循环加卸载下含瓦斯煤能耗与渗流特性研究

以马兰矿8#煤层煤样为研究对象,进行不同围压下的采动轴向循环加卸载实验,研究煤体渗流特性及能耗损伤特征。结果表明:随着轴向应力的循环加卸载,σ1-ε1曲线呈现螺旋式上升,卸载曲线与下一次的加载曲线之间形成明显的滞回环,加卸载渗透率-应变曲线逐渐变为细长的"条带状"曲线,并在较低围压下出现交叉;随着加卸载次数的增加,渗透率绝对恢复率减小,最大降低率达20%左右,围压越大渗透率恢复越困难。随着加卸载上限应力的增大,煤体在加卸载过程中吸收的总能量、弹性能和耗散能均随着循环次数的增加而增加,煤体的损伤变量也在增大,但增加速率较缓;在循环加卸载结束至煤体屈服点阶段,渗透率随损伤增加呈对数函数减小,直至达到渗透率最低点;在屈服点至煤体破坏阶段,煤体损伤变量增加速率变快,渗透率随损伤的增加呈指数函数增大,煤体开始加速破坏。     

垮落带直覆下采煤地面注浆加固顶板钻探技术研究

为解决垮落带直覆下采煤面临的破碎顶板问题,提出了地面注浆加固思路,重点对钻探技术进行了系统研究。根据实际地层分布以及钻孔穿过垮落带特点,为确保浆液顺利到达目标层位,设计出了二开结构钻孔并选用了优质低固相膨润土的冲洗液解决孔壁坍塌等事故,同时建立了孔内事故预防措施技术体系。在此基础上,以淮北矿业许疃煤矿7228工作面为工程实例对钻探效果进行了分析。研究结果表明设计的二开结构钻孔有效的保证了钻探的顺利施工,揭露的基岩位置与原有资料基本吻合|基本查明了71煤采空区影响地层范围及裂隙发育特征,同时通过简易水文观测也验证了采空区裂隙加固效果较好。研究成果为地面注浆改造破碎顶板的钻探工程提供了技术保障。     

垮落带直覆下采煤地面注浆加固顶板钻探技术研究

为解决垮落带直覆下采煤面临的破碎顶板问题,提出了地面注浆加固思路,重点对钻探技术进行了系统研究。根据实际地层分布以及钻孔穿过垮落带特点,为确保浆液顺利到达目标层位,设计出了二开结构钻孔并选用了优质低固相膨润土的冲洗液解决孔壁坍塌等事故,同时建立了孔内事故预防措施技术体系。在此基础上,以淮北矿业许疃煤矿7228工作面为工程实例对钻探效果进行了分析。研究结果表明设计的二开结构钻孔有效的保证了钻探的顺利施工,揭露的基岩位置与原有资料基本吻合|基本查明了71煤采空区影响地层范围及裂隙发育特征,同时通过简易水文观测也验证了采空区裂隙加固效果较好。研究成果为地面注浆改造破碎顶板的钻探工程提供了技术保障。     

加卸载煤体损伤-渗透特性影响因素实验研究

深部煤层开采过程中,多重因素影响着煤体损伤-渗透特性.为揭示采动煤体损伤-渗透特性演化规律,开展了不同工程条件代表的恒围压加轴压(路径1)、恒轴压卸围压(路径2)和同时加轴压卸围压(路径3)3种力学路径下煤体损伤-渗透实验,分析加卸载方式、轴压加载速率、围压卸荷速率以及围压等因素对型煤煤体损伤-渗透特性的影响规律.结果...     

采空区上覆岩层垮落带和裂隙带发育高度分析

首先利用经验公式计算出某矿22310采空区上覆岩层垮落带和裂隙带发育高度为6.6~8.8 m和8.8~36.09 m。而后利用高位钻孔测定瓦斯浓度判定裂隙发育的机理,判定采空区上覆岩层垮落带和裂隙带发育高度分别为12.2 m和12.2~20.7 m,与计算值存在一定误差。因此,进行高位钻孔设计时,以理论计算值为依据,参照实际考察值,需将钻孔设计高度大于实际考察垮落带高度值,小于裂隙带理论计算值。在此范围内进行钻孔参数优化设计,可以提高钻孔瓦斯抽放效果。     

