煤层注水时有效围压对煤体渗透性的影响

针对煤层注水渗流过程中,煤体所受的有效围压对煤体渗透性影响很大的问题,通过自行研制的煤岩样渗透率测试系统,对有效围压与煤样渗透率之间作用规律进行了试验测试分析,得到了试验煤样渗透率与有效围压之间相互影响的拟合方程,以及煤样渗透率对有效围压的敏感性系数。结果表明,随着有效围压的增加,不同煤样的渗透率均规律下降,且满足一元二次多项式的变化规律,不同煤样渗透率对有效围压变化的敏感性相似。     

煤体渗透性试验研究

针对水压力对煤体渗透性的影响问题,采用相对渗透系数Kr作为主要参照量,运用实验方法,研究了煤体在不同水压力下的渗透系数Kr,以及轴向应力σ与水压力H的关系。实验结果表明:在静水压低压注水过程中,试验各煤样的渗透系数Kr均较小,煤层注水压力H对煤注水渗透性Kr有显著影响;在注水压力H从低压到高压的连续加载过程中,各组煤样的渗透系数Kr随之呈现连续增加的趋势,煤样轴向压力σ在减小,并且存在临界注水压力H临界;煤体破坏时,临界水压力H临界大于轴向围压,试件出现拉伸破坏,发生裂隙扩展导通泄水现象;以水压力H为基本变量的指数函数σ=a2H+b2和多项式函数Kr对渗透系数σ及轴向应力的变化有较好的拟合性。     

液氮冷加载对围压煤体结构损伤的影响规律研究

采用损伤孔隙裂隙结构的方法可以提高煤体的渗透性。利用液氮冷加载实验,研究煤样孔隙裂隙结构损伤后的物理力学性质变化规律。通过卸载后煤样表面裂隙宽度、整体孔隙量的变化值,研究煤样结构损伤的物理性质,运用单轴抗压强度研究煤样结构损伤的力学性质,进而揭示液氮冷加载对煤样结构损伤的作用机理。结果表明:1)随着煤样围压的增加,煤样结构损伤程度逐渐加剧,12～13 MPa围压使煤样发生破碎;2)在注液氮条件下,冷加载加速了围压煤样结构的损伤,10～11 MPa围压下煤样发生破碎;3)煤样裂隙结构开裂方向与层理方向垂直,随着围压的增加,煤样单轴抗压强度逐渐降低,力学性能劣化。注液氮引起的温度应力可以加速煤体结构损伤,对煤体改性增透和预防冲击地压灾害提供了新的方法。     

有效应力对孔周破裂煤体渗透率演化规律的影响

有效应力是影响煤体渗流特性的主要原因。为研究瓦斯预抽过程中钻孔周围破裂煤体的渗透特性演化,基于Ergun方程,利用多孔介质有效应力理论,开展4种不同级配混合粒径破碎煤体的渗流试验,研究了在三轴应力作用下不同孔隙结构煤体孔隙结构特征,得到了有效应力对孔隙结构煤体渗流的作用机制。研究结果表明：(1)在三轴应力下破碎煤体内部渗流状态贴近于非Darcy渗流,当围压一定时,轴向压力越大,其非线性拟合的现象更加显著。(2)粒径级配和孔隙率等骨架状态参数影响破碎煤体渗透性能,基于Ergun方程推导出孔隙率与渗透率和非Darcy流因子之间的函数关系式,得到破裂煤样孔隙结构变化与渗透率和非达西流因子的变化规律符合指数函数拟合。(3)在三轴作用下,在有效应力加载到0.55～0.75 MPa区间情况下,煤样的渗透率急剧减小,特别是在n=0.8的情况下,渗透率减小幅度最大,而在有效应力加载超过0.75 MPa的情况下,渗透率减小速度越来越小,渗透率随有效应力演化的规律可用k=ae^bσe+c公式表示。综合以上结果,在孔周煤体受到外部应力(地应力)和内部应力(孔隙压力)共同作用时,破裂煤体的...     

