破裂过程声发射响应的影响规律;进而根据突出危险区域附近的煤体分布、瓦斯赋存和巷道掘进过程采动应力的演化特征,三方面综合分析煤与瓦斯突出之前微震信号的演化规律。研究结果表明:煤体力学性质剧烈变化部位伴随着局部的高应力区和低应力区以及较大梯度的应力分布,且原岩应力峰值和谷值分别位于硬煤和软煤的边界面处;在由硬煤区向软煤区边界方向掘进过程中,采动应力峰值演化经历了3个阶段,正常期、高值期和低值期。突出原煤和型煤常规三轴加载破坏过程中声发射参数与加载应力总体上均呈正相关关系,且在裂纹的非稳定发展阶段,声发射参数快速增大并达到最大值;另外,硬煤和构造软煤相比不仅具有较高的煤体强度,还伴随着较大的声发射强度。煤巷掘进遇区域构造煤突出之前微震信号演化经历3个阶段,安全期、前震期和平静期,且随着软煤渐变梯度的逐渐减小,前震峰值逐渐减小,平静期逐渐增大,煤与瓦斯突出的微震前兆特征逐渐变得模糊,突出的突发性增强;而石门揭煤突出之前没有平静期的出现,前震直接发展成主震。     

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。     

综放开采支承压力与卸压瓦斯运移关系研究

富含瓦斯厚煤层综放开采后，煤岩体中的卸压瓦斯运移规律与其渗透性密切相关，而支承压力变化又对渗透性有很大的影响，即采场卸压瓦斯的运移规律明显受支承压力的影响。分析了采动影响下煤岩卸压瓦斯的流动特性，并根据靖远煤业公司魏家地矿110综放面的矿压观测及瓦斯监测结果，分析得到综放采场前方支承压力及其作用下渗透系数随工作面距离变化的曲线，进而得出综放面支承压力与卸压瓦斯运移的关系，为有效防治综放开采工作面瓦斯事故和合理抽取并利用瓦斯资源提供了理论依据。     

有效应力对煤样变形和渗透性的影响研究

 为了研究渗透率随有效应力的变化特征,利用含瓦斯煤热–流–固耦合三轴伺服渗流装置,在外部应力不变、降低进口气体压力,外部应力、进气口压力同步降低2种实验条件下,观测了赵各庄煤矿9号煤层样品的应变和气相(氦气)渗透率,研究有效应力对煤样变形和渗透性的影响。实验结果显示,随着有效应力升高,煤样的收缩应变加剧,有效应力为5.2～6.5 MPa,收缩体积应变与有效应力之间符合线性关系,有效应力大于6.5 MPa或小于5.2 MPa,应力–应变曲线发生偏折,部分煤样出现扩容现象;气体渗流速度随进口气体压力的降低而降低;升高或降低有效应力,煤样渗透率均随着进口气体压力的降低而增大。由此可见研究有效应力变化条件下的渗透率变化特征,应适当考虑气体滑脱效应的影响。     

Controlling effects of differential swelling index on evolution of coal permeability

Coal permeability measurements are normally conducted under the assumption that gas pressure in the matrix is equalized with that in fracture and that gas sorption-induced swelling/shrinking strain is uniformly distributed within the coal.However,the validity of this assumption has long been questioned and differential strain between the fracture strain and the bulk strain has long been considered as the primary reason for the inconsistency between experimental data and poroelasticity solutions.Although efforts have been made to incorporate the impact into coal permeability models,the fundamental nature of those efforts to split the matrix strain between fracture and coal bulk remains questionable.In this study,a new concept of differential swelling index(DSI) was derived to theoretically define the relation among sorption-induced strains of the coal bulk,fracture,and coal matrix at the equilibrium state.DSI was a function of the equilibrium pressure and its magnitudes were regulated by the Langmuir constants of both the matrix and the coal bulk.Furthermore,a spectrum of DSI-based coal permeability models was developed to explicitly consider the effect of differential strains.These models were verified with the experimental data under the conditions of uniaxial strain,constant confining pressure,and constant effective stress.     

