基于热-流-固体系参数演变的煤与瓦斯突出能量演化

基于气固耦合作用条件下的煤与瓦斯突出物理模拟试验结果,分析了突出过程中的温度-气压-应力体系演化过程,从热力系统能量守恒的思想出发,探讨了突出过程中多变指数的实时演化,并根据动态变化的多变指数推导出了多变过程中的瓦斯膨胀能的计算方法,在此基础上讨论了突出过程中的能量释放问题。研究结果表明:煤体不同区域的应力变化在突出过程中共呈现3种类型,即:初始下降—波动升降—平稳回升型、初始上升—小幅下降—平稳回升型和小幅下降—平稳回升型;煤体内瓦斯压力变化过程呈现两种类型,即:初始下降—波动升降—平稳下降型与平稳下降型;煤体温度则在突出过程中表现为单一的持续下降过程。煤体卸压区和应力集中区在突出前期为定温-定压-定熵相互转换的多变过程,突出中期为定温过程,突出后期为定温-定压相互转换多变的过程;应力升高区在突出前期为定温-定压相互转换的多变过程,突出中期至后期主要表现为定温过程;原岩应力区在突出前期为定温-定压相互转换的多变过程,突出中期至后期处于一个定温-定压-定熵相互转换的多变过程。突出过程中煤体的弹性应变能释放主要来自于应力集中区和应力升高区,煤体内各区域的弹性应变能的释放都会经历一个下降随后回升的现象,且该过程中各区域的弹性能不会一次性完全释放。突出过程中越靠近工作面区域释放的瓦斯膨胀能越大,膨胀能的释放并不是一个连续的过程,而是呈现阶段波动式,这种波动在突出后期尤为明显。根据本文的研究,在煤体物理力学性质确定的前提下,单独释放弹性应变能或瓦斯膨胀能都可以达到降低突出发生风险的目的,若同时对两者进行处理,则突出风险降低的概率更大。     

顶板虚拟储层水力压裂物理模拟试验

针对单一低渗松软煤层,采取顶板虚拟储层水力压裂的方式可实现煤层增透。利用多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统,开展了顶板虚拟储层水力压裂物理模拟试验。试验结果表明:通过在顶板及煤层中布置压力传感器,可以较好地监测水力压裂过程中煤层及顶板虚拟储层中裂缝的开裂扩展演化过程;顶板虚拟储层水力压裂一方面对煤层产生卸压作用,另一方面压裂裂缝沿钻孔向煤层方向扩展并形成裂隙缝网,煤层瓦斯可通过裂隙缝网扩展至顶板虚拟储层钻孔,增加了瓦斯渗流通道,有效提高了煤层瓦斯抽采效率。     

多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统研制与应用

自主研制了多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统,其结构主要包括主体承载支架、试件箱体、快速推拉密封门、伺服加载系统、数据采集系统和其它附属设备等。该系统主要功能包括煤与瓦斯突出灾害模拟和煤矿开采过程中煤岩层应力变化动态模拟,其主要优势体现在：(1) 箱体尺寸大,模拟相似度高,且密封能力强,可完成6.0 MPa气体压力密封;(2) 地应力加载方式复杂,可实现“三向四级”加载,更加接近地下采动影响下的应力分布状态;(3) 最高64路传感器同时监测煤岩体内部参数,可同时采集煤岩体内不同空间位置的温度、应力和气体压力,实现对煤矿动力灾害过程中参数时空变化规律的研究。利用该装置进行一次成功的煤与瓦斯突出模拟试验,分析结果发现突出过程中煤层中温度和瓦斯压力变化都存在时间和空间上的差异性,具体表现为动力效应明显区域瓦斯压力降低快、温度降低量大,所以通过对物理场变化规律的分析可以了解突出时煤层动力效应的时空变化状态,成果对进一步认识煤与瓦斯突出发生的机制有着十分重要的意义。     

