地应力场中煤岩卸围压过程力学特性试验研究及瓦斯渗透特性分析

应用MTS815力学试验机,对典型煤与瓦斯突出矿井松藻矿务局打通一矿突出煤层原煤制备的型煤试件进行型卸围压试验研究。研究结果表明:(1)位移控制方式卸围压将导致试件的扩容损伤,力控制方式卸围压将导致试件的破坏。(2)用位移控制卸围压时,在某一初始围压下,试件的轴向应力随围压的降低而减小,轴压减小的速率越来越大,屈服阶段卸围压曲线比弹性阶段卸围压曲线更加非线性;随初始围压的加大,屈服阶段卸围压曲线的非线形特征更加明显。(3)用力控制方式卸围压时,在某一初始围压下,试件的轴向应变随围压的降低而增大,轴向应变增大的速率越来越大,屈服阶段卸围压时轴向应变的增大比弹性阶段卸围压时更为迅速;随初始围压的增大,屈服阶段卸围压时试件加速破坏的趋势更加明显;通过轴向应变可计算分析卸围压过程中试验机对试件作的功。根据试验结果,结合全应力-应变过程煤岩瓦斯渗透特性的试验结果,推导出卸围压过程瓦斯渗透特性曲线。根据以上结果,应用损伤理论和Mohr-Coulomb强度理论推导含瓦斯煤岩卸围压过程中试件的损伤和强度的计算公式。研究结果对预测预报瓦斯涌出和预测卸围压过程中煤岩的破坏具有现实指导意义。     

煤岩全应力–应变过程中瓦斯流动特性试验研究

 利用AG–250kNI电子精密材料试验机,配合自制煤岩三轴蠕变瓦斯渗流装置,对煤岩全应力–应变过程中的瓦斯流动特性进行试验研究,得出煤岩在全应力–应变过程中瓦斯流动特性规律。试验结果表明：应变–瓦斯流动速度曲线与应力–应变曲线变化趋势具有相似性,且表现为少许滞后于应变的特点,这表明煤岩受载过程中的损伤演化决定着瓦斯在其内的流动特性,而瓦斯的吸附–解析过程及瓦斯在煤岩内流动需要时间是其表现出滞后性的主要原因。煤岩所受围压通过侧向压缩煤岩侧壁,导致其内部结构变化而对其所含瓦斯流动起到阻碍作用。进行2种不同粒径煤粉组成的煤岩比较试验,结果表明,其所含瓦斯流动特性差别较大,且颗粒组成较大的煤岩试件受外界条件影响较明显。     

含瓦斯煤岩破裂过程流固耦合数值模拟

根据煤岩体介质变形与瓦斯渗流的基本理论,考虑到煤岩介质材料力学性质的非均匀性特点以及煤岩介质变形破裂过程中透气性的非线性变化特性以及煤岩体变形破裂过程中瓦斯渗流与煤岩体变形间的耦合作用,在岩石破裂过程分析系统(RFPA2D)的基础上,建立了含瓦斯煤岩破裂过程流固耦合作用的RFPA2D–Flow耦合模型,并给出了RFPA2D–Flow耦合模型的数值求解方法。并应用该模型对石门掘进诱发煤与瓦斯的延期突出进行了数值模拟,模拟结果再现了含瓦斯煤岩在瓦斯压力、地应力及煤岩力学性质共同作用下渐进损伤破裂诱致突出的全过程,模拟结果进一步表明延期突出与瞬时突出都是地应力、瓦斯压力和煤体物理力学性质3个因素综合作用的结果,都具备突出的4个阶段,即应力集中阶段、应力诱发煤岩破裂阶段、瓦斯动力驱动裂纹扩展阶段和突出阶段,为进一步深入理解煤与瓦斯突出机理及瓦斯抽放防治突出等提供理论基础和科学依据。     