水压、围压、浸泡时间对煤体含水率影响的试验研究

通过注水压力、围压、浸泡时间对煤体含水率的试验研究,得出结论:煤体含水率随水压的增加而增大;但含水率随水压的增加呈非线性关系.围压与水压的影响相反.在水压相同的情况下,含水率随围压的增加呈非线性减少,但是这一规律与煤体在该围压下所处的变形阶段相关.同时,含水率随浸泡时间的延长,其增长趋势逐渐变的缓慢.     

含瓦斯煤体破裂过程围压效应研究

为了研究围压对淮北矿区含瓦斯煤体力学性质的影响,对含瓦斯煤体进行了三轴试验分析,并利用岩石破裂过程分析(RFPA2D-Flow)系统,模拟3种不同围压下含瓦斯煤体强度、变形和破坏的情况。研究表明:煤体极限抗压强度、残余强度和弹性模量随围压的增大而增大;煤体的残余变形和试验的围压及自身的强度有关,围压越大,残余变形就越小;加载过程中,含瓦斯煤体从弹性变形阶段逐渐软化,而后软化减弱表现出一定塑性特征;随着围压的不断变化,含瓦斯煤体的破裂形式也随之变化,含瓦斯煤体的宏观破裂面与最大主应力方向的夹角随围压增加而逐渐增大。     

有效应力对煤体渗透率的影响试验研究

为了研究有效应力对渗透率的影响机制,利用自主研发的煤岩瓦斯吸附-解吸-渗流平台,开展了轴压、围压同步加载条件下煤体渗透率测试试验。引入平均有效应力参数表征煤体受载状态,同时为消除试件个体差异的影响,定义了有效应力敏感系数,深入探讨有效应力对煤体渗透率的控制机理与变化规律。结果表明：瓦斯压力保持恒定时,随着有效应力增加煤体渗透率逐渐减小,其变化规律符合负指数关系;随着有效应力的增加敏感系数逐减小,且符合幂函数关系。基于敏感系数构建了煤样渗透率与有效应力的数学模型。     

不同围压和气压下煤体渗透特性的试验研究

为探究不同地应力及气体压力下瓦斯气体在煤层中的渗流规律,进而为瓦斯抽采及瓦斯事故防治技术提供技术支持,以科学试验为手段,对不同围压及气体压力条件下煤样渗透率的演化规律进行了深入研究.得出如下结论:煤样渗透率在全应力-应变过程中可被划分为3个阶段,即逐渐减小阶段、基本稳定阶段、显著增加阶段;当煤样所处气压与轴压恒定不变时...     

正交试验下煤体渗透性影响因素评价

煤体渗透性的主要影响因素为温度、静水压力以及孔隙压力。以这三个参数为因素,将煤体渗透率作为研究指标,基于正交试验法测试了不同条件下煤体的渗透率,对所测结果进行了回归分析,同时研究了不同孔隙压下孔隙率的分布情况。研究结果显示,静水压力对煤体渗透性的影响效果最为显著,其次为孔隙压力和温度,渗透率与这三个参数均显著相关;当孔隙压力大于2MPa时,孔隙压力对煤体渗透率的影响不明显;在煤体温度20°,静水压力11MPa以及孔隙压力3MPa的情况下,煤体的渗透率最大,达到了0. 3617mD。     

不同温度-围压-气体压力下煤体蠕变-渗流演化规律

为实现深部煤层气的高效开采,通过研究不同温度、围压和气体压力下煤体蠕变变形和渗透率演化规律,得到多因素作用下煤体蠕变-渗流耦合关系;采用自行设计的岩石三轴蠕变-渗流装置,对焦煤进行多因素变量下的压缩蠕变-渗流试验。结果表明：温度与煤样的蠕变呈正相关性,随温度的增加焦煤煤样径向和轴向应变变化速率增大且高温（110℃）下这种变化会一直持续直至煤样破裂;围压强度3 MPa与4 MPa的焦煤煤样在温度30、70、110℃下其气体渗透率降低率最大和最小差值分别为7.8%、5.2%、6.5%和4.2%、2.1%、1.9%;焦煤煤样的渗透率最大降低率随着温度水平升高而增大,试验温度110、70、30℃下的焦煤煤样的气体渗透率最大降低率均值依次为91%、84.6%、73.25%。     

