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。     

煤层气储层含水率对煤层气渗流影响的试验研究

 以晋城煤业集团赵庄矿3#煤层无烟煤制备的成型煤样为研究对象,设计煤样含水率对甲烷渗流的影响试验方案,利用自行研制的“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置”,较真实地模拟在煤层气开采中煤储层含水率的变化对煤层气渗流的影响规律。研究结果表明：恒定温度和有效应力、不同含水率条件下,随着煤样含水率的减小,甲烷有效渗透率增大。在本试验煤体含水率范围内,煤体含水率与甲烷有效渗透率关系可用线性函数表述。煤储层中的水通过占据煤储层渗流孔隙空间,使煤层气运移喉道减小,使其运移困难。根据对试验结果的分析,理论上论证可以把注水湿润煤体作为防治煤与瓦斯突出的措施之一。     

型煤与原煤全应力–应变过程渗流特性对比研究

 利用自主研制的自压式三轴渗流装置对型煤和原煤试样进行三轴压缩渗流试验,得到不同围压下2种煤样的全应力–应变曲线,并利用流量计和环向引伸计自动采集整个试验过程中煤样的渗流速度和横向变形。从细观损伤力学的观点分析2种煤样不同的破坏形式以及煤样的变形破坏对渗流速度的影响;讨论渗流速度对外部变量的敏感性和煤与瓦斯突出的突发性。研究结果表明,2种煤样的全应力–应变曲线都可以分为5个阶段,并与渗流速度–轴向应变曲线具有良好的对应关系。由于型煤与原煤的结构特性不同,致使2种煤样受力以后具有不同的损伤机制,渗流速度–轴向应变曲线差异较大,尤其在破坏阶段。型煤变形主要在前2个阶段影响煤的渗流特性,而原煤在整个试验过程中都受影响;型煤的渗流速度对轴向压力和轴向变形最敏感,而原煤的渗流速度对体积变形和横向变形比较敏感。原煤全应力–应变–渗流试验的5个阶段可以较好地解释煤与瓦斯突出过程的准备、发动、发展和终止4个阶段,可以间接地利用煤体瓦斯渗流速度变化进行煤与瓦斯突出预测预报。研究结果对探索煤层真实的瓦斯运移规律具有一定的参考价值。     

考虑温度影响下煤层气解吸渗流规律试验研究

通过不同温度条件下煤层气渗透率、渗流量测定的试验,研究了温度条件下煤层气渗透率、渗流量的影响因素,得到考虑温度情况下的煤层气解吸渗流规律。利用三维应力条件下煤样吸附解吸试验系统,在三轴渗透仪中加入温度控制系统,测定煤样在温度、围压、轴压和孔隙压力的不同组合情况下的渗透率和渗流量。结果表明,在相同围压、轴压和孔隙压力情况下,煤样渗透率随温度的增加而减少;不同温度条件下,渗透率随孔隙压力的增加均以指数形式递增。在相同围压、轴压和孔隙压力情况下,等温解吸时,煤样渗流量随温度的增加而减少;升温解吸时,煤样20℃吸附、升温至40℃解吸时渗流量比20℃吸附、20℃解吸时明显增加;等温或升温情况下,渗流量随孔隙压力增加均呈现非线性递增关系。这一规律对煤层气热采方式的选择具有重要指导意义。     

应力–渗流耦合下砂岩力学行为与渗透特性试验研究

采用全自动三轴渗流实验系统,进行无水与排水条件下砂岩应力–渗流耦合试验,得到砂岩变形全过程应力–应变及渗透率演化曲线,较好地表征了应力–渗流耦合下砂岩力学行为与渗透率演化响应特征,同时获得了应力–渗流耦合下砂岩的变形、强度及渗透率演化规律。研究结果表明:(1)砂岩峰值强度随着围压增大而不断增大,围压效应显著;无水条件下,砂岩峰值强度对应的轴向应变变化规律与强度演化特征呈现出明显的对应关系。其轴向变形与围压的关系较好地符合指数函数非线性增长模型,而排水条件下的砂岩轴向变形与有效围压的关系较好地符合线性衰减模型;(2)砂岩峰前渗透率呈现出缓慢降低→平稳发展→急剧增加的三阶段演化规律,与砂岩峰前应力–应变曲线初始微裂纹压密、线弹性变形及新生裂纹扩展阶段三阶段变形具有对应关系;(3)不同工况下的砂岩变形全过程渗透率呈现出降低→急剧增加→稳定发展或略微增大的三阶段演化规律,与砂岩变形全过程体积压缩→体积快速膨胀→体积缓慢膨胀三阶段变形具有对应关系。研究结论可为煤矿突水事故防治及巷道围岩稳定控制提供一定的理论依据。     

