低渗煤样全应力应变过程渗透特性试验

采用MTS815.02型岩石伺服试验系统对煤样进行了应力应变全过程渗透性试验,得到不同围压下煤样的全应力-应变曲线,探讨了全应力-应变过程中煤样渗透率-应变关系曲线的几何特性,研究了煤样变形和破坏过程中的轴向应变与渗透率之间的关系,分析围压对煤样渗透率变化的影响。结果表明,轴向应力对Darcy流渗透特性和非Darcy流渗透特性的影响是同步的,煤样渗透率的峰值滞后于应力应变峰值;随着围压增大,煤样的渗透率总体上呈下降趋势。     

煤岩全应力-应变过程中渗透特性的研究

选取安徽淮南张集矿的煤样,对加工成的9个标准试件(50 mm×H100 mm)进行全应力-应变过程中的渗透测试及CT扫描试验。渗透试验结果表明：煤岩的渗透率-应变曲线与应力-应变曲线具有相似的变化规律,且渗透率表现出应变滞后性,表明瓦斯在煤岩中的流动特性与受载过程中煤岩内部产生的损伤演化密切相关;围压使煤岩内部的瓦斯通道发生压密闭合,导致渗透率随围压的增大而减小。在渗透试验前后对试件进行CT扫描,结果表明,渗透试验前试件上基本观测不到有微观孔隙裂隙的存在,渗透试验后有明显的贯通裂缝产生,导致试件的渗透率在应力-应变峰后呈现急剧上升的趋势。     

全应力-应变条件下煤岩渗透率变化机制实验研究

针对煤岩在采动荷载作用下渗透率演化规律展开研究,选取河南平顶山矿区煤岩,基于Darcy定律稳态测量法,利用三轴压缩渗透实验装置进行煤岩全应力-应变渗透性实验。实验结果表明:控制渗透气体压力相同,围压的增加,阻止了试件拉伸裂隙的发育,导致煤岩全应力-应变曲线的应力峰值升高、渗透率降低;控制围压相同,煤岩应变-渗透率曲线与应力-应变曲线变化趋势基本相同,且存在因果关系,导致煤岩应变-渗透率曲线较应力-应变曲线具有滞后性。     

陷落柱填隙物全应力-应变过程的渗流特性研究

岩溶陷落柱易导通含水层与煤层从而引发底板突水事故,已经成为我国华北地区下组煤开采的重要安全隐患。对于固结良好的陷落柱,其填隙物的渗透性直接影响着陷落柱的整体渗透性,且在采动压力的影响下,陷落柱填隙物的渗透性也在不断发生变化。为研究不同应力状态下填隙物渗透率的变化规律,对填隙物进行固结重塑,并利用MTS815.02渗流试验系统对重塑后不同初始含水率的填隙物试样进行了不同围压条件下的全应力-应变过程的渗流特性试验。试验结果表明:1)陷落柱填隙物全应力-应变过程渗透率的变化曲线可划分为压密段、破坏段和蠕变段,渗透率对应的呈现出减小-增大-减小的变化规律;2)填隙物的全应力-应变过程的渗透率峰值随围压的增大而减小,其峰值比与围压差存在指数函数关系;3)填隙物的初始渗透率和孔隙度随初始含水率的增大而增大,渗透率比和孔隙度比存在幂函数关系,在全应力-应变过程中渗透率峰值与初始值的差随初始含水率的增大而减小。     

岩石全应力-应变过程渗透变化规律分析

根据岩石渗透率变化与岩石破坏过程的对应关系,分析了全应力-应变过程中岩石渗透性能随应变的变化特点及渗透率-应变和渗透率-应力之间的关联性。研究表明岩石渗透率增长起始点与岩石的膨胀点近似对应,随全应力-应变过程的渗透率可划分为3个变化区间：压密区间、峰前屈服区间、峰后区间。岩石破坏过程变化主要是由尺度等级较小的微破裂的相互作用和生长最终形成主干断裂,进而形成贯通性的渗透通道。同时通过试验数据验证了分析的合理性。     

煤系泥岩全应力—应变渗透试验研究

为了研究煤系泥岩在采动受力变形过程中渗透率变化的特点,进行了全应力—应变过程的渗透性试验。试验结果得出渗透率随轴向应力的增加可划分3个阶段,在此基础上,考虑渗透率与应力全过程耦合相对复杂的特点,对两者在峰前进行了耦合分析,得出其耦合曲线回归方程,探索了应力峰值和渗透率峰值相互间的关联效应。揭示了煤系泥岩在采动条件下渗透率的变化规律,为解决煤矿开采突水问题提供较重要的参考依据。     

冻结砂岩单轴抗压应力应变复合幂指数模型

为研究冻结砂岩应力应变关系,以内蒙古原状砂岩为试验对象,采用WDT-100冻土单轴试验压缩机开展了不同温度状态下冻结砂岩单轴抗压强度试验,得到应力应变曲线并分析试验结果。基于复合幂指数非线性理论进行曲线拟合,得出不同冻结温度下模型的参数方程。考虑温度因素的影响,改进复合幂指数非线性模型,提出一个与冻结温度有关的新型复合幂指数应力应变模型,将理论曲线与试验结果进行对比,发现拟合情况较好,显示了所建模型的合理性。     

