三轴应力作用下破碎煤体渗透特性演化规律

深部破碎煤岩体受地应力和开采扰动常处于三向应力状态,其渗透特性是影响矿井突水灾害预防和瓦斯抽放的重要因素之一。为研究深部破碎煤体的渗透性能,采用自主研发的破碎岩石三轴渗流试验系统,并设计一套破碎煤体三轴渗流试验方案,进行三轴应力作用下破碎煤体渗流试验,得到破碎煤体渗透特性随围压及孔隙率的演化规律。试验结果表明:①三轴应力作用下破碎煤样渗流雷诺数最大值为47. 58,渗流速度与孔压梯度两者之间符合Forchheimer关系;②三轴应力作用下破碎煤样的孔隙率与围压的变化规律呈负相关,各级轴向位移下,两者服从对数函数关系;③随着有效应力的增大,各粒径下的破碎煤样孔隙率逐渐减小,破碎煤样孔隙率的理论计算值与试验结果较为吻合,表明文中给出的孔隙率计算方法可行;④各级轴向位移下,破碎煤样的渗透率随围压增大而减小,不同粒径的破碎煤样渗透率随围压的演化规律可用k=me~(nσ3)公式表示,颗粒粒径越大,破碎煤样的渗透率随围压的变化越敏感;⑤颗粒粒径及孔隙排列方式影响破碎煤样渗透性能,不同粒径破碎煤样随孔隙率的减小,渗透率整体减小,非Darcy流β因子呈增大趋势,其中渗透率的量级为10~(-14)～10~(-10) m~2,非Darcy流β因子的量级为10~7～10~(11)m~(-1)。所得研究结论有助于增强深部破碎煤岩体渗透特性演化规律的认识。     

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。     

含瓦斯煤的力学特性及渗流规律试验研究

采动裂隙场瓦斯流动是实现深部煤与瓦斯共采的基础。采用WYS-800微机控制电液伺服三轴瓦斯渗流试验装置,对平朔井工一矿14106工作面煤层进行了含瓦斯煤的力学特性和瓦斯渗流试验。结果表明:常规三轴不同瓦斯压力条件下,全应力-应变曲线分为4个阶段:初始压密阶段、线性弹性阶段、屈服阶段、破坏阶段。煤样的渗透率随轴向应变先减小后增大,最后趋于稳定;煤样的偏应力-应变和渗透率-应变曲线呈现相反的趋势,而且常规三轴压缩煤样破坏后渗透率增加量比较少。常规三轴不同围压条件下应力-应变曲线也主要表现为4个阶段。随围压值增大,三轴抗压强度呈线性增加趋势;在相同轴向载荷作用下,煤样所受围压越大,渗透率就越小。从不同围压条件下轴向应力-轴向应变和渗透率-轴向应变曲线可以看出,渗透率随着轴向应变的增大先降低后升高,煤样的峰值强度随着围压升高而增大。     

围压下煤储层应力-应变、渗透性与声发射试验分析

煤储层应力-应变、渗透性与声发射特征是煤储层压裂改造和产能评价研究的基础,声发射技术作为研究煤、岩石类材料失稳、破裂及其演化过程有效方法,已被广泛应用。采用沁水盆地西山矿区石炭系太原组8号煤层样品开展了不同围压下煤样应力-应变、渗透性与声发射试验研究,揭示了围压对煤的应力-应变、渗透性和声发射的影响及其控制机理。研究结果表明,基于煤样全应力-应变-渗透性-声发射特征,将煤的变形破坏过程划分为孔隙压缩与弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏失稳阶段3个阶段。在孔隙压缩与弹性变形阶段,荷载作用初期煤中孔隙-裂隙逐渐被压密,煤样渗透率下降,进入弹性变形阶段,煤样渗透率较低,声发射活动不明显。在塑性变形阶段,随着轴向应力的增大煤中裂隙扩展,煤样渗透率增大,声发射活动强度明显增高并达到峰值。破坏失稳阶段,煤的轴向应力随应变的增加而降低,煤样渗透率开始下降,声发射强度也逐渐降低。煤的轴向破坏荷载和有效弹性模量以及残余强度均随围压的增高而增大,煤样的初始渗透率、峰值渗透率和残余渗透率以及累计声发射振铃计数均随着围压的增加而降低。不同围压下煤样应力-应变、渗透率和声发射特征是不同围压下煤的破坏机制所致。     

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。     

热-力耦合作用下煤岩体渗流特性研究北大核心

煤层开采深度增加导致地温和应力增大,影响了煤样裂隙发育和渗流特性。为了研究热-力耦合作用下煤岩渗透过程中形变及渗透性变化特征,采用MTS815测试系统测试了50、100℃下6组煤样的全应力-应变过程中的渗透性。结果表明:温度为50℃时煤样抗压强度随围压增加而增加,4 MPa围压作用下煤样峰值偏应力达3.6 MPa,煤样轴向、环向应变均达到2%以上,表现出较高的延展性;温度为100℃时煤样抵抗变形能力下降,随围压增加,其峰值偏应力增加至4.9 MPa,煤样应变增长的速率加快;围压4 MPa、温度100℃时,煤样峰值渗透率达到3.5×10-11 m2;煤样加载过程中原始和新生裂隙扩展,孔隙连通性增强形成复杂的裂隙网络,热力效应使煤样渗流裂隙体积增加,渗透率增加。     