不同加卸载路径下煤岩渗透性变化特征分析

查明不同加卸载路径下煤岩渗透率变化特征是进行采、掘过程中煤岩裂隙变化规律研究的基础。利用RMT-150B型岩石力学伺服实验系统对不同煤样进行了不同应力、不同变形阶段的多次加-卸载下的渗透性测试试验,基于孔裂缝的演化机理对渗透性变化规律进行总结,并对变化机理进行了分析。结果表明:峰值前进行加卸载时,渗透性变化幅度较小;应变-渗透性曲线较应力-应变曲线滞后性不明显。其变化主要取决于弹性变形;峰值后进行加卸载时,渗透性发生质的变化,增加幅度较大,并且应变-渗透性曲线较应力-应变曲线滞后性明显,其变化主要取决于塑性变形。同时随着循环加卸载次数的增加,渗透性均是逐渐变大,尤其是同一加卸载过程中相同应变所对应的加载与卸载时渗透性的差值。     

弱胶结地层条件下垮落带岩层破碎冒落特征与压实变形规律试验研究

采空区顶板岩层的破碎、冒落、压实、类固结等性能是影响垮落带高度变化的重要因素。通过破碎岩石压缩实验和岩石崩解实验,研究了不同类型岩石的破碎、崩解性能,分析了岩石膨胀变形—破碎冒落—充填压实—蠕变固结的变形过程及特征,揭示了我国东部和西部矿区岩石变形破坏的差异性。研究结果表明:弱胶结岩石具有强碎胀、易崩解的特性,西部弱胶结岩石较中东部岩石更易破碎,耐崩解指数较中东部岩石偏小,岩石耐崩解指数随崩解循环次数增加呈线性递减关系;相同采高条件下,西部弱胶结地层工作面初始垮落带高度较中东部岩层工作面小,弱胶结地层工作面垮落带趋于稳定后垮落带高度的变化量大,弱胶结岩石的胶结性越差这种特性越强。相似模拟试验结果证明了理论分析的可靠性。     

围压循环加卸载作用下含瓦斯煤样渗透特性试验研究

煤与瓦斯突出综合假说明确了地应力、瓦斯及煤的物理力学性质对突出发生所起的主体作用。对比研究采动影响下型煤煤样和原煤煤样的渗透率响应特征,对于揭示两种煤样微细观结构损伤演化规律的异同、明确型煤煤样能否代替原煤煤样开展相关试验研究具有重要意义。以原煤煤样和型煤煤样为研究对象,采用自主研发的三轴煤岩渗透率试验系统,进行围压等幅循环加卸载渗流试验,研究渗透率对应力的响应特征。结果表明,两种煤样渗透率对应力的响应特征总体相似,但存在细节差异。①对于2种煤样,渗透率随围压的增大而减小,随围压的减小而增大,且任一次加载过程的渗透率均大于该次卸载过程的渗透率。②原煤煤样的渗透率在低围压阶段变化程度大,在高围压阶段变化程度小,而型煤煤样的渗透率在整个加卸载过程中几乎呈均等变化。③原煤煤样和型煤煤样的渗透率损害率D_k均随加卸载循环次数的增加和瓦斯压力的增加逐渐减小。④原煤煤样和型煤煤样的裂隙压缩系数c_f整体上随加卸载次数的增加而减小,随瓦斯压力的增加而增大。⑤原煤煤样的渗透率随瓦斯压力的增加而增大,型煤煤样的渗透率随瓦斯压力的增加而减小。用型煤煤样来代替原煤煤样...     

全充填法通过垮落带的技术应用

巷道在掘进过程中,由于受断层等地质因素的影响,有时会出现冒顶现象,合理选择施工方案通过垮落带至关重要,重点介绍新河煤矿采用全充填法成功地通过了垮落带。     

哈拉沟煤矿垮落带破碎岩体溃砂的离散元数值模拟研究

采用离散元模拟了垮落带波及到松散砂层时导致的突水溃砂灾害。以神东矿区哈拉沟煤矿22402工作面为原型,采用分形理论分析了垮落带破碎岩体的块度分布特征,并利用离散元方法(DEM)根据破碎岩体的块度分布生成不规则碎石,建立了垮落带破碎岩体溃砂数值模型。模拟结果表明：垮落带破碎岩体间空隙较大且连通性好的通道会形成溃砂优势通道,垮落带残余的空洞空隙可以储存溃落的松散砂;大小不均、堆积混杂的垮落带破碎岩体对溃砂速度具有一定的阻挡作用,松散砂在溃砂通道内流动的速度分布呈纺锤形,通道中间的速度大于壁面的速度。     

