卸载煤体渗透特性及微观结构应力效应研究

针对加载、卸载作用下煤体变形及渗透机制的复杂性,利用渗透-力学耦合特性测定仪,根据瞬态脉冲原理,在40℃下,研究了不同卸载状态时CH4在煤体中的渗透行为,并就卸载前后煤样红外光谱和透射电镜结果进行对比分析,从微观角度讨论了加卸载对渗透特性的影响及引起煤体微观结构的应力效应.研究结果表明:带围压试验的煤样渗透率均较低,卸载到设定值后渗透率增高,且有效围压越大,渗透率变化越大;在微观上,煤样的有效围压越大,红外光谱特征参数I2值越高,脂肪链变长且易断裂和脱落,裂隙结构面活性增强,煤体颗粒易于损伤而破裂,并呈现出颗粒多碎性和强度弱化区,对煤体微裂纹的萌生、扩展直至形成宏观裂纹起加剧作用,卸载后煤体渗透率增大.     

不同加卸载下层理裂隙煤体的渗透特性研究

为获取不同载荷条件层理裂隙煤体渗透演化规律,采用煤岩渗透-力学试验系统,在加载、卸载过程中对含层理原煤试件进行渗透实验研究。实验结果表明:加载阶段,随着有效应力的增大,层理面间隙宽变小,渗透率降低,加载初期的渗透率急剧降低,当有效应力从1 MPa升高到7MPa时,渗透率下降近81%,随后渗透率的变化趋于平缓;卸载阶段,随着围压的不断卸除,受压的层理裂隙得以逐渐恢复,渗透率逐渐增大,但最终渗透率只恢复到初始值的14%,即加载过程煤体层理裂隙变形、闭合对裂隙面造成永久性的损伤,使得在卸载过程中难以恢复而造成渗透率损失;并结合实验条件建立了层理裂隙煤体渗透率与有效应力之间的理论模型,与实验结果对比分析,具有较好的吻合度。     

竖井条件下煤层瓦斯压力准确测定

首先分析了竖井条件下瓦斯压力测定的影响因素,继而以安徽金黄庄副井揭煤为背景,通过对工作面掘进过程中周围应力分布情况进行数值模拟,总结其应力分布特点,结合应力分布特点,提出了竖井条件下瓦斯压力准确测定的方法,最后通过在金黄庄煤矿瓦斯压力测定的工程实践验证了该方法的正确性。     

载荷作用下缺陷岩体损伤演化过程分析

为研究缺陷岩体具体的破坏过程,利用RFPA2D数值分析软件,在模型中预置3个强度和弹性模量均较小的圆形缺陷,模拟载荷作用下含缺陷岩体的损伤演化特征。结果表明:载荷作用下含缺陷岩体的损伤分为加载初期的零损伤、损伤稳定增长阶段、缺陷内出现第一条裂纹后的快速增长阶段、贯穿整个岩体的大裂纹出现阶段;随着加载的继续,缺陷周围开始出现应力集中,从而导致裂纹的增殖、扩展,预置缺陷最终通过大裂纹进行联通,造成岩体发生破坏;同时,从缺陷内出现第一条裂纹开始,裂纹数量呈现分段性增长,峰值点附近达到最多,且裂纹增殖、扩展等发生过程中,声发射特征明显。研究结果对分析缺陷岩体的破坏过程具有重要的指导意义。     

高强度开采覆岩离层瓦斯通道特征及瓦斯渗流特性研究

根据上覆煤岩层的破断和裂隙发育情况,将穿层裂隙通道直径大于10-1 mm的区域定为采动瓦斯通道发育区。基于砌体梁理论,研究了关键层控制下的离层断裂带瓦斯通道的发育特征,并基于Kozeny-Carman准则建立了瓦斯通道流态的判定方法,依据其内瓦斯的流动状态将上覆岩瓦斯通道的发育沿纵向由下到上分为瓦斯紊流通道区、瓦斯过渡流通道区和瓦斯渗流通道区,并根据离层断裂带瓦斯通道的发育规律,构建了以高位瓦抽采巷为主要手段的瓦斯过渡流通道区人工导流方法。最后通过以阳泉新景煤矿80201工作面卸压瓦斯抽采现场试验,反演得到了工作面上覆岩采动瓦斯通道的演化规律及其对瓦斯导向流动规律的影响,并对瓦斯过渡流通道区内瓦斯的流态进行了判定,验证了本文提出的理论计算方法和采动瓦斯通道分区的正确性和可行性。     