不同围压下含预制裂隙煤体裂隙演化特征研究

为探究不同围压下含预制裂隙煤体裂隙演化特征,基于受载煤岩工业CT扫描系统开展不同围压下三轴压缩试验,通过受载煤体内部裂隙三维可视化分析,研究不同围压下煤体裂隙演化规律,借助PFC模拟软件,以裂纹数量为量化指标表征围压对裂纹发育程度的影响。此外,推导出考虑裂隙宽度的应力强度因子表达式,并以最大周向应力准则计算裂隙的理论起裂角度。结果表明：随着围压的增大,裂隙起裂角度减小,3,5,7 MPa围压下,翼裂纹在预制裂隙端部沿着最大主应力方向扩展,最终呈现为“X”或“Y”型拉-剪复合型破坏,9 MPa围压下,煤体翼裂纹发育受阻,次生裂纹充分扩展,呈现出次生裂纹沿共面扩展的剪切破坏形式;围压效应和剪切裂纹的互锁效应均对裂隙发育模式产生影响,但二者作用机制不同,前者为全局作用,后者必须在原生裂隙压密到一定程度时才发挥作用;矿物颗粒赋存状态影响裂隙的发育形态,由纯粹拉应力导致的翼裂纹较为完整,而次生裂纹则呈“残缺”状态,该残缺状态随围压增加而增加;峰值应力前,各裂纹数量呈先减少后增加的规律,拉伸裂纹占比不断减少;经典欧文Ⅰ型应力强度因子适用于张开型裂隙,采用考虑裂隙宽度的应力强度因子计算的起裂角度更接...     

应力集中带煤体渗透性变化的裂隙效应研究

基于煤体裂隙力学分析和数值模拟结果,提出采动应力集中造成裂隙二次"开-闭",进而影响工作面前方渗透性变化,导致应力集中带煤体渗透性增加。探讨了裂隙煤体应力集中带渗透性变化规律以及裂隙演化的3种类型,指导了煤体渗透性变化预测。以裂隙发育煤层为例,通过现场观测裂隙演化,验证了应力集中带渗透性变化规律。     

高围压条件下含瓦斯水合物煤体强度准则研究

为了探讨Mohr-Coulomb(M-C)准则、Hoek-Brown(H-B)准则以及广义Hoek-Brown(GH-B)准则3种强度准则对高围压条件下含瓦斯水合物煤体的适用性;基于不同饱和度（50%、80%）和不同围压（12、16、20 MPa）条件下,进行常规三轴加载试验,对试验获得的应力-应变曲线进行分析,并利用3种强度准则对最大主应力和围压进行拟合;同时引用均方根偏差RMSE、相关系数等评价指标,探讨不同的强度准则对于含瓦斯水合物煤体的适用性。研究表明：在高围压条件下,应力-应变曲线呈应变硬化型,围压和饱和度越高,峰值强度越高,围压对峰值强度的影响较为显著;M-C准则和GH-B准则对于试验数据拟合的相关系数较高,拟合效果较好,RMSE值较低,预测值与试验值的线性拟合直线与1∶1梯度线非常接近,说明2种准则对含瓦斯水合物煤体的适用性较好;H-B准则的相关系数低于M-C准则和GH-B准则,RMSE值较大,对含瓦斯水合物煤体的适用性略低于M-C准则和GH-B准则。     

