煤岩基质-裂隙相互作用下渗透特性研究

为研究煤层气开采过程中温度、气体压力对煤岩吸附和渗流特性的影响,利用等温吸附试验装置与含瓦斯煤三轴渗流试验装置,分别进行等温吸附试验及不同温度条件下变气体压力的三轴渗流试验。考虑应力作用下毛细管分形特征,建立了裂隙体积应力敏感性模型,并在此基础上建立考虑煤基质内部膨胀变形、温度及气体压力变化的煤岩渗透率模型。结果表明：(1)在相同温度下,随着气体压力升高,煤岩瓦斯吸附量逐渐增大,但吸附速率呈相反趋势。在相同气体压力下,随着温度升高,瓦斯吸附量呈下降趋势。当有效应力恒定时,煤岩吸附变形量随着气体压力增大而增大,并且随着温度增大而减少。(2)在外部应力作用下,煤岩内部毛细管侧面发生收缩并产生径向延展。新建裂隙体积应力敏感性模型计算得到的裂隙压缩系数与实验室所得值在同一数量级,并随有效应力升高呈下降趋势。(3)新建渗透率模型能较好反映不同温度、气体压力下渗透率演化规律。在相同温度下,随着气体压力升高,煤岩渗透率先急剧下降后趋于平缓,孔裂隙周围基质膨胀变形对于渗透率的影响逐渐降低。     

考虑水分影响的煤岩渗透率模型及演化规律

在开采环境的不断变化过程中,煤岩通常处于气-水共存的状态。为了探究水分与煤岩渗透率之间的反应机制,利用等温吸附装置和含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,分别进行不同含水条件下的等温吸附试验和孔隙压力升高的渗流试验。基于水膜与孔裂隙表面的相互作用及水膜之间分离压的影响,并且考虑压缩变形及滑脱效应对煤岩渗流的贡献率,构建考虑水分影响的渗透率模型,进而分析不同含水条件下煤岩吸附与渗流变化规律。研究结果表明:① 在不同含水条件下,煤岩瓦斯吸附量随孔隙压力增大而增大,而随含水率增大,瓦斯吸附量呈减小趋势。同时,吸附变形随着煤岩的吸附作用而变化。② 煤岩中的水分易在孔裂隙表面形成吸附性水膜占据气体渗流的通道,并且气态和液态水分子会制约瓦斯流动,因而瓦斯流量随含水率增大而减小。当煤岩含水率恒定时,渗透率随孔隙压增大先减小后趋于平缓;恒定孔隙压力条件下,渗透率随含水率增大显著减小。③ 考虑压缩变形、吸附变形、水分和孔裂隙间水膜对裂隙宽度的影响,构建了考虑瓦斯和水分耦合作用的渗透率模型,而且煤岩渗透率计算值与实测数据基本保持一致,可以较好的表征含水煤岩的渗透率变化规律。     

深部低渗透率煤层瓦斯抽采气固耦合机理研究

为揭示瓦斯在深部煤层抽采时的渗流机理,基于深部煤层低渗透率、高地应力、高瓦斯压力特征,结合瓦斯运移的Klinkenberg效应,建立了考虑煤体基质、裂隙双重孔隙介质的瓦斯抽采气固耦合模型,并针对具体地质情况进行了耦合模型的数值模拟研究。结果表明:煤层瓦斯压力随抽采时间增长呈下降趋势,钻孔周围出现瓦斯压降漏斗现象,距钻孔越近瓦斯压力下降越明显。深部低渗透煤层瓦斯抽采过程中,煤层体积变形、瓦斯解吸共同影响煤层渗透率变化,瓦斯抽采使煤层瓦斯压力逐渐降低,煤体发生收缩变形导致渗透率增大,同时煤层有效应力增大,煤层中裂隙、基质受压变形,又会导致渗透率逐渐减小。     