含瓦斯煤岩固气耦合动态模型与数值模拟研究

首先在多孔介质的有效应力原理中引入瓦斯吸附的膨胀应力,推导出了适用于含瓦斯煤岩的有效应力计算公式。通过分析含瓦斯煤岩的孔隙度和渗透率在不同变形阶段的变化特点,在前人的研究成果基础上,建立了含瓦斯煤岩的孔隙度和渗透率的动态模型。假设含瓦斯煤岩是一种各向同性的弹塑性材料,同时考虑瓦斯吸附的影响,得出了含瓦斯煤岩的应力场方程和渗流场方程,建立了能描述固气耦合情况下煤岩骨架可变形性和瓦斯气体可压缩性的含瓦斯煤岩的固气耦合模型。最后通过给定模型的定解条件和相关参数,利用有限元方法建立了相关的数值计算模型,并得出了含瓦斯煤岩固气耦合模型的数值解。研究成果对进一步充实和完善含瓦斯煤岩固气耦合理论有一定意义。     

Control of coal and gas outbursts in Huainan mines in China: A review

Coal extraction in Huainan area is basically characterized by one of typical multi-seam mining conditions observed in China, where coal is mined in soft seams characterized by high gas content, high stress, low permeability and difficult geological conditions. The average mining depth in Huainan area is 875 m and continues to increase by 15-25 m annually. The rise in mining depth increases the risk of coal and gas outbursts and makes it more difficult to control outburst risk in Huainan coalmines. This paper reviews the main achievements(e.g. theories, technologies and equipment) in outburst control in Huainan, and tries to analyze some key challenging issues, and to present associated strategies to address these issues.It suggests that the outburst control in Huainan must take a combination approach of both regional and localized control in which the former plays a dominant role. Other outburst prevention principles include(1) non-outburst seams protecting outburst seams,(2) less outburst-prone seams protecting strong outburst-prone seams,(3) stress-releasing mining, and(4) the combination of ground and underground gas drainage(the model is dubbed as "walking on two legs"). The paper concludes that we should conduct fundamental researches on outburst mechanism, and develop outburst control technologies and equipment to ensure safe and efficient coal mining of deep coal resources in Huainan area.     

煤/瓦斯突出过程中煤介质局部化破坏的损伤机理

提出了一种煤／ 瓦斯突出过程中煤介质失效破坏局部化的损伤机理的数值分析模型。模型的理论基础是将损伤力学与煤层中瓦斯气迁移的理论通过局部化处理相结合。模型中考虑了气体流动,瓦斯吸附,煤介质的变形及煤层中损伤的发展与传播间的相互影响。该模型被用于有限元分析。通过数值模拟阐述了以局部化损伤模型为基础的煤／ 瓦斯突出机理。     

低透高瓦斯煤层群安全开采关键技术研究

 针对低透高瓦斯煤层群安全高效开采技术难题,以淮南矿区为主要试验研究基地,研究应用岩石力学、岩层移动理论和“O”形圈理论,针对不同煤层和瓦斯地质条件,探索出一整套“开采煤层顶底板卸压瓦斯抽采工程技术方法”,建立卸压开采“抽采”瓦斯和煤与瓦斯共采工程技术体系。研究“采场岩层移动规律、卸压瓦斯运移规律、卸压瓦斯富集区、开采煤层卸压范围以及开采煤层增压范围”科学规律,研究“首采层卸压瓦斯、上向卸压层瓦斯、下向多重卸压层瓦斯以及地面钻孔卸压瓦斯”理论与技术,形成系统、成熟的瓦斯抽采理论与技术。创新卸压开采抽采瓦斯理论和技术,解决了煤与瓦斯共采重大工程技术难题。     

Stress evolution with time and space during mining of a coal seam

Mining of the upper protective coal seam is widely practiced in China for coal mine safety, but relief gas may present a new risk of blasting. To control the relief gas effectively, a strain-soften model was built by FLAC^3D software to investigate the stress evolution during the process of mining the upper protective coal seam. The results show that the abutment stress changes rapidly within 10 m in front of the coal face, and the maximum abutment stress is approximately twice the original when the coal seam is mined 20–30 m. The abutment stress should break the rock mass and cause the gas to flow easily. In the stable mining period, the change trends of the x-stress and z-stress are different, and these should also pre-break the rock mass. The stress distributions of the rock mass at different distances under the protective coal seam are different, especially near the coal face, which should greatly affect the gas flow when the space of the protective and protected coal seams change over a large range. The relief angle also changes over a large range, increasing to a maximum approximately 30 m behind the coal face, and it decreases gradually when it is far away from the protective coal seam. The results are helpful for designing the coal face of protected coal seams and borehole layouts to control the relief gas.