不同卸围压速度对含瓦斯煤岩力学和瓦斯渗流特性影响试验研究

 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”,进行不同初始围压和不同瓦斯压力组合条件下,不同卸围压速度对含瓦斯煤岩力学和瓦斯渗流特性影响试验研究。研究结果表明：从力学的角度来看,卸围压开始后煤岩会经历一个应力平台阶段,然后发生失稳破坏。卸围压速度越大,煤岩维持在应力平台阶段的时间越短,煤岩越容易发生失稳破坏。卸围压开始后煤岩应力平台阶段的时间与卸围压速度呈幂函数关系。从瓦斯渗流的角度来看,煤岩的渗透率的变化与煤岩的变形损伤密切相关,煤岩体积应变的变化趋势能很好地体现煤岩渗透率的变化趋势。卸围压开始后煤岩渗透率的变化经历4个阶段,且渗透率一直在增大。卸围压速度越大,煤岩的渗透率增大的越快。卸围压开始后煤岩在应力平台阶段的渗透率与卸围压时间呈指数函数关系。     

含瓦斯煤岩围压卸荷瓦斯渗流及电荷感应试验研究

 煤岩卸荷过程物理信息监测对煤与瓦斯突出等动力灾害预测研究具有重要意义。应用自主研发的电荷采集装置,进行了含瓦斯煤岩围压卸荷瓦斯渗流及电荷感应试验。研究结果表明：含瓦斯煤岩围压卸荷过程中,瓦斯渗流特性及电荷感应规律与煤岩的变形损伤过程具有十分密切的关系。随着围压卸荷速率的提高,煤岩内部大量微观裂纹扩展,促进了煤岩变形损伤,增大了煤岩内部裂纹间局部束缚电荷突变为自由电荷的概率,使得煤岩主破裂过程产生的感应电荷大幅增多;围压卸荷减弱了煤岩环向所受的限制作用,增加了煤岩内部新的导气通道,煤岩渗透率增大。气体携带煤粉颗粒与煤岩孔道固壁间的摩擦作用形成冲流电流,冲流电流对煤岩电荷信号贡献了附加量,使电荷信号增强。     

两种含瓦斯煤样变形特性与抗压强度的实验分析

 介绍型煤煤样和原煤煤样的制作过程,设计含瓦斯煤样的三轴实验方法和步骤。利用自行研制的三轴蠕变瓦斯渗流装置和材料实验机组成含瓦斯煤样三轴压缩实验装置,对型煤煤样和原煤煤样进行含瓦斯三轴实验,获得大量不同围压和不同瓦斯压力条件下的实验数据;根据实验结果系统地研究含瓦斯煤样两种煤样在三轴应力条件下的变形特性和抗压强度。研究结果表明,围压和瓦斯压力对含瓦斯煤样的变形特性和抗压强度都有一定程度的影响;型煤煤样和原煤煤样的变形特性和抗压强度具有规律上的共性,但是其力学参数存在显著差异;弹性模量和泊松比在含瓦斯煤样的变形过程中不是定值,而是动态变化的,且2种煤样的弹性模量差别很大,泊松比也不相等;相同载荷条件下型煤煤样的变形比原煤煤样的要大得多,其形状改变也比原煤煤样的大。研究结果对进一步认识含瓦斯煤样的力学性质具有一定的意义。     

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。     

含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置的研制及应用

 介绍自主研发的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置,该装置主要由伺服加载系统、三轴压力室、水域恒温系统、孔压控制系统、数据测量系统以及辅助系统等6个部分组成,其最大轴压为100 MPa、最大围压为10 MPa、最高加热稳定温度为100 ℃,试件尺寸为f 50 mm×100 mm。该装置具有如下特点：(1) 所进行的试验能反映地应力、瓦斯压力、温度等对含瓦斯煤渗透率的综合影响;(2) 实现伺服液压控制加载功能,能进行多种形式的加载;(3) 实现“面充气”,更加逼真地反映实际煤层瓦斯源的情况;(4) 设计有导向装置,实现加压活塞杆和支撑轴的对位,避免在加压过程中产生晃动,使得试件受压均匀而稳定;(5) 数据采集使用更加灵敏、精确度更高的各类传感器;(6) 设计有大型水域恒温系统,并安装有水域循环水泵,加热过程更加均匀;(7) 具有研究含瓦斯煤渗透性、变形特性等多种功能。采用该装置进行含瓦斯煤在不同围压、不同温度条件下的渗透试验,结果表明含瓦斯煤变形存在4个阶段,其抗压强度随着围压的增加而增大;含瓦斯煤渗流流量在应力–应变过程中存在阶段性变化且随着温度的升高呈现总体减小的趋势。该装置可用于含瓦斯煤热流固耦合渗流领域的研究,为进一步深层次揭示煤层瓦斯运移规律和研究煤层瓦斯抽采技术提供理论基础。     