水分对煤全应力-应变过程渗流特征的影响

为探究水分对煤力学性质和渗流特征的影响,开展了干燥煤样和饱水煤样全应力-应变过程渗流实验,分析了2种含水状态煤样全应力-应变特征及渗透率演化规律。实验结果表明：干燥煤样全应力-应变曲线具有5个阶段,而饱水煤样仅具有4个阶段;饱水煤样在经历峰值应力破坏后,轴向应力跌落了36.82%,全应力-应变曲线中应变软化阶段消失;饱水煤样与干燥煤样相比,抗压强度下降了8.95%,弹性模量降低了8.54%,峰值应力降低了8.90%,应力跌落幅度增大了10.87%;干燥煤样渗透率随轴向应变增大而增大,整体呈线性关系;饱水煤样渗透率和应变的关系具有明显的阶段性,可分为稳定渗流阶段和快速渗流阶段;水分的存在会抑制煤体瓦斯渗流过程,在瓦斯抽采工程中应当注意煤层排水。     

烧变岩石伺服条件下渗透特性试验研究

烧变岩是煤层自燃引起周围围岩变质而形成的,具有特殊的工程地质性质。通过伺服渗透试验所获得的应力-应变关系与渗透率-应变关系,分析了全应力-应变过程中烧变岩石渗透性随变形的变化特点,揭示了不同原岩性质的烧变岩石渗透率-应变关系的主要差异和渗透率-应力之间的关联性,最后阐述了烧变岩石变形过程渗透性特征参数的工程意义。     

沉积岩石全应力应变过程的渗透性试验研究

通过实验室内全应力应变过程渗透性试验研究,分析了不同岩性喾岩石的应变－渗透率试验曲线,阐述了不同岩性岩石在变形破坏过程中渗透性变化的规律,概化出岩石的一般应变－渗透曲线。研究表明,岩石的应变－渗透率曲线是岩性、结构、应力状态等各种影响因素综合反映的结果。     

高孔隙率砂岩涌水渗流场特征与注浆治理

将孔隙率引入到多孔介质达西渗流理论中的连续性方程及动量守恒方程,建立均质高孔隙率砂岩非稳定达西渗流数学模型,同时结合实际工程中的水文地质条件,采用数值模拟的方法研究了不同注浆压力下渗流场演化规律及涌水区域水流速度变化。计算结果表明:随着注浆压力的提高,浆液不断驱替砂岩中的孔隙水,有效封堵过水通道;不同注浆压力下巷道涌水区域水流速度变化显著:注浆过程中水流速度降低接近于零,注浆结束后水流速度上升最终达到稳定状态。针对地下工程中高孔隙率砂岩的涌水治理提出了"深部封堵水源、浅层注浆加固"治理原则,通过现场试验,取得了良好治理效果。     

瓦斯压力对卸荷原煤力学及渗透特性的影响

运用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置,以原煤煤样作为研究对象,在不同瓦斯压力条件下对含瓦斯煤进行了固定轴向应力的卸围压瓦斯渗流试验,研究卸围压过程中瓦斯压力对煤体的力学及渗透特性的影响。研究结果表明：开始卸围压后,煤体出现明显的扩容现象,径向发生明显膨胀应变,煤体中的渗流通道张开,煤体中瓦斯的渗流速率随之加快;随着瓦斯压力的升高,解除单位围压后煤样产生的变形变大,渗流速率升高的速率也随之增大;瓦斯压力越高,煤样从开始卸围压起至破坏的时间越短,即煤体强度越低;在卸围压初始阶段,煤样变形模量变化不大,在进入屈服阶段和失稳破坏阶段后,煤样的变形模量减小的速率开始明显加快。从煤样开始卸围压至破坏之前,煤样的变形模量下降了3.71%~7.45%;煤样的泊松比逐渐增大,围压与泊松比的对应具有较为明显的幂函数关系。     

基于RFPA2D岩石渗流剪切破坏过程研究

为探究岩石渗流剪切破坏规律,以砂岩为例,利用RFPA2D软件进行数值模拟.结果显示:砂岩在渗流剪切破坏过程中分为稳定变形、亚稳定变形、失稳前兆和失稳破坏等4个阶段;伴随着加载过程,模型中心区域应力发生偏转升高,随之因应力集中而产生少量微裂纹,且拉伸性微裂纹出现时间先于剪切性微裂纹,两者汇合贯通后形成宏观破裂面;声发射活...     