可视化三轴渗流–应力耦合伺服控制试验系统的研制与应用

在原有的可视化三轴压缩伺服控制试验系统中增加顶部和底部的渗流通道,以实现渗流–应力耦合条件下岩石的可视化三轴压缩试验。为验证该试验系统的可靠性和必要性,对砂岩进行不同渗流状态和不同渗透压差条件下的三轴渗流–应力耦合试验。试验结果表明,当岩石两端都存在水压的条件下,其力学性质会进一步弱化,2种渗流极限状态的试验并不能说明所有渗流–应力耦合条件对岩石力学特性的影响。随着轴向应力的增加,表面径向应变场中大应变数据点逐渐聚集至断裂面附近,出现变形局部化现象。因此,开展复杂渗流–应力耦合作用下岩石力学试验能够更好地研究渗流场对岩石的作用机制。     

突出过程中煤–瓦斯两相流运移的物理模拟研究

为了探讨煤与瓦斯突出过程中的煤–瓦斯两相流冲击破坏动力学行为,利用自主研发的多场耦合煤矿动力灾害大型物理模拟试验系统开展了突出过程中煤–瓦斯两相流运移规律物理模拟试验研究。结果表明:突出煤粉在高速气流作用下自工作面抛出,呈射流状,随着距离的增加,固相流扩散为栓塞流,沉降量随之增大,从而主要聚集在巷道末端;试验相对突出强度为10%,突出煤粉中绝大部分为粒径小于0.150 mm的煤粉,煤体破碎程度较高;突出启动后,高压气流携带大量煤粉从煤层中喷射而出,形成较强的冲击力,近突出口区域冲击力反复升降,表明突出过程具有阵发性;煤–瓦斯两相流运移过程中瓦斯完全膨胀形成冲击力陡增区,冲击力沿巷道呈波动式分布,距突出口4 944 mm处峰值冲击力最大,随后沿巷道呈震荡衰减变化趋势。     

非均布荷载条件下煤与瓦斯突出模拟实验

使用大型煤与瓦斯突出模拟实验装置，模拟不同集中应力区应力水平条件下的型煤试件的煤与瓦斯突出，探索集中应力区应力水平对煤与瓦斯突出特性的影响规律.通过对实验结果的分析，认为应力集中区应力水平的变化对煤与瓦斯突出有着重要的影响作用，具体表现在：随着集中应力区应力值的增加，煤与瓦斯突出的强度增加，抛出的煤体被破碎的效果也更为明显，而且突出后煤体的温度降低量也越大；另外，集中应力区应力水平对突出孔洞与煤层的夹角也有一定的影响作用。     

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。     

温度对含瓦斯煤力学性质影响的试验研究

 利用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置,以型煤试样为研究对象,在不同温度条件下对含瓦斯煤进行三轴压缩试验,研究温度对含瓦斯煤的变形及力学特性的影响规律。研究结果表明：在相同应力条件下,含瓦斯煤的变形量随着温度的升高逐渐增大,轴向、径向与体积应变在不同的温度区间内分别有不同的变化趋势,温度超过60 ℃后,径向应变的变化速度超过轴向应变的变化速度;破坏角随着温度的升高略有增加;三轴抗压强度、残余强度、弹性模量等随着温度的升高逐渐降低,但在不同的温度区间内,其变化趋势有所差异;而泊松比则随着温度的升高呈现先降低后升高的趋势。总体看来,温度对含瓦斯煤的变形特性及力学特性有着一定的影响,温度的升高总体上可降低煤体的强度,但在不同的温度范围内,含瓦斯煤的变形特性及力学特性的变化趋势有所不同。研究结果对深部煤炭开采及巷道支护等有一定的理论指导价值。     

三轴应力条件下温度对原煤渗流特性影响的实验研究

利用自主研发的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置,测定煤样在不同有效应力、不同瓦斯压力、不同温度条件下的渗透率,探讨不同有效应力和不同瓦斯压力条件下,煤样渗透率与温度的关系.在实验研究的基础上为消除试件个体差异的影响,客观地反映温度对渗透率影响程度的大小,定义温度敏感性系数,进而研究温度对渗透率的影响程度与温度的关系....