逆断层区域采动煤体渗透率模型构建及应用北大核心

逆断层区域构造应力与地应力叠加,挤压应力形成的力学特点导致瓦斯积聚,煤体渗透率发生改变,采掘期间容易引起瓦斯涌出异常,甚至发生煤与瓦斯突出事故。为了掌握逆断层区域采动煤体渗透率演化规律,首先开展了逆断层区域采动煤体渗透率测试试验,通过应力加卸载方式模拟逆断层影响下采动煤体应力变化,得出:在峰前阶段,煤体压缩、裂隙闭合,煤体渗透率降低;峰后阶段,煤体应力达到峰值,原有裂隙扩展连通,同时产生新裂隙并出现损伤,煤体渗透率增加并达到最大值;第1组加载方案模拟工作面前方煤体应力集中系数逐渐增大条件下,M1、M2和M3煤样的渗透率分别提高了22.1%、28.0%和36.7%,第2组加载方案模拟模拟工作面前方煤体应力集中系数先增大后减小条件下,M4、M5和M6煤样的渗透率分别提高了23.6%、37.2%和20.8%。然后结合煤体渗透率试验结果,建立了逆断层影响下采动煤体渗透率表征模型,推导出煤体峰前和峰后阶段渗透率计算表达式,用瓦斯吸附/解吸造成煤体体积应变的函数来表示吸附/解吸对煤体裂隙体积的影响,从而更加准确的表征逆断层影响下采动煤体渗透率。最后将渗透率模型导入COSMOL软件,结合新春煤矿1503工作面F4逆断层现场情况进行模拟计算,得出随着与逆断层距离减小,煤体应力集中系数增大的情况下,煤体瓦斯压力和渗透率峰值均逐渐增大,容易造成瓦斯涌出异常,需要加强瓦斯浓度监测。     

采动条件下煤体渗流特性试验及应用

为准确判断高瓦斯低透气性煤层瓦斯采动卸压抽采的有效区域,进一步提高瓦斯抽采效果,采用渗流试验和理论分析的方法,研究了煤层采动过程中煤体渗透率随应力的变化规律。结果表明:在受采动影响不同阶段,含瓦斯煤体渗透率随应力变化呈现明显的阶段差异性。在煤体弹性变形阶段,煤体渗透率随应力的增加逐步降低;在煤体达到屈服点至煤体破坏阶段,随着应力的升高,煤体发生塑性变形,煤体内产生采动裂隙,渗透率开始缓慢提升;在煤体破坏后,煤体处于卸压状态,煤体渗透率随着应力的降低大幅提升。最后,通过现场本煤层瓦斯抽采效果分析验证了采动煤体渗流特性试验结果的正确性。     

采动煤体渗透率示踪监测及演化规律

以潞安矿区五阳煤矿7601工作面为观测现场,利用自主研发的采动煤体渗透率实时监测系统现场实测了采动条件下煤体渗透率的变化情况.通过对监测结果的分析,认为在采动过程中煤体渗透率的变化主要经历了缓慢增加-突然下降-突然增加3个阶段,产生这一现象的原因是：在采动条件下,煤体分别经历了弹性变形-塑性变形-卸载膨胀3个过程,在不同阶段煤体的属性发生了很大变化,使其渗透率随之发生改变.     

采动应力下煤体渗透率模型构建及研究进展

首先对煤体渗透率的经典模型进行了简介,其次结合采动过程中煤体内的力学变化机制及渗透率的控制因素提出了采动应力下煤体渗透率模型构建过程中的关键问题,并就每个关键问题的研究进展进行了总结和分析。关键问题包括以下3个方面:采动煤体各向异性特征、采动煤体损伤破裂特征和煤体吸附解吸特征的表征方法。其中,各向异性特征的煤体渗透率模型可划分为有效应力变化和几何参数变化进行表征的两类,有效应力变化角度的建模结果基本为指数型函数、几何参数变化角度的建模结果多为3次方的幂函数;损伤破裂特征的煤体渗透率模型被归纳为本构方程中含损伤变量和渗透率表达式中含损伤变量的2类,本构方程中含损伤变量的模型具有更广的适用范围,渗透率表达式中含损伤变量的模型能够更加直观的表示渗透率和影响因素之间的数量关系;在煤体吸附解吸特征的表征方法中对基于吸附热力学而建立的煤体吸附应变表达式进行了总结,同时指出在煤体渗透率模型构建中Langmuir方程形式的吸附应变表达式应用最为广泛。然后,对采动应力下煤体渗透率模型的研究进展进行了介绍,将采动应力下煤体渗透率模型归纳为有效应力型、几何参数型和系数拟合型的3类,依次对3类模型中代表性成果的表达式及应用情况进行了概述。最后,从每个关键问题的角度对后续构建采动应力下煤体渗透率模型的研究进行了展望。     