孔隙压力升降条件下煤岩双孔隙渗透率模型研究

孔隙压力是控制煤岩渗透率的关键因素,为探究煤岩渗透率在孔隙压力升降过程的响应机制,利用含瓦斯煤三轴渗流试验装置,分别开展不同平均应力条件下孔隙压力升高和降低的渗流试验。基于煤岩具备的双孔隙结构介质的特性,综合升压过程中煤岩力学效应、滑脱效应、吸附膨胀及吸附层厚度变化等因素,构建包含基质与裂隙的双孔隙渗透率模型。通过引入修正函数L(p),进一步量化降压过程中煤岩渗透率变化情况,并利用试验数据验证新建渗透率模型的合理性。研究结果表明：(1)当平均应力一定时,基质渗透率随孔隙压力增大呈先急剧减小后缓慢减小的变化趋势,裂隙渗透率的变化规律与煤岩总渗透率的变化规律较为接近;(2)当平均应力一定时,孔隙压力升降过程中的煤岩总渗透率均呈“V”型变化,但对于同一孔隙压力,降压过程总渗透率要低于升压过程总渗透率;(3)利用渗流试验数据对模型进行验证,发现新建双孔隙渗透率模型能够与试验结果保持一致;(4)修正函数L(p)中的敏感性系数c影响渗透率随孔隙压力变化的曲线斜率,敏感性系数d影响渗透率曲线整体高度。     

煤岩孔裂隙结构分形特征及渗透率模型研究

为探究煤岩孔裂隙结构与渗透特性的联动关系,采用扫描电镜、偏光和分形等手段分析煤岩孔裂隙结构分布特征,利用自主研发的出口端正压三轴渗流装置,开展恒定有效应力条件下孔隙压力升高的渗流试验。基于分形理论,考虑煤岩表面孔隙分布情况对煤岩渗透率的影响机理,建立考虑孔裂隙分形特征的煤岩渗透率模型,通过试验验证其合理性,对煤岩孔裂隙下分形维数和渗透率耦合进行定量分析。研究结果表明:①六盘水矿区煤岩表面含有一定数量的孔隙和裂隙,其中四角田7号煤层孔裂隙发育情况最好,具有2条清晰的宽度较大的裂隙,并伴有大量交叉微裂隙及孔隙发育,煤岩结构破坏严重;②通过盒维数法可得煤岩孔裂隙分布具有明显的分形特征,且煤岩孔隙率与分形维数呈正相关关系;③恒定有效应力条件下,煤岩渗透率随孔隙压力升高呈现先急剧降低后趋于平缓的趋势,受孔裂隙结构影响,在相同的孔隙压力下煤岩渗透率存在明显差异。煤岩表面孔裂隙结构越复杂其分形维数越大,有助于瓦斯运移,渗透率呈上升趋势;④考虑孔裂隙分形特征的煤岩渗透率模型计算值与实测值吻合度较高,与前人研究成果相比,无论理论机理的适用性还是对试验点的匹配方面都更加适用,且能较好地反映孔隙压力与渗透率的联动关系。     

煤矿区煤层气抽采的多物理场耦合模型及应用

基于考虑煤岩膨胀应力作用的有效应力原理,建立了考虑由瓦斯压力引起的煤基质变形和有效应力耦合效应下的煤储层渗透率动态变化模型,以煤岩变形的应力场方程和煤层瓦斯渗流方程为桥梁,构建了煤层气抽采的多物理场耦合模型。以沁水盆地南部二叠系山西组3#煤层为地质模型进行应用分析,运用Comsol Multiphysics多物理场数值模拟软件,对不同煤层参数及不同工况条件下煤矿区煤层气抽采的孔隙压力场变化规律进行分析,研究发现:煤层气抽采主要受煤层埋藏深度、煤层孔隙度和渗透率影响较为明显,而受抽采负压大小的影响较小。     

力热耦合作用下煤岩吸附及渗透特性的试验研究

利用等温吸附试验仪器与含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,为模拟深部煤层瓦斯开采过程,分别进行不同温度下等温吸附试验与孔隙压力升高的渗流试验,建立考虑过剩吸附量修正的吸附模型并修正吸附膨胀模型,探究力热耦合作用下煤岩吸附与渗流变化规律。结果表明:瓦斯吸附量在不同温度下随瓦斯压力升高均呈增大趋势,随温度升高吸附量逐渐降低。在高压下需考虑过剩吸附量造成的误差,修正的Langmuir模型比原模型计算结果精度更高;建立了考虑温度与过剩吸附量修正的吸附变形模型与吸附膨胀模型,煤岩吸附应变随孔隙压力升高而减小,且温度越高应变变化量越小。随孔隙压力升高,煤岩渗透率及吸附膨胀与滑脱效应导致的渗透率变化量均呈下降的趋势,且随温度升高3者逐渐增加;吸附膨胀是引起煤岩渗透率减小的主要因素,吸附膨胀与滑脱效应对渗透率的贡献率随孔隙压力升高逐渐下降,其贡献率均随温度升高逐渐增加。     