煤岩固液耦合应变－渗透率试验

采用MTS815岩石伺服试验系统进行了煤样全应力应变过程中的渗透性试验.试验结果表明,煤岩的应变－渗透率变化曲线与其全应力－应变曲线变化趋势基本一致,但表现出相对“滞后”的特点,表明渗透率的变化与其损伤演化过程密切相关,同时煤体通过其内部裂隙的渗透需要一定的时间过程,煤岩体达到峰值强度及之后的软化阶段,即损伤变量达一定值时,渗透率出现峰值.根据试验结果,拟合得出了煤岩应变－渗透率分段曲线方程.由于煤岩微孔隙裂隙相对较发育,其渗透率受有效围压的影响较明显,随有效围压增大,煤岩渗透率总体上呈下降趋势,这主要与煤岩中发育的原生裂隙受围压压密闭合以及限制了新生裂隙的扩展和张开度有关.     

淮南矿区典型煤岩体全应力—应变渗透性表征试验

煤岩体是一种多孔介质,地下开挖使岩体的应力状态发生改变,导致岩体的力学性质和渗透性质发生改变,围岩应力状态和渗流场特性是获取储层瓦斯气、评价或计算矿井涌水量、防突水危害等具体工程问题的理论基础和科学依据。通过对淮南矿区煤岩进行三轴压缩全过程渗透性试验,分析了煤岩变形破坏全过程以及不同围压和瓦斯压力下的瓦斯渗透特性。得出煤岩全应力—应变曲线与煤岩瓦斯渗透率—全应力应变曲线之间的对应关系。结果表明:在微型裂隙闭合和弹性变形阶段,煤样渗透率随应力增大而减小,进入屈服阶段后,渗透率达到最小值并在峰值后呈持续增大之势;固定瓦斯压力作用下,煤样应力峰值随着围压的增加而逐渐增大,煤样渗透性与围压关系呈指数函数变化规律,且表现出应变滞后的特点;固定围压作用下,渗透率与瓦斯压力关系呈“V”字型走势,即在扩容阶段煤岩样渗透性达到最佳。     

砂岩全应力-应变过程气体渗透特性实验

以CO₂气体为介质,运用自制含气岩石力学试验系统对平顶山煤业集团一矿砂岩全应力-应变过程中的气体渗透特性、围压对砂岩渗透特性的影响进行了实验研究.试验结果表明：全应力-应变过程中砂岩渗透率变化具有明显的阶段性,且应变滞后性明显;峰后砂岩渗透率明显大于其起始渗透率;随着围压的增加,相同应变下砂岩试件的渗透率呈减小趋势,砂岩渗透率的变化率也趋于减小.     

煤岩体全应力应变渗透性试验及主控因素分析

对影响渗透性的若干关键因素开展试验研究。系统分析了不同围压下、不同瓦斯压力和不同应力-应变状态下煤岩样的渗透特性,建立了煤样的渗透性与围压、瓦斯压力和应力应变等主要控制因素之间的定量关系,探讨了不同载荷条件下煤样的控制机制和变形规律。研究结果表明:固定瓦斯压力下,煤样渗透性随围压的增大而减小,服从指数函数变化规律;固定围压作用下,受Klinkenberg效应影响,渗透率与瓦斯压力关系呈"V"字型走势;在微型裂隙闭合和弹性变形阶段,煤样渗透率随应力增大而减小,进入屈服阶段后,渗透率达到最小值并在峰值强度到达之前完成反超过程。     

无烟煤型煤和原煤的渗透特性对比研究

通过搭建渗流实验平台,选取焦作矿区具有代表性的无烟煤型煤和原煤煤样,研究了煤体渗透性实验中型煤和原煤的差异。同时,在改变围压、气体压力等单一条件下,研究了不同围压和气体压力对型煤和原煤渗透性的影响差异;以及在固定围压和气体压力时,在施加轴向应力加载的条件下,对比分析了应力变化过程中型煤和原煤的渗透率变化。结果表明,型煤的渗透性在围压和气体压力变化时趋势相近,但在应力加载过程中有较大差异,渗流实验中煤样的选取对结果有着较大的影响。     

不同应力组合条件下煤岩渗透率的试验

利用自制含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置,对煤岩在不同轴压、围压和瓦斯压力组合下进行渗流试验,研究不同围压和瓦斯压力组合下的全应力-应变及在不同应力组合下煤岩渗透性的影响规律。结果表明：煤岩的渗透率随体积应力变化有三个阶段;在轴压和瓦斯压力一定的条件下,渗透率随着围压的增加而减小,且与围压呈二次曲线关系,围压对渗透率的影响比轴压大;在轴压和围压一定的条件下,渗透率随着瓦斯压力的增加先减小后增大,且与瓦斯压力呈三次曲线关系,渗透率减小阶段滑脱效应占主导地位;在一定瓦斯压力和相同体积应力下,渗透率随轴压的增加而增大,随围压的增加而减小,而且呈线性规律。     