瓦斯抽采过程中的煤层透气性动态演化规律与数值模拟

 为了研究煤层瓦斯抽采过程中的煤体渗透性变化规律,基于Kozeny-Carman方程,利用表面物理化学与含瓦斯煤的有效应力理论,建立考虑有效应力变化、瓦斯解吸和煤基质收缩效应的煤层渗透率动态变化模型,并结合数值模拟分析煤层瓦斯抽采过程中煤体透气性动态演化规律。研究结果表明：(1) 所建立的煤层渗透率动态演化模型能较好地描述煤层瓦斯抽采过程中的煤体透气性动态演化规律。(2) 煤体渗透率与煤体孔隙压力之间呈现出“V”字型变化趋势,低瓦斯压力阶段煤基质收缩效应占主导地位,煤层渗透率随瓦斯压力降低而增大;高瓦斯压力阶段有效应力作用占主导地位,煤层渗透率随瓦斯压力降低而减小。(3) 从煤层内部逐渐接近抽采钻孔过程中,煤层瓦斯压力较高时,煤体渗透率先减小后增加;煤层瓦斯压力较低时,煤体渗透率不断增大。研究结果可以为我国煤矿瓦斯治理和煤层瓦斯抽采提供理论支撑,具有指导性意义。     

轴向应力加卸载过程含瓦斯水合物煤体渗透率变化规律研究EI北大核心CSCD

瓦斯水合固化及采掘扰动对瓦斯水合物–煤体介质体系渗透率影响是瓦斯水合固化防突技术应用的关键问题。为此,采用基于出口端流量的稳态法,利用应力–渗流–化学耦合作用含瓦斯水合物煤体三轴试验机,开展含瓦斯煤体渗透试验(3种含水率和3种粒度)及轴向应力加卸载过程含瓦斯水合物煤体渗透试验,分析水合物生成、加卸载过程有效应力及饱和度对煤体渗透率影响规律并初步探讨其影响机制。研究发现,瓦斯水合物形成后,煤体渗透率明显下降,降低幅度为79%~99%;含瓦斯水合物煤体渗透率与有效应力在加卸载过程符合指数函数关系,卸载过程渗透率变化存在3种模式,分别为少量恢复、部分恢复和卸载增透;加卸载过程含瓦斯水合物煤体渗透率损失率、损伤率均随饱和度增大呈增大趋势。试验发现,瓦斯水合物的形成堵塞煤体渗透通道,限制由瓦斯压力降低导致的瓦斯运移补充,有望快速降低瓦斯压力,缩短石门揭煤工期。     

考虑蠕变影响的深部煤体分数阶渗透率模型研究

为了考虑深部煤体的蠕变效应对煤体渗透率的影响,结合考虑体积蠕变的深部煤体非线性蠕变三维本构方程、Kozeny-Carman方程、含裂隙煤体渗透率计算方程建立了基于蠕变影响的深部煤体分数阶渗透率模型。利用含瓦斯煤蠕变–渗流试验数据对渗透率模型进行参数拟合,确定了模型的物性参数,并对不同试验条件下的渗透率演化过程进行了模拟分析。结果表明:在弹性及黏弹性蠕变阶段,渗透率模型数值逐渐减小,符合煤体在低应力阶段蠕变过程中初始孔隙被逐渐压密渗透率减小的物理过程;在黏塑性蠕变阶段,渗透率模型能够表征加速蠕变阶段即渗透率突增阶段的演化趋势。此外,对分数阶渗透率模型中的关键参数进行了敏感性分析,发现随着煤体性质参数α0数值的升高,加速蠕变阶段即渗透率突增阶段越容易出现。分数阶导数阶次越高,弹性及黏弹性蠕变阶段渗透率下降速率越快,黏塑性蠕变阶段渗透率突增趋势越缓慢。     