水力耦合作用下煤岩渗流动态演化规律

为探究煤层注水时水在煤体中的渗流演化规律,采用实验室试验与数值模拟结合的方法,开展了地应力及孔隙水压力耦合作用下煤体结构变形及渗透率演化规律试验,并建立了水力耦合下体积变形演化数学模型,基于UDF二次开发进行了煤岩注水渗流动态演化数值模拟。研究结果表明:煤岩孔隙率变化受应力与水压共同作用的影响;煤岩轴向变形量与水压分布由上至下呈递减式传递,体积变形与轴向力、孔隙水压大小成正相关;孔隙水压为赋存于孔裂隙的自由水提供渗透动力,并对煤岩基质骨架产生力学作用,水压越大,煤岩基质骨架越容易破坏;采用UDF程序加载渗透性试验结果对孔隙率随孔隙水压变化进行拟合的结果更接近试验结果,误差较小,对于研究煤岩渗流规律可以提供一定的参考。     

不同煤体结构组合的煤与瓦斯突出临界瓦斯压力

基于能量理论,分析了瓦斯突出瞬间能量的变化,构建了包括煤岩弹性能、瓦斯膨胀能在内的煤与瓦斯突出的正效应数理模型及煤岩抵抗瓦斯突出能量的负效应模型。根据煤岩应力应变试验,拟合得出了煤岩不同变形阶段力与变形量之间的关系,结合正、负效应耦合模型,计算出了寺河矿不同煤体结构组合下煤与瓦斯突出发生的临界瓦斯压力值。结果表明：在其他条件相似的情况下,随着软煤比例的增加,临界瓦斯压力值呈指数减小,煤与瓦斯突出的可能性大幅增加。利用该方法可以对煤与瓦斯突出临界值进行快速判断,从而采取有效措施。     

热应力作用下有效应力对原煤渗透特性的影响

利用重庆大学自行研制的煤岩热流固耦合实验系统(THM-2),进行不同应力阶段、不同瓦斯压力和不同温度条件下的三轴加载渗流试验,探讨基于热应力作用下的有效应力对煤岩渗透率的影响。结果表明:3种应力阶段下,煤岩渗透率均随着温度的升高逐渐降低,但温度升高,渗透率的减小速率则逐渐降低;围压和轴压对煤岩的裂隙发展起到抑制阻碍作用,从而使渗透率的减小速率逐渐降低;基于热应力作用下的渗透率与有效应力关系表达式计算结果与试验结果吻合较好,可以很好的反映煤样渗透率。     

含水煤岩变形破坏过程中瓦斯运移规律的实验研究

配合自制煤岩三轴流固耦合夹持装置,采用实验方法对煤岩变形破裂过程中瓦斯运移规律进行研究。实验结果表明：煤岩破裂前后,瓦斯解吸量、解吸速率以及渗透率的差异较大,在弹性压密到强化阶段,瓦斯解吸规律基本遵循Langmuir等温吸附规律。在煤岩破裂阶段,瓦斯解吸量和解吸速率都急剧增大,瓦斯渗透率的变化表现为少许滞后于应变的特点;在瓦斯压力较低的情况下,煤岩渗透性能受含水饱和度的影响显著,破裂后气测渗透率值比压密阶段高近6倍,含水饱和度增大后,煤岩破裂前后气测渗透率变化规律大致相同,虽然增大了煤岩孔隙压力,但煤岩变形破裂全过程中测定的气测渗透率反而降低。     

考虑煤渗透性变化的抽采渗流耦合模型研究及应用

为揭示煤岩变形对煤层瓦斯抽采渗流特性的影响,开展了煤层瓦斯抽采气固耦合问题研究。首先,考虑煤吸附解吸变形、孔隙压力及渗透性变化对瓦斯抽采的影响|然后,根据达西定律,建立以有效应力及吸附应变为耦合媒介的煤层瓦斯渗流和煤岩变形气固耦合方程|最后,以沙曲矿24208工作面为工程背景进行抽采煤层位移、吸附应变和瓦斯渗流数值模拟,并对比分析煤层瓦斯压力、煤层渗透率和瓦斯抽采量的耦合效应。结果表明：抽采后钻孔周围煤体位移呈增大趋势,煤体因瓦斯解吸收缩变形,距抽采孔越近应变量越大|抽采初期煤层瓦斯压降梯度大|煤层渗透率随抽采时间呈增大趋势,距孔越近增幅越大|初期钻孔瓦斯抽采量较大但降幅较快,后趋于稳定,对比发现模型抽采量计算结果与实际抽采数据较为一致。     