上保护层开采下煤岩强扰动力学行为与渗透特性

保护层开采在低渗透高瓦斯近距离煤层中得到广泛应用,研究保护层开采扰动下的煤岩强扰动力学行为与渗透特性为进一步更加高效安全的开采被保护层煤层提供了理论支持。选取平煤集团十二矿上保护层己14煤层工作面己14-31010和被保护层己15煤层工作面己15-31030为研究对象,进行相似模拟试验和保护层开采过后被保护煤层受力分析。通过相似材料模拟试验获取保护层开采方式下被保护层的受力情况,上保护层开采过程中,煤层压力先增大后减小,采空区重新压实稳定后,应力状态近似恢复到原岩应力状态。通过对保护层开采后的被保护煤层受力分析获取煤层变形后的应力状态,上保护层开采过后,被保护层煤层产生变形,煤层上部分膨胀变形,应力小于原岩应力;下部分煤层压缩,应力大于原岩应力。结合二者的结果获取保护层开采方式下室内试验中被保护层煤层应力加载路径。依据被保护层煤层应力加载路径,设计进行采动耦合应力路径下的煤样渗流试验。试验结果表明:上保护层煤层开采过程中,同等试验条件下,被保护层煤层可承受的上保护层开采扰动应力越大,被保护层煤层开采过程中的煤体破坏应力峰值越大,体积应变越大;被保护层煤层开采过程中,M组煤样和N组煤样应力应变曲线与常规保护层卸荷三轴试验相比,扩容点出现位置明显提前;同等应力状态下,水压越大,煤样的体积应变越大;被保护层煤层开采过程中,M组煤样初始围压为35 MPa,围压对渗透率的影响大于轴压的影响,N组煤样初始围压为20 MPa,围压、轴压交替对渗透率产生主要影响,渗透率曲线呈现"W"型。两组试验中,扰动应力最大的试样破坏前的渗透率普遍大于其他试样的渗透率。     

煤体渗透性试验研究

针对水压力对煤体渗透性的影响问题,采用相对渗透系数Kr作为主要参照量,运用实验方法,研究了煤体在不同水压力下的渗透系数Kr,以及轴向应力σ与水压力H的关系。实验结果表明:在静水压低压注水过程中,试验各煤样的渗透系数Kr均较小,煤层注水压力H对煤注水渗透性Kr有显著影响;在注水压力H从低压到高压的连续加载过程中,各组煤样的渗透系数Kr随之呈现连续增加的趋势,煤样轴向压力σ在减小,并且存在临界注水压力H临界;煤体破坏时,临界水压力H临界大于轴向围压,试件出现拉伸破坏,发生裂隙扩展导通泄水现象;以水压力H为基本变量的指数函数σ=a2H+b2和多项式函数Kr对渗透系数σ及轴向应力的变化有较好的拟合性。     

不同瓦斯压力条件下含瓦斯煤的渗透特性试验研究

为探讨瓦斯压力对含瓦斯煤渗透特性的影响,通过含瓦斯煤的三轴剪切试验,获得试件在进行三轴渗流试验时始终处于稳定应力状态的轴向应力和围压的合理取值,在此基础上,以贵州松河煤矿8号煤为剖析对象,利用自主研制的出口压力可调的三轴渗透仪进行了有效应力和温度恒定、不同瓦斯压力条件下的三轴渗流试验。结果表明:当瓦斯压力恒定时,含瓦斯煤试件的抗剪强度随着围压的增加而增加;当有效应力、温度和试件两端压差恒定时,渗透率以指数关系随着间隙气压的增加而下降;当有效应力、温度和间隙气压恒定时,渗透率随着两端压差的增大而减少。试验结果为地面煤层气开发和井下瓦斯抽采提供了有力的技术支撑。     

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。     

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。     

分阶段卸载条件下突出煤变形特征与渗流特性

为研究下保护层开采过程中采动应力作用下含瓦斯突出煤的渗流特性,利用自制的三轴渗流试验机,进行了恒定轴压卸围压、增大轴压卸围压、轴压围压同时卸载等3种不同加卸载条件下的分阶段卸围压煤样瓦斯渗流试验。试验结果表明:试验中煤样的变形具有明显的阶梯状特性,煤样未破坏时,应变增量随着围压卸载速率的增大而增大。随着围压的卸载,恒定轴压卸围压组和增大轴压卸围压组煤样的偏应力不断增大,其渗透率则呈现出先减小后增大的趋势,而轴压和围压同时卸载组煤样的渗透率则随着围压的卸载,呈现出不断增大的趋势。煤样体积应变变化量较大时,渗透率变化量也大。从能量的角度分析渗透率的变化,发现煤样渗透率均随能量耗散率的增大而呈指数增大。