循环载荷作用下煤体渗透率演化的实验分析

多期次载荷作用下的煤体,其孔隙结构会发生复杂变化,渗透率也随之改变。然而,不同加卸载速率与循环周期决定着煤体渗透率变化路径,影响其应力敏感性,开展循环载荷控制下煤体渗透率演化规律研究,对于解释复杂应力场下煤层渗透率的各向异性特征有理论支撑作用。借助于煤层渗透率应力敏感模型分析,研究了影响煤体渗透率变化的关键表征参数及其函数关系;为验证关键参数对煤体渗透率影响,采用预定轴压和气压、加卸载围压的方式开展煤体三轴循环变载气体渗流实验,分析在不同围压(2.0～12.0 MPa)下煤体渗透率和体应变的演化规律;为研究煤体孔隙结构变化对渗透率的影响,通过低温氮气吸附实验和荧光显微镜煤样观测统计,完成了循环载荷加卸载前后煤体孔隙结构变化对比。研究结果表明,煤体加载/卸载过程中渗透率变化趋势与围压变化负相关,总体可以分为线性段、指数段和稳定段等3个阶段;随循环加载次数的增加煤体应变逐步增大,而渗透率却随之降低;相同条件下,煤体渗透率随体应变增加而升高,增幅在16.79%以上,而渗透率恢复率逐步降低,且与围压变化负相关;3次循环加卸载实验导致煤体孔隙结构发生了显著变化,微孔体积提高71.79%,比表面积增加52.19%,而平均孔径降低32.06%,但循环载荷没有改变煤体的最可几孔径;孔隙结构变化的数据表明,微孔体积增加是煤体渗透率劣化的重要标志之一。对比循环载荷作用前后的孔隙结构实验数据发现,影响气体吸附-解吸的孔隙结构变化,决定了"迟滞环"面积,而决定"迟滞环"形状的关键因素是由煤体最可几孔径控制的突变压力。另外,煤体应变包括裂隙体积变化和孔隙体积变化两部分,其中裂隙影响重要度指标(χ)反映了裂隙体积变化在煤体应变中的权重关系,χ变化随围压升高而降低。     

近距离煤层群钻采渗透率演化规律数值模拟研究

采用COMSOL公司开发的多物理场直接耦合的高级仿真模拟软件系统研究了极薄煤层钻采对近距离煤层群卸压前后煤层渗透率变化规律的影响。现场应用实测结果表明了极薄煤层钻采卸压的可行性与适用性,同时也证明了数值模拟的正确性。     

注热条件下煤体渗透率演化模型及其数值分析

煤层注热是近几年提出的一种新型的煤层气抽采方法,为了得到煤层注热对煤层气产出的影响规律,需要对注热条件下煤体渗透率变化规律进行研究。基于Warren-Root几何模型,结合弹性力学等理论建立了煤体渗透率模型并对其进行了数值分析。最终得出在注热条件下,注热钻孔周围煤体渗透率的变化规律,为煤层注热多场耦合模型的分析奠定了基础。     

采动条件下围岩破坏及瓦斯流动规律研究

为了研究采动条件下围岩破坏及瓦斯流动规律,分析了煤层开挖和瓦斯流动卸载模拟分析,采用数值模拟软件,研究了采动条件下上覆岩层垂直变形破坏规律、工作面推进方向上煤层破坏规律以及煤层孔隙率和渗透率变化规律。研究为巷道支护和瓦斯抽采提供了理论支持。     