页岩渗流-损伤演化特征试验研究

页岩属于低渗致密岩石,页岩储层渗透性是页岩气开采过程中的关键问题,基于岩石力学三轴渗透性试验,研究黔北下寒武统牛蹄塘组页岩渗流-损伤演化过程的特征。试验结果表明:页岩渗透率的变化与损伤作用与应力状态有着很强的关联性,页岩损伤演化过程存在不同阶段性特点,损伤主要发生在弹塑性变形阶段与在应变软化阶段;页岩渗透率演化落后于页岩损伤破坏演化过程;中等围压条件下试样出现局部变形带压缩带,造成页岩渗透率有一定程度的减小,压缩带是造成了页岩渗透率演化过程落后于页岩损伤破坏演化过程的原因。     

裂隙红砂岩冻胀力特性试验研究

裂隙岩体冻胀现象在富水岩层冻结工程中普遍存在,冻胀力易使得岩体裂隙尖端应力集中而产生新的微裂纹,微裂纹扩展贯通导致岩体发生不同程度破坏。为揭示裂隙岩体冻融损伤演化机制,探究以冻胀力驱动下的岩体裂隙扩展规律,利用超薄型电阻式压力传感器、温度传感器、低温恒温箱组成的冻胀力测试系统对不同冻结速率、不同裂隙尺寸、倾角以及不同边界条件下红砂岩贯通裂隙中的冻胀力进行测试,分析了贯通裂隙中冻胀力演化规律、冻胀劣化机制以及冻胀破坏模式。结果表明:含贯通裂隙试样典型冻胀力演化过程分为初始冻结阶段、迅速上升阶段、卸荷阶段、维持阶段、消散阶段;冻胀作用使得贯通裂隙端部附近出现明显裂纹扩展现象,试样整体呈竖向张拉破坏;贯通裂隙最大冻胀力随隙宽呈单指数函数增长、与温度成线性正相关;冻结过程中,试样边界条件对裂隙冻胀力影响显著,刚性约束边界条件下最大冻胀力达到1. 27 MPa,融化过程中,不同边界条件对应不同冻胀力跌落现象;低温条件下贯通裂隙红砂岩冻胀力变化特征与冻胀过程中声发射能量变化规律一致,充分验证了冻胀力对贯通裂隙岩体的损伤劣化作用。研究成果可为裂隙岩体冻胀力理论计算与数值分析、冻融损伤机制、冰-岩耦合特性以及煤矿立井冻结壁设计等提供参考。     

峰后破裂岩石加、卸载围压过程渗流特性的试验

针对岩石裂隙面因加、卸载围压环境而引起渗流特性的改变,采用自行研制的温度-应力-渗流多场耦合岩石三轴试验系统,开展峰后破裂岩石加、卸载围压过程的渗流试验,研究峰后岩石裂隙在不同围压加、卸载路径下的非线性渗流特征。为了量化裂隙岩石非线性渗流过程,采用Forchheimer公式对水力梯度与渗流流量之间的关系进行拟合分析,将峰后破裂岩石渗流过程划分为线性Darcy流阶段与非线性Darcy流阶段,引入非线性影响因子E,作为区分达西流与非达西流的临界点。对比加、卸载围压过程中相同渗透压力下的裂隙渗流流量与裂隙渗透性,分析产生渗流差异性的发生机制。研究表明:峰后破裂岩石在围压的加载过程中,其渗流主要表现为非线性特征,裂隙的渗透性随围压增大而逐渐减小。在高围压作用下,虽然裂隙面会产生一定程度的压缩闭合,但存在的少量张拉裂隙会逐渐扩展和连通,可能会引起峰后破裂岩石的渗透性发生改变。当围压从较高水平卸荷后,且裂隙面渗透压力处于较低水平下时,裂隙渗透性没有增加反而减小,表明裂隙面在加、卸载围压和过流冲刷的共同影响下发生了不可逆的变形,导致裂隙面开度的逐步降低。当围压卸载到与加载过程同一水平时,各级渗透压力下的渗流流量均大幅下降,表明裂隙面的渗流能力的恢复存在明显的滞后效应。     

基于颗粒流的砂岩三轴破裂演化宏-细观机理

以重庆地区砂岩的三轴压缩试验应力-应变曲线为基准,完成了二维颗粒流PFC2d数值砂岩试样的细观参数标定。针对0.5~20 MPa围压下数值砂岩在双轴试验中的宏观力学响应,从试样内部位移、3种类型裂纹(总裂纹、拉裂纹和剪裂纹)的数目演化和角度分布等细观层面进行了解释。研究结果表明：PFC2d数值试样能代表物理砂岩的主要宏观力学特性;试验过程中,试样内3种裂纹数目均呈“S”型累积,其突变点与宏观应力-应变曲线的弹、塑和破坏特征点对应;随着围压增大,由试验过程中剪裂纹始终占主导逐渐变为拉裂纹始终占主导,拉裂纹的占比逐渐增大;对于整个试样和破裂带,破裂带内拉裂纹的占比始终高于整个试样;总裂纹和剪裂纹角度分布的主方向明显,与加载方向相同;拉裂纹的角度分布较为均匀,在加载方向、破裂面及共轭破裂面方向的集中度相对明显。