水分对煤体瓦斯吸附及径向渗流影响试验研究

 为了解水力化钻孔周围煤体瓦斯径向渗流特性,利用自行研制的径向瓦斯渗流试验系统,对青东煤矿突出煤层试样,进行干燥煤样、液态水润湿煤样、吸附瓦斯后高压注水煤样的等温解吸及径向稳态渗流试验。结果表明：(1) 相同平衡压力下,高压注水煤样等温吸附量高于干燥煤样,均显著高于液态水润湿煤样的吸附量。(2) 随含水率增加液态水润湿煤样等温吸附量逐渐降低,呈对数函数关系,得出各系数随吸附压力变化的拟合函数。(3) 相同覆压下,高压注水煤样瓦斯渗透率显著高于干燥煤样渗透率,液态水润湿煤样渗透率略低于干燥煤样渗透率;且液态水润湿煤渗透率随含水率增加而降低,在低瓦斯压力阶段尤为显著。根据试验结果分析水分对径向瓦斯渗流特性的影响机制,并指出水力化钻孔径向瓦斯流动经过原始解吸渗流区、压力水抑制解吸渗流区、液态水自然润湿解吸渗流区3个区域。     

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。     

变形过程中煤样渗透率变化规律的实验研究

通过变化的围压和孔隙压力的作用,进行含瓦斯煤三轴压缩的实验,系统地研究了含瓦斯煤在变形过程中渗透率的变化规律;并根据大量的实验数据,拟合得到含瓦斯煤的渗透率随围压和孔隙压力变化的经验方程。研究结果表明该经验方程可应用于双层系统煤层变形与煤层气越流耦合模型的数值分析,使邻近层(采空区)孔隙压力分布或瓦斯抽放率的数值模拟更逼近实际观测结果。     

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。     

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。     

不同含水率煤体单轴压缩力学特性及损伤统计模型研究

为了研究水分对煤体力学特性的影响,制备不同含水率的原煤煤样和型煤煤样,进行单轴压缩力学试验。根据试验结果,讨论2种煤样的变形特性随含水率变化的规律,分析煤样的力学参数和含水率的关系,对比不同含水率下2种煤样的破坏方式。研究结果表明,随着含水率增大,2种煤样的应力–应变曲线的压密阶段区间增大,弹性阶段区间缩小,屈服阶段更加显著。2种煤样的含水率和力学参数拟合关系相同,抗压强度与含水率呈负线性关系,峰值应变与含水率呈正线性关系,弹性模量与含水率呈负指数关系。从干燥状态到饱水状态,发生破坏后,原煤煤样依次表现为剪切破坏、拉伸–剪切组合破坏,型煤煤样依次表现为剪切破坏、拉伸破坏、拉伸–剪切组合破坏。在力学试验的基础上,考虑煤体压密阶段的应力–应变关系,建立考虑含水率的煤体分段式损伤本构模型,对试验结果进行了验证。拟合结果显示理论曲线和试验数据具有较高的拟合度,模型适用于分析不同含水率的煤体单轴压缩力学问题。研究结论为受煤体水分影响的煤矿工程的分析和设计提供了参考。     

黏土配比对人工砂岩渗透率影响规律的实验研究

黏土是影响砂岩渗透率的重要因素,研究不同黏土含量砂岩的渗透规律对工程的安全与效益具有重要意义。由于天然岩样成分复杂,岩性差异较大,为了研究黏土含量在围压加卸载条件下对疏松泥质砂岩气体渗流规律的影响,制作不同黏土(蒙脱石与伊利石)与石英砂配比的人工岩样,采用TOP实验机进行相同应力路径下的围压加卸载气体渗流实验。实验使用氮气作为渗流流体,在渗透压力1 MPa,轴压1 MPa,围压加卸载路径为4,6,8,10,12,15,12,10,8,6,4 MPa的应力条件下,得到不同黏土含量的人工岩样力学性质及渗透率随围压变化的规律。结合达西定律与泊肃叶渗透模型,建立不同黏土含量的人工岩样的渗透率围压关系模型。研究结果表明,所制人工岩样的黏土含量及孔隙度与其初始渗透率满足Boltzmann函数。岩样黏土含量较低时其应力–应变关系表现为线性特征,渗透率与围压满足幂律型关系;黏土含量较高时应力–应变关系表现为非线性特性,渗透率与围压满足负指数型关系。围压的压密作用能够使岩样的应力–应变关系向线性变化,表现为渗透率与围压从负指数关系向幂律关系转化。岩样中黏土含量的增高,使得内部结构强度减弱,在应力作用下更容易产生使渗透率增大的贯通裂隙。     