地应力对突出煤瓦斯渗流影响试验研究

 以典型煤与瓦斯突出矿井松藻矿务局打通一矿原煤制备的试样为研究对象,利用自行研制的自压式三轴渗透仪及MTS815型力学试验机,进行固定瓦斯压力及不同围压情况下突出煤试样试验研究。结果表明：在相同围压下,突出煤试样渗流速度随着轴压的增加,表现为先下降后升高,达到应力峰值后,先下降然后趋于稳定;试样在峰后的渗流速度随着围压增大而降低,当围压达到4 MPa以后,渗流速度下降缓慢,几乎保持定值。建立渗流速度–轴压的全过程方程,推导出反映出瓦斯梯度变化的渗流速度–轴向应变关系曲线。     

应力–损伤–渗流耦合模型及在深部煤层瓦斯卸压实践中的应用

根据瓦斯渗流与煤体变形的基本理论，引入煤体变形过程中应力、损伤与透气性演化的耦合作用方程，建立了含瓦斯煤岩破裂过程固气耦合作用模型。应用该模型模拟分析了深部采动影响下瓦斯抽放过程中煤层透气性的演化和抽放孔周围瓦斯压力的变化规律，认清了开采卸压瓦斯瞬态渗流的力学机制。模拟结果表明，采动影响使得处于其上部67 m的煤层卸压，透气系数增大了2 000多倍，卸压范围70 m左右，同现场实际观测结果比较吻合。这对于进一步深入理解开采过程远程卸压瓦斯渗透性的演化、瓦斯抽放渗流的机制具有重要的理论和实践意义。     

瓦斯压力对突出煤瓦斯渗流影响试验研究

 以典型煤与瓦斯突出矿井松藻煤电集团打通一矿7#突出煤层制备的型煤试件为研究对象,利用自行研制的三轴渗透仪,进行固定轴压和围压情况下的变瓦斯压力突出煤瓦斯渗透试验。试验结果表明：在轴压和围压固定的情况下,突出煤样的瓦斯渗透速度随着瓦斯压力的增大而增大。突出煤样瓦斯渗透速度随着瓦斯压力的增加,呈幂函数规律变化。随着瓦斯压力的增加,突出煤样两端的瓦斯压力梯度增大率会逐渐减小,最终趋近于零。而突出煤样的瓦斯渗透速度增加率则随着瓦斯压力的增大而减小,最终趋近于一恒定值附近。研究成果对提高突出矿井瓦斯抽采率有重要意义。     

不同含水率煤岩受压变形破坏全过程声发射特征试验研究

 以晋城煤业集团赵庄矿3#煤层的无烟煤为研究对象,运用京岛AG–250kN刚性岩石试验机、数字式应变数据采集仪、声发射监测系统和自行研制的煤岩固–气耦合细观力学试验装置,进行不同含水率煤样在常规单轴压缩下的声发射特征试验。结果表明,含水率的不同使煤样的强度和声发射特征产生明显差异,随着含水率的增加,煤样的单轴抗压强度逐渐减小。干燥状态的煤样强度较大,整个破坏过程中的变形较大,弹性变形阶段持续时间较长。在密实阶段,不同含水率的煤样几乎没有出现声发射信号,干燥状态的煤样只出现少量的信号且基本没有变化,干燥状态的煤样声发射平均事件率为不同含水率煤样的4～10倍。进入弹性阶段后,不同含水率的煤样和干燥状态的煤样的声发射事件率均比较稳定,声发射平均事件率相差不大,但干燥状态的煤样声发射事件率持续时间更长。进入塑性阶段,不同含水率的煤样与干燥状态的煤样的声发射信号均明显增大,与弹性阶段相比,煤样的声发射平均事件率是弹性阶段的5～7倍。进入破坏阶段后,不同含水率的煤样声发射事件率低于干燥状态的煤样。含水量增加使声发射累积振铃计数减少,同时使产生明显声发射的时间滞后,试验结果表明水对煤样的力学特性和声发射特征有明显影响。     