循环加卸载路径下不同含瓦斯煤渗流及损伤演化特征

循环载荷广泛存在于采矿活动中并对煤岩的强度、损伤及渗透性质产生较大影响,例如煤层群开采多重保护工程中,被保护层煤岩就受到循环加卸载作用,并显著改变了煤岩的力学及渗流特性;瓦斯对煤的力学性质及能量耗散特征也具有显著的影响,不同加卸载路径下煤岩力学及渗流特性与常规加载下的性质存在显著差异,因而有必要研究循环加卸载条件下不同含瓦斯煤的渗流及损伤演化特征。根据煤层群开采条件下被保护层应力状态实时监测的相似模拟实验结果,设计了3种简化的循环加卸载应力路径,即阶梯循环加卸载、逐级增大循环加卸载和交叉循环加卸载,采用重庆大学自主研发的含瓦斯煤流固耦合三轴渗流实验装置对取自平顶山十矿和袁庄煤矿的煤样进行了瓦斯渗流试验。结果表明:在3种循环加卸路径中,2种煤样的渗透率变化与轴向应力应变曲线具有显著的一致性,循环加卸载作用下,煤样渗透率随着应力的增大和循环次数的增加呈减小趋势;应力卸载和加载对渗透率的影响不同;渗透率受到应力和损伤累积的双重影响。相同应力水平下,煤样经过卸载-加载过程后的渗透率有降低趋势,相对恢复率随着循环次数的增加而先降低后增大,只有应力超过煤样的屈服阶段后才能使渗透率增大。主要结论为:①3种循环加卸载路径下煤样在加载阶段的增透率随应力增大和循环次数的增加都可以分为3个阶段且呈增长趋势,单位体积变化引起的渗透率增加在变大,循环荷载的增透效果随着循环次数的增加而增强。②随着峰值应力的增大和煤样中损伤的累积,渗透率对应力的敏感性逐渐降低。随着荷载的施加,应力卸载对渗透率的影响先增强后减弱。③通过计算各循环阶段的加卸载响应比得到了煤样损伤变量的演化规律,通过回归分析可知损伤变量与轴向应力之间的关系可以用Boltzmann函数表征,该函数可以作为损伤的经验公式对实验中煤样的损伤进行预测计算。④循环加卸载对煤样渗透率及损伤的作用受煤种不同的影响不明显。研究结果为深入揭示多重保护下煤层增透机制和基于循环荷载致裂(重复水力压裂等)的煤层强化增透机制及瓦斯抽采工程设计提供理论支撑。     

综放工作面垮落带高度测定方法研究

为解决高瓦斯矿井综放工作面垮落带高度难以精确测定,造成工作面两端头难维护、预抽钻孔终孔位置难以确定等问题,依据工作面采动后顶板岩层破断垮落、弯曲下沉对采空区煤层底板施加压力的情况,结合采空区上覆各岩层的厚度和密度,提出了垮落带发育高度的测定方法。以大平矿N1S2综放工作面为例,现场测试结果表明：利用该测定方法测得的垮落带高度为88.65 m,钻孔冲洗液法测得的垮落带高度为88.20 m,二者绝对误差仅为0.45 m。     

基于水分影响的加-卸载围压条件下含瓦斯煤渗流特性研究

利用自行研制的"受载含瓦斯煤温控三轴加载渗流实验装置",以河南方山煤矿煤样为研究对象,进行了不同含水率条件下2次加-卸载围压的三轴渗流实验,系统研究了水分和加-卸载围压对含瓦斯煤渗透特性的影响规律。研究结果表明:1)围压及煤样的含水率对型煤煤样渗透率控制性较强,型煤渗透率与水分及围压大小都呈负相关关系;2)2次加载过程相比,第2次加载过程中渗透率变化明显较第1次平缓,且两者渗透率与围压的关系曲线路径不同;3)2次卸载过程中,渗透率都有一定程度升高,但均恢复不到初始值,且随着煤样含水率越高其恢复程度越小;4)同一次加载或卸载过程中,含水率越高的煤样渗透率变化曲线越平缓。第1次加载后,进行第1次卸载及2次加卸载过程中,水分对煤体渗透率的控制性要显著高于围压对其控制性。实验结论对处于反复加-卸载情况下,煤层瓦斯渗透率主要控制因素选择有一定意义。     

循环加卸载下煤岩变形特征试验研究

岩石变形特征与所受的应力状态以及加载历史密切相关。不同围压下控制轴向应变和控制环向应变的煤岩循环加卸载压缩试验表明:煤岩在循环加卸载过程中应力与应变不再是一一对应的关系,加载曲线与卸载曲线形成封闭的塑性滞回环;在变围压加卸载循环过程中,随着围压的增大,煤岩逐渐表现为线弹性性质;煤岩在反复加卸载过程中,其弹性模量几乎保持不变,而塑性应变却发生较大的变化;且随着循环次数增加,残余变形逐渐变小,泊松比逐渐变大。     