有效应力对煤层气解吸渗流影响试验研究

以阜新高瓦斯矿井孙家湾矿为例，将煤样放入自制的三轴瓦斯解吸渗透仪中，通过先加载后卸载、连续进行煤层气解吸渗流试验，模拟煤层气在复杂地应力条件下的赋存和运移开采过程，得到有效应力与煤层气解吸和渗流特性间的关系，并拟合了其关系表达式，揭示一些新的相互作用规律：（1）解吸量、解吸时间与有效应力变化规律均呈负指数递减关系，与受载方式无关；（2）有效应力存在一分界点，当小于此值时，解吸量和解吸时间随有效应力增加而迅速提高，而当有效应力大于此值时，两者随之增加幅度不大，对于孙家湾2^#煤样分界点所对应有效应力为3．0MPa左右；（3）存在一临界有效应力值（类似于临界解吸压力），有效应力大于此临界值则解吸量极少或几乎没有，解吸时间趋于0，而孙家2^#岁煤样临界有效应力值为10．0MPa左右；（4）在加载过程中，有效应力与渗透率、渗透系数关系曲线呈正指数减小，这表明煤体在较小的有效应力范围内、孔隙压力不断增加的加载过程中，吸附作用是影响渗透率和渗透系数的主控因素；（5）卸载过程中，有效应力与渗透率和渗透系数呈抛物线关系，这从试验角度证明了煤层气开采中三阶段主导作用的存在，即有效应力主导作用阶段、基质收缩效应主导作用阶段和滑脱效应主导作用阶段。     

三维应力下吸附作用对煤岩体气体渗流规律影响的实验研究

介绍了三维应力作用下煤岩体孔隙裂隙中瓦斯气体渗流规律的实验方法和实验结论。主要揭示：气体吸附作用和变形作用对渗流有重要影响,吸附作用表现为渗透系数随孔隙压呈负幂函数规律变化,变形作用表现为渗透系数随有效体积应力呈负指数规律变化以及非吸负指数规律变化,吸附与变形共同作用的结果,使渗透系数随孔隙压变化表现为存在一临界值ｐｃ,当ｐ〈ｐｃ参透系数衰竭,当ｐ〉ｐｃ时,渗透系数增加。     

突出煤渗透特性与应力耦合试验研究

 根据常规三轴具有突出倾向型煤的瓦斯渗流试验所获得的瓦斯渗流速度–围压和瓦斯渗流速度–轴压关系,分析具有突出倾向型煤中的瓦斯渗流速度变化与应力的耦合关系,建立一定瓦斯压力下瓦斯渗流速度与围压、轴压的关系式,建立应力–渗透系数方程。结果表明：瓦斯压力和轴压一定时,瓦斯渗流速度随着围压的升高逐渐降低,为二阶曲线关系;当瓦斯压力和围压一定时,瓦斯在型煤中的渗流速度随着轴压的升高呈四阶曲线关系,且型煤破坏后的瓦斯渗流速度大于型煤起始渗流速度。基于试验结果,提出瓦斯渗流困难应力点这一特征值,该参数对预防煤与瓦斯突出事故、提高瓦斯抽采效率具有一定意义。     

考虑吸附作用的含气煤本构关系

 利用混合物理论本构建模的方法,给出含气煤饱和混合物的本构方程,方程中混合物组分体积分数反映煤体内部结构的变化,并建立组分应力与真实应力之间的联系。考虑含气煤为各向同性弹性体,根据弹性能与表面能的变化相等条件下吸附作用引起的煤体体积变形,得出含气煤饱和混合物中各组分体积分数,进而由本构方程推导三轴应力条件下含气煤的应力–应变关系。通过考察不同吸附性气体的煤样应力–应变曲线,分析吸附作用对含气煤本构关系的影响,并将试验曲线与理论预测进行比较。研究结果表明,含气煤试验曲线与理论值吻合良好,理论公式可用于描述与气体吸附性有关的煤体变形差异。即使煤的骨架结构满足虎克弹性体本构关系假定,在孔隙率和孔隙压力相同条件下,气体吸附性的差异仍将改变含气煤的应力–应变关系。