加卸载条件下原煤渗透率与有效应力的规律

为研究采动过程中有效应力的变化对渗透率的动态演化的影响,基于自行研制的"含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置",进行了单调加载和不同初始应力状态加卸载条件下原煤渗流特性的试验研究。考虑瓦斯力学作用和瓦斯吸附作用两个方面对有效应力系数的影响,得到了加卸载条件下原煤的有效应力计算公式及渗透率与有效应力关系的公式,根据初始孔隙率、吸附常数等试验数据和不同条件下渗流试验数据对建立的渗透率与有效应力表达式进行验证。研究结果表明,理论计算值和试验结果吻合度比较高,单调加载与加卸载条件下原煤的渗透率随着有效应力的增加呈负指数关系下降。     

不同含水状态下含瓦斯原煤加卸载试验研究

以南川宏能煤业(原半溪矿)矿井西翼K1煤层为研究对象,利用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置,进行了不同含水状态下的含瓦斯煤加卸载试验研究。研究结果表明:(1)随含水率增加,加卸载煤样的承载强度、残余强度、变形模量都呈现降低趋势,而轴向应变、径向应变、体积应变及侧向膨胀率均呈增加趋势。(2)加卸载过程中煤样甲烷有效渗透率变化与煤样损伤变形演化相对应,但存在明显的滞后现象;煤样破坏前,含水率越高,甲烷有效渗透率越小;煤样破坏后,含水率越高,甲烷有效渗透率反而越大。(3)随含水率增加,加卸载煤样破坏程度增大,裂隙发育增多,形变量增大,煤样加卸载过程中的总能量和耗散能也增加,而弹性能却减小。     

含瓦斯煤渗透率演化模型和实验分析

与气体压力有关的煤层渗透率变化规律是煤矿开采和煤层气开发过程中的重要问题,不同应力条件下,不同类型煤样的渗透率演化特征不同。为了研究瓦斯压力变化过程中煤样渗透性的变化规律,以开滦赵各庄煤矿9号煤层的煤样为研究对象,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,在恒定温度、轴压和围压,降低瓦斯压力的实验条件下测定了煤样应变和瓦斯渗透率。实验结果表明:随着瓦斯压力的降低,煤样收缩应变加剧,渗透率表现为两种变化趋势:逐渐增大和先减小后增大(渗透率回升对应的瓦斯压力小于1. 0 MPa)。瓦斯压力降低至0. 3 MPa时,渗透率为初始条件下(瓦斯压力2. 0 MPa)渗透率的1. 9～2. 9倍。考虑到煤样在径向和轴向的收缩应变数值接近,针对三维变形煤样建立了渗透率模型,模型同时体现了气体压力和气体解吸对渗透率的影响。理论分析表明,降压过程中煤的渗透率将在某一气体压力(反弹气体压力pr)时由降低转为升高。推导的反弹气体压力pr计算公式显示pr的取值由煤样的体积模量K、与吸附效应有关的Langmuir系数εp和pL共同决定;体积模量K与吸附变形系数εp越大,pr越大。值得注意的是,pr的取值与煤样的外部应力以及内部的气体压力无关。结合本文和前人的实验数据,由本文的渗透率模型计算得到了不同应力和瓦斯压力条件下的煤样渗透率变化曲线以及相应的反弹气体压力pr。模型计算结果与实验数据接近,最大相对误差低于8. 9%。研究表明,实验测得煤样的渗透率表现为何种变化趋势,取决于反弹气体压力pr和实验气体压力的关系。当pr≥pmax(实验测点中最大的气体压力值)时,渗透率随着气体压力增大而降低;当pr≤pmin(实验测点中最小的气体压力值)时,渗透率随着气体压力增大而增大;当pminprpmax时,随瓦斯压力的增大,煤样渗透率呈"V"形变化,即先减小后增大。     