垮落带直覆下采煤地面注浆加固顶板技术

为解决垮落带直覆下煤层破碎顶板加固问题,以许疃煤矿7228工作面为工程背景,提出地面注浆加固方案,从浆液选择、地面钻探技术、注浆工艺和注浆效果评价4个方面研究其施工工艺。通过设计浆液静置试验、浆液析水试验和浆液配比试验确定了水灰比1∶1、固相比2∶8的水泥-粉煤灰浆液配比方案;在钻探技术上设计了二开结构钻孔和二次掘进方案保证了成孔质量,使浆液顺利到达目的层;通过地面钻探、井下物探和井下回采实揭72煤层顶板验证了注浆效果。经过地面注浆加固,72煤层顶板强度和完整性得到了显著加强,解决了7228工作面里段回采所面临的工程地质问题,实现了7228工作面煤层的高效回采。     

急倾斜煤层开采垮落带破坏特征与法向高度研究

为研究急倾斜煤层开采覆岩垮落带破坏特征,以大台煤矿急倾斜煤层为研究对象,基于2台相似材料模型试验,分别研究了急倾斜煤层深部局部开采和浅部-深部全部开采垮落带的破坏特征和法向高度,并利用高分辨率地球物理勘探技术实测了大台煤矿深部开采垮落带的破坏形态和法向高度.结果表明,该矿急倾斜煤层深部局部开采垮落带易形成梯形拱形结构,法向高度约为煤厚的2.5倍,急倾斜煤层浅部-深部全部开采,垮落带呈带状分布,法向高度增大并趋于稳定,约为煤厚的5.0～6.0倍,物探成果表明煤层顶板垮落区与煤层近似平行,呈带状分布,顶板垮落带法向高度约为煤厚的5.6倍,与相似材料模型试验结果基本吻合.     

单轴循环加卸载过程中砂岩能量变化特征实验研究

通过砂岩试样的单轴等幅循环加卸载实验,分析试样变形过程中能量变化特征。分析实验结果,发现卸载过程中,应力-应变曲线表现出明显的应变滞后现象;分析滞后能发现随着循环次数的增加,滞后能逐渐减小;不同的等幅加卸载过程,岩样能量分布略有不同,随着循环次数的增加,耗散能逐渐减小,弹性能基本保持稳定。     

分级循环加卸载煤体变形破坏特征试验研究

瓦斯抽采钻孔在采动影响下所处的应力状态比较复杂,随着工作面的推进,经历复杂的加载和卸载共同作用,易导致抽采钻孔失稳破坏。为深入研究采动影响下煤体钻孔的变形破坏特征,通过开展单调加载及分级循环加卸载试验,分析不同加载路径下试样的强度特征,并结合数字散斑技术(XTDIC)分析试样单轴压缩过程中裂纹扩展及孔周位移演化规律,通过布置"虚拟引伸计"分析试样局部化带位移演化特征。结果表明:与单调加载路径相比,分级循环加卸载路径下试样的抗压强度减小,减小幅度为4.59%;分级循环加卸载路径下,含钻孔试样的最终破坏是由远场裂纹与钻孔两侧的剪切裂纹贯通形成宏观破裂带导致的,不同加载路径下试样破坏模式均为拉剪复合破坏,破坏形态呈"X"状;试样加载顶点与卸载低点的张拉、错动位移随着循环次数增加逐渐增大,呈波动上升趋势,并且在时间上滞后于应力变化;孔周位移测点层位越高,试样加载至相同时刻的位移越大;分级循环加卸载路径下,试样卸载阶段的测点位移有轻微恢复现象,最大恢复量为0.149 mm,位移随时间增长表现为"台阶式"递增现象。     

考虑垮落岩体应变硬化特性的采场覆岩破坏特征研究

煤炭开采引起的覆岩运动、变形和破坏直接影响地下水库的储水库存与水源补给能力,为了科学精确化计算地下水库库容,有必要考虑采空区垮落岩体在渐进压实过程中体现出的应变硬化力学特性对采场覆岩"两带"高度分布特征的影响作用.以李家壕煤矿为工程背景,基于垮落岩体在压实过程中体现出的应变硬化力学特性,采用双屈服模型和提出的反演计算方...     

采空垮落区瓦斯非线性渗流-扩散模型及其求解

根据高强度快速推进条件下大空间采空垮落区瓦斯运移的特点,按照渗流力学理论,将采空区视为连续的渗流空间,瓦斯在采空区实际是机械弥散和分子扩散引起的散布过程,通风风流流动状态是由工作面湍流向采空区深部层流的过渡状态.运用质量守恒定律和非线性渗流方程,提出基于Fick扩散定律和Brinkman方程的瓦斯扩散-通风对流运移模型,综合考虑了流体压力梯度和动能作用,比较适合采空垮落区的风流运动和瓦斯对流扩散规律.通过数值求解,研究采煤工作面采空垮落区内瓦斯运移的作用机理.