采动条件下煤层底板岩层渗透率变化过程研究

采空区突水是矿井突水的一种主要类型,对突水点的准确探查可以有效防治采空区突水。介绍了辛置煤矿压水试验观测孔的布置情况,测试分析了煤层底板最大破坏深度、底板岩层渗透率的变化过程。采前、采后煤层底板的压水试验表明：在底板采动破坏带以下一定厚度岩层的渗透率随工作面推采一定距离后有明显的降低,隔水层阻隔水能力有逐渐恢复的趋势。由此推断阻隔水能力还未恢复的区域为采后突水概率较高的区域,可为采后出水治理中突水通道探查提供依据。     

深部含瓦斯煤体渗透率演化及卸荷增透理论模型

利用渗透率理论模型对深部煤层渗透率的变化进行了探讨,认为深部煤层地应力主导有效应力的变化,直接或间接的控制着渗透率。要有效增加煤层的渗透率,只能降低地应力。据此开展了煤体卸荷渗透率试验研究,获得煤体卸荷过程中既存在原始裂隙的扩展,也有新生裂隙的产生,两者的综合作用是导致卸荷煤体渗透率骤增的原因。在实验和理论分析的基础上提出了煤体卸荷渗透率演化概念模型,建立了考虑有效应力和瓦斯吸附/解吸变形等因素的、以应变为变量的煤体卸荷损伤增透理论模型。该模型搭建了煤体卸荷与增透的桥梁,可采用岩石力学软件获得的采场围岩应力场和应变场计算得到卸荷后煤岩的渗透率演化规律。最后在窑街煤田海石湾煤矿进行了应用,理论模型的应用使瓦斯抽采设计更科学和有效。     

平顶山矿区远程下保护层开采技术研究

针对平顶山矿区深部开采的瓦斯治理现状,采用数值模拟和现场实测手段,分析了远程下保护层开采后,上覆煤岩层在采动过程中的应力分布和膨胀变形规律,结果表明:平顶山矿区的煤层群赋存条件为远程保护层开采技术的应用提供了良好的自然条件,尽管煤组间距较大,但卸压增透效果显著,配合合理的卸压瓦斯强化抽采措施,能够消除远程被保护层的突出危险性,说明改变现有的开采布局,采用远程保护层开采技术,有利于对深部煤炭资源的安全开采。     

下保护层开采上覆煤岩卸压增透机理研究与应用

为了掌握下保护层开采后被保护层透气性系数及煤层瓦斯含量变化情况,依据郭庄煤矿与寺河矿二号井煤层的相对位置关系,采用相似材料模拟试验和现场实践相结合的方法,对保护层开采后上覆煤岩透气性系数变化情况进行测定.在模拟采动过程中,上覆煤岩透气性系数的时空变化规律为:由原始的4.40 m2/(MPa2·d)左右,先增至约4.89 m:/(MPa2·d),然后减小至3.91m2/(MPa2·d),接着急剧增大至85.00 m2/(MPa2·d)左右,最后下降并稳定在约28.00m2/(MPa2·d).现场测试结果表明,透气性系数在开采过程中是一个动态发展的过程,即:原始值—增大—减小—急剧增大—减小—稳定(大于原始值).     

晋城矿区采动区煤层气地面井抽采技术试验

在晋城市成庄矿区4308工作面进行了采动区煤层气地面井抽采试验,针对试验点地质特点,设计出试验井井身结构,分析了钻井在工作面推过前后的抽采数据,并先后4次对套管变形情况进行了考察。试验发现,地面井抽采纯流量最高达8 m3/min,但是如何保证套管的稳定性是需要解决的关键问题。     

厚松散层薄基岩煤层开采粘土层的保护作用分析

在分析煤层覆岩工程地质类型的基础上,建立工程地质模型,进行有限元数值模拟,分析覆岩破坏规律及粘土层对岩层变形和导水裂隙带发育的影响,最终确定粘土层的保护作用,从而科学地利用保护层的作用,为提高煤炭资源的开采率作出科学的分析与建议。     

兴安煤矿开采保护层的应用及效果分析

兴安煤矿属高突矿井,由于煤层赋存瓦斯压力较大,给通风安全瓦斯管理带来极大隐患。开采保护层是治理瓦斯隐患的一种手段。结合兴安煤矿的具体情况,通过保护层开采措施的制定和验证,对27、24层进行了保护层开采,并对对23层煤的保护效果进行了分析,认为该技术作为一种治理瓦斯隐患的手段,近年来也越来越多地被利用,取得了很好的效果。     