有效应力对煤层渗透性影响的实验和模型研究

与常规储层相比,煤层气储层具有一些典型的特点:压缩性强,孔隙/裂隙结构复杂,孔隙度/渗透性低等,煤岩应力敏感机制和影响因素更加复杂。针对滇东黔西地区煤岩,采用非稳定压降法测定不同有效应力条件下不同方向的煤岩渗透率。并结合压汞,扫描电子显微镜(SEM)和微计算机断层扫描(micro-CT)手段来分析煤样孔隙/裂隙结构,评价其渗透率应力敏感性及损害规律,并揭示其应力敏感机理。结合实验结果,建立了改进的Walsh应力-渗透率模型。实验结果表明,垂直和平行于层理面的煤岩渗透率随有效应力均呈指数变化,初始阶段煤岩渗透率下降显著,最终趋于平缓。垂直和平行于层理面的煤渗透率有效应力敏感性均较强,初始渗透率越低,应力敏感性越强。利用改进的渗透率模型预测误差在15%以内,可以满足渗透率的工程要求。研究结果对煤层气产能预测和生产制度的优化具有一定意义。     

瓦斯突出过程中煤体渗透性作用机理研究

本文考虑了煤岩体物理力学性质的非均匀性和非连续性的特点,应用岩石破裂过程分析系统(RFPA2D-GasFlow),对不同渗透性煤体在开采过程瓦斯压力的分布特征、瓦斯突出特征进行了数值试验研究,分析了渗透性对瓦斯赋存及瓦斯突出的影响.研究结果表明,不同渗透性条件下,瓦斯的分布特征、煤体的破裂形式是不同的,瓦斯和地应力在突出中所起的作用也是不同的.     

载荷作用下煤体变形与渗透性的相关性研究

利用含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置,进行了不同气体压力作用下煤样全应力应变过程的瓦斯渗流实验。实验结果显示,煤样渗透率与变形之间存在内在关联,渗透率变化呈现阶段性特点。基于考虑气体吸附性的含瓦斯煤有效应力,建立了加载煤样变形与渗透率的相关性模型,研究受荷煤样变形与瓦斯渗流的相互关系。理论分析表明：当应力控制边界条件时,渗透率与煤样变形密切相关;煤样渗透率的变化受到有效应力、煤样变形模量、孔隙率和气体吸附性的共同作用;有效应力系数是联系煤样变形和渗透率的关键参量。由于理论计算结果与实验曲线较为接近,因此模型反映了不同瓦斯压力下加载煤样变形与渗透率变化的基本特征。     

煤体吸附变形对3种气体渗透率演化的影响

为了深入认识气体吸附对煤体渗透率的控制机制,以渗流试验为基础,采用三轴渗流仪器研究了氦气、氮气和二氧化碳3种气体在不同气压和不同有效应力条件下煤体渗透率的变化规律。研究结果表明:在相同条件下,3种气体的渗透率呈现氦气>氮气>二氧化碳,其中二氧化碳气体的渗透率受吸附变形影响最为显著;在外界应力恒定的条件下,气体吸附和有效应力对煤体渗透率变化呈现竞争态势,低气压阶段气体吸附强于有效应力,而高气压阶段则相反,煤体渗透率呈现先下降后上升的趋势;气压恒定时,随着有效应力的增大,3种气体的渗透率呈现下降趋势;受吸附变形的影响,相同有效应力下,氮气和二氧化碳的渗透率损害率均大于氦气;同时,压力为2 MPa时渗透率较压力为1 MPa时渗透率下降程度最高可达30.98%,平均压缩系数下降约为15%。     

煤体吸附性能对煤体瓦斯放散特性的影响研究

煤体的吸附性能代表了煤体储存瓦斯能的能力,而煤体的放散特性表明了煤体释放瓦斯能的能力,两者均是造成煤与瓦斯突出的必要条件。为了研究煤体的吸附性能与煤体的瓦斯放散特性之间的内在联系,结合现有的实验条件,以煤样的极限吸附量与瓦斯放散初速度的关系为切入点,实验研究了不同吸附性能煤体的瓦斯放散特性变化规律,结果表明,煤体的瓦斯放散初速度ΔP随煤体的吸附常数a值的增大而增大,且二者之间存在一定的线性关系。