基于含瓦斯煤岩固气耦合模型的钻孔抽采瓦斯三维数值模拟

通过在多孔介质的有效应力原理中引入瓦斯吸附产生的膨胀应力,得出适用于含瓦斯煤岩的有效应力计算公式。同时利用含瓦斯煤岩的孔隙率和渗透率的动态模型,建立了能描述含瓦斯煤岩固气耦合情况下的骨架可变形性和气体可压缩性的固气耦合模型。以平顶山十矿的相关物性参数为基础进行了数值模拟,首先对建立的三维模型进行了开挖处理,得到了开挖后煤层的应力分布状态,而非简单的均布载荷,然后利用所建立的数学模型进行钻孔抽采瓦斯三维数值模拟。从数值模拟结果得到：① 抽采负压对钻孔抽采瓦斯的影响不明显;② 随着抽采时间的增长,煤层的孔隙率逐渐减小;③ 随着时间的推移,钻孔抽采瓦斯的有效抽采半径均逐渐增大,最后会迫近一个定值。     

吸附气体对突出煤渗流特性的影响

煤层中瓦斯渗流特性不仅受地应力、煤孔隙结构等因素的影响,还因气体吸附而发生变化。以重庆市万盛区某煤矿突出煤层原煤为实验对象,在有效轴向应力和有效围压为1 MPa条件下,利用自制的三轴渗流试验机研究突出煤吸附二氧化碳、甲烷气体对渗流特性的影响。结果表明:1突出原煤吸附-渗流过程具有明显的阶段特征,煤体变形经历了初始快速变形阶段、缓慢变形发展阶段、变形稳定阶段、收缩变形阶段和渗流稳定阶段;2气体压力越大,煤体膨胀变形越大,相同气体压力下,煤体吸附二氧化碳变形增量大于吸附甲烷变形增量;3随着气体压力的增大,气体渗流速度逐渐增大,呈显著的指数函数关系,突出煤渗透率先减小后增大,具有明显的阶段性。     

考虑含水率影响的煤岩变形及渗透率模型

煤矿开采深度不断增加,煤层瓦斯含量升高导致动力灾害逐渐增多,给煤矿安全开采带来严峻考验。对于瓦斯在煤层中流动的研究一直以来都备受关注,其中渗透率正是影响煤层中瓦斯流动的关键参数之一。因此,为准确模拟开采环境变化导致的煤岩变形及渗透特性变化,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,开展不同含水条件下孔隙压力升高过程中煤岩渗透特性的试验研究,建立考虑含水率的吸附方程和吸附-渗透率模型,探讨含水率和孔隙压力共同作用对煤岩变形及渗透特性的影响。研究结果表明:①孔隙压力升高过程中,径向应变及轴向应变随孔隙压力的升高均呈降低趋势,瓦斯流量的变化呈上升趋势,煤基质由于吸附瓦斯产生膨胀变形,体积应变逐渐减小。②当含水率恒定时,随着孔隙压力的升高,瓦斯吸附量随孔隙压力增大先增大而后趋于平缓,产生的吸附变形的变化趋势与其相同;当孔隙压力恒定时,煤岩的吸附量和吸附变形均随着含水率的增大而减小。③在恒定含水率条件下,煤岩渗透率曲线随孔隙压力的升高先减小后趋于平缓;而在相同的孔隙压力条件下,随含水率的增加,煤岩渗透率整体逐渐减小,而且含水率越大孔隙压力对渗透率的影响越弱,水分子对渗透率的影响越强。④构建了考虑含水率的吸附量计算方程,并在此基础上进一步构建考虑含水率煤岩吸附-渗透率模型,其中所计算的渗透率值与试验所测结果基本一致,反映了煤岩渗透率变化规律。     

煤与瓦斯共采中煤层增透率理论与模型研究

地下开采中瓦斯抽采的针对性与有效性是煤与瓦斯共采的关键问题,其核心是在理论和技术上对采动引起的裂隙网络所形成的增透性进行定义和分析。在综合考虑煤体在不同开采方式形成的支承压力、孔隙压力和瓦斯吸附膨胀耦合作用对损伤裂隙煤体体积改变的影响的基础上,定义了一个新力学量--增透率,来反映单位体积改变下煤体渗透率的变化,推导了4种增透率的理论表达式,并对工程实例进行数值分析,定量描述了开采过程中覆岩和煤层中增透率的分布和演化,结果表明增透率能够反映开采扰动对煤岩体裂隙网络渗透性的影响,为煤与瓦斯共采工程中的煤层增透效果评价提供定量指标和科学方法。