突出煤型煤全应力–应变全程瓦斯渗流试验研究

 以典型煤与瓦斯突出矿井重庆天府矿业有限责任公司的三汇一矿K1煤层的突出煤型煤试件为研究对象,利用自行研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验系统,进行突出煤型煤在连续加载作用下,全应力–应变过程的瓦斯渗流规律的试验研究。研究结果表明：突出煤型煤在整个全应力–应变过程中,瓦斯流量与煤样的损伤变形的进程密切相关;瓦斯流量先随着轴向应变的增大而逐渐减小,在煤样达到屈服点后,瓦斯流量发展方向发生转变,开始慢慢增大,并在峰后瓦斯流量增速加大;另一方面,瓦斯流量先随着煤样的体积压缩而变小,在煤样开始扩容后,瓦斯流量转为增大,在破裂后阶段瓦斯流量增幅变大;瓦斯流量与轴向应变的关系可用二次函数表示;瓦斯流量随围压的增大而减小。     

煤破坏过程中的温度演化特征实验研究

 以红外热像仪和数字散斑相关方法作为试验观测手段,对一种煤试件进行实验研究,观测和分析煤试件从变形到破坏过程中的变形演化、温度演化及二者的对应变化关系。研究结果表明：(1) 煤试件变形场演化主要体现为初期的均匀变形演化到加载峰值前的变形集中带形成,加载峰后阶段主要为变形集中带的加速滑动;(2) 煤试件温度场演化在加载峰前由于受压应力作用,内部质点间距发生改变的热力耦合效应引起温度上升,在加载峰后阶段由于变形集中带内煤体受拉剪作用及变形集中带的滑动,引起温度降低;(3) 煤试件在变形破坏过程中存在明显的温度场变化,且变形集中带内、外温度演化特征相似,加载峰前阶段温度增加,加载峰后阶段温度降低,但变形集中带内温度总体高于带外温度。     

地电场作用下煤中甲烷气体渗流性质的实验研究

针对地球物理场中地电场对煤层瓦斯渗流性质的影响，在实验室采用三轴渗流实验装置和电场实施装置，研究了电场作用下煤中甲烷气体的渗流性质。实验结果表明：(1)加电场后，甲烷气体渗流速度比无电场时要大，并且渗流速度随甲烷气体压力梯度增大成线性增加；(2)加电场后，煤中甲烷气体渗流量随电压(电场强度)升高近似成线性增大：(3)煤化程度越高的煤导电性越好，且甲烷气体在煤中的电动效应越明显；(4)同时，加电场后，煤的等效渗透系数可表达成ke=k(1 βE)。此项实验研究探索为电场作用下的煤层中瓦斯渗流及运移规律的进一步研究奠定基础。     

煤与瓦斯突出模拟试验台的研制与应用

 为更深层次地探索煤与瓦斯突出机制,在同类突出装置的基础上自主研发了“大型煤与瓦斯突出模拟试验台”,其主要由煤与瓦斯突出模具、快速释放机构、承载框架、电流伺服加载系统、翻转机构、主机支架及附属装置组成。分析后认为该试验台具有如下功能：(1) 利用电流伺服加载系统可对突出煤样施加均布荷载和阶梯形荷载,模拟工作面前方造成突出的局部应力集中现象。(2) 可实现5种不同倾角煤层在不同地应力、不同瓦斯压力下的煤与瓦斯突出模拟试验。(3) 利用泡沫不锈钢隔离煤样与进气孔,实现了对突出煤样的“面充气”功能。(4) 通过快速释放机构,可瞬间打开突出口使突出端突然卸压。(5) 实现了煤与瓦斯突出试验的全过程回放。试验结果表明：有典型的梨形突出孔洞出现,突出的粉煤有明显分选性,且瓦斯压力越大其突出强度越大。所得试验结果与现场突出特征吻合,说明该试验台具有良好的煤与瓦斯突出试验模拟功能。