低透气性煤层水力压裂增透技术应用

 针对大兴煤矿煤层透气性差、瓦斯抽采效率低、钻孔施工量大等问题,提出了水力压裂增透技术。研究了水力压裂增透机理,分析了水力压裂提高煤层透气性的过程。结合理论研究与现场经验,进行了高压钻孔密封,确定了工艺参数,完成了现场实施。应用效果证明：实施水力压裂后,水力压裂孔及影响区域内瓦斯抽采孔保持了较高的抽采水平,相对于普通抽采孔瓦斯抽采量提高了7.2倍,水力压裂影响区域内煤层透气性系数提高了79~272倍。     

保护层开采技术在新集一矿的应用

为切实搞好综采工作面的瓦斯治理工作,根据保护层开采理论,对新集一矿131303工作面下保护层开采技术进行现场考察,考察结果表明,下保护层11-2煤层的开采对被保护层13-1煤层突出危险性消除效果明显。试验结果对类似开采条件的矿井防治煤与瓦斯突出及瓦斯综合治理具有一定指导意义。     

高山矿近距离低透煤层上保护层开采底板卸压增透效应研究

针对低透高瓦斯近距离煤层上保护层开采合理性问题,以高山煤矿二采区4号和9号煤层作为研究对象,对上保护层开采后底板卸压增透效应进行研究。结果表明:保护层开采后,底板卸压区域呈现为倒梯形,卸压角度约为65°,卸压竖直范围超过50 m,垂直应力由原始应力7.1 MPa降低到3 MPa左右,平均卸压值为3.6 MPa左右,卸压率平均为60%,垂直应力的总体变化趋势为降低-升高-稳定;被保护层位移变化规律与垂直应力一致,随保护层开采,被保护层竖直方向出现上升,平均上升距离为40 mm左右,最大位移出现在两侧,为53 mm左右,膨胀率由两侧向中部逐渐升高,并稳定在7‰左右;被保护层在距开切眼50~270 m范围内出现明显的增透现象,渗透率平均升高70%,且增透范围呈现倒梯形分布。     

高瓦斯低透气性煤层水力压裂增透数值模拟及应用

针对高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采钻孔施工量大、效率低等问题,研究了水力压裂技术的破煤理论及高压水对煤层的卸压增透理论,提出水力压裂强化抽采瓦斯的措施,以岩土工程数值模拟软件FLAC3D对煤层进行水力压裂数值模拟,得到煤层水力压裂过程中裂纹扩展规律,确定了水力压裂现场试验的工艺参数、压裂装备及抽采系统,完成封孔及压裂试验。     

煤体固液耦合的结构及渗透性演变规律

为了研究煤层固液耦合和渗透水压力(水力梯度)作用下的结构改造及渗透性演变规律,在MTS 815.02电液伺服岩石力学试验系统上采用瞬态压力脉冲法进行了煤体全应力应变过程中的渗透性测试。试验结果表明,煤体的渗透性与其内部结构密切相关,在全应力应变过程,煤体渗透性的演变与其内部裂隙的变化趋势一致。在应变软化至峰值强度的24.98%时,煤体渗透性达15.69×10-13cm/s,分别是弹性阶段和峰值时的79.30倍和16.34倍。在固液耦合不产生损伤的条件下,瞬态渗透系数整体与水力梯度成正比关系。渗透水压力可引起结构面的错动闭合或导致破裂碎屑集聚堵塞渗流通道。当煤样变形进入到弹塑性阶段以后,瞬态渗透系数随时间延长先整体降低,降低到一定值时突然急剧增大至一定峰值,然后再逐渐降低并趋于稳定。且煤样由弹塑性经塑性至破坏(残余强度)阶段,中间突变的峰值与初始瞬态渗透系数的差值越来越小,出现中间突变峰值所需时间越来越长。采用瞬态压力脉冲法测量评价岩石的渗透性时,应采用上下水压差第一次趋于稳定时的数据来计算其渗透系数。