卸载过程中型煤损伤特性研究

基于固定轴向位移卸载围压的卸载力学路径,利用CT扫描试验对塑性较强的型煤进行了卸载过程损伤特性研究,得到了各扫描层CT值、CT损伤及CT图像.结果表明:由于煤样的非均质性及制样误差,同一应力状态下,不同扫描层及相同扫描层距离扫描层中心不同区域CT值存在一定的差异；卸载过程中CT值逐渐减小,随着损伤的逐渐累积,发展到一定阶段时,CT值出现大幅度减小,宏观裂纹出现；卸载初期的CT损伤变化不明显,出现宏观裂纹时,CT损伤大幅度增加；卸载过程中,型煤内部低密度端会出现环状松弛,高密度端出现普通裂纹,同时煤样宏观裂纹首先出现在低密度段且在轴向上呈倒锥形分布,进而向密度相对高的区域发育.试验结果对于理解型煤的渗透特性及工作面瓦斯涌出有很好的指导作用.     

含瓦斯煤岩体采动致裂特性及其对卸压变形的影响

为了研究瓦斯压力对采动煤岩体卸压变形的影响,在FLAC平台上采用应变软化本构关系和“先加载后卸压”的方式,研究了不同瓦斯压力及围压条件下采动煤岩体的卸压致裂特性及其对卸压变形的影响。模拟结果表明：煤岩损伤破坏应力的峰值及所对应的轴向应变、应力峰后下降幅度随瓦斯压力的增加而减小,其力学特征由脆性逐渐向塑性过渡;瓦斯压力的增加使煤岩承载能力下降,并由于在有效应力空间中应力水平的提高而使拉伸破坏提前发生;随着瓦斯压力的升高,上覆煤岩采动煤岩卸压变形量、致裂破坏区不断增大,致裂特征更加明显,采动卸压范围、应力集中峰值及其距煤柱边界的距离也增大。因此,当煤层瓦斯压力较高时,瓦斯压力对采动煤岩体卸压变形的影响不能忽略。     

窑街煤田CO2成因及成藏模式研究

为有效防治窑街煤田煤与CO2突出,基于煤二层中CO2成因、成藏过程对防治突出的重要性,采用对煤二层中CO2气样的碳同位素偏差值、氦同位素比值实验测定分析方法,探讨了F19断裂带演化过程、岩浆活动以及构造岩分布特征,提出了CO2的来源与运移、成藏过程.结果表明:煤二层中CO2为无机壳源,F19断裂带脆-韧性剪切动力变质作用生成CO2为煤层CO2的具体来源,F19断裂在CO2成藏过程中起到了成气断裂、储气断裂、圈闭断裂的作用,结合无机CO2成藏模式研究,窑街煤田CO2为由F19断裂带成气、输导作用下的直接成藏模式,运移至断裂中高压储存的CO2不断的向煤二层运移,并在良好的圈闭条件下富集成藏.     

海孜矿中组煤层瓦斯赋存地质因素分析

为了掌握海孜矿中组煤层瓦斯赋存规律,基于矿井地层演化史及构造特征,探讨了海孜矿地层演化过程及构造对中组煤层瓦斯赋存的控制影响。结果表明:燕山早中期形成的巨厚火成岩使下伏的中组煤层发生"二次成气",产生大量的瓦斯,提高了中组煤层的变质程度和瓦斯吸附能力;火成岩厚度较大且渗透性低,圈闭了中组煤层大量瓦斯;矿井发育的层间滑动构造破坏了中组煤层的煤体结构,使煤层软分层厚度增加,煤层出现局部厚度变化过渡带,增大了中组煤层煤与瓦斯突出的可能性。