断层破碎带岩体孔隙结构表征与非线性渗流特性

为揭示煤矿开采断层破碎带突水灾害发生机理，有必要深入研究断层破碎带岩体的孔隙结构和渗透特性。研制了破碎岩体渗流-应力耦合试验装置，提出了应力作用下级配破碎岩体孔隙结构测试和渗流试验方法，研究了应力和级配对破碎岩体孔径分布特征、孔隙分形特征和非线性渗流行为的影响规律，构建了基于核磁共振的承压破碎岩体渗透率预测模型。试验结果表明：(1)颗粒分形维数为2.6的连续级配和间断级配破碎岩体的孔径分布均为三峰结构，级配破碎岩体中小颗粒的缺失会导致孔隙率和最大孔径增大，降低破碎岩体的压缩性，增大应力可促使渗流孔向束缚孔转变，降低破碎岩体的压缩性。(2)渗流孔隙率对级配破碎岩体渗透率起主导作用，束缚孔隙率对渗透率的影响较小，增大应力会降低破碎岩体渗透性，大颗粒的缺失会导致级配破碎岩体渗透率减小。(3)连续级配和间断级配破碎岩体的非线性渗流特性均可用Forchheimer方程描述，应力影响下破碎岩体的渗透率和非Darcy流β因子变化趋势相反，小颗粒的缺失会导致级配破碎岩体非Darcy流β因子减小。(4)构建了基于核磁共振的级配破碎岩体渗透率预测模型，通过剔除束缚孔的影响并引入渗流孔的加权贡献，可显著提高...     

三轴应力下胶结破碎煤岩体渗流稳定性

岩块间胶结结构的破坏是陷落柱诱发煤矿突水事故的重要因素之一。为研究胶结破碎煤岩体在三轴承压下的渗流稳定性,分别制作10组含有不同级配结构的煤样,利用自主设计的三轴渗流试验系统对胶结破碎煤岩体的渗透率k、非Darcy流β因子和失稳临界值进行试验测定。结果表明:1)不同Talbot指数n所对应的胶结破碎煤岩体孔隙结构不同,承压变形时其渗透率与有效应力满足函数关系:k=ae~(bσ_c),说明快速压密阶段主要影响的是初始孔隙率,后续结构重调整阶段骨架颗粒发生了剥落、破碎;2)当渗透率k下降到10~(-10)m~2以下、或非Darcy流β增加到10~6 m~(-1)时,都会引起渗流系统失稳,说明两者数量级的改变可诱发β因子突变到负值,其符号的变化可作为煤岩体渗流失稳的临界条件;3)高应力水平状态下,60%的级配结构在渗流过程中均出现失稳阶段,说明渗流参数是否满足βk~23.90×10~(-12)m~3,可作为预测煤矿突水事故的重要依据。     

沁水煤田承压破碎无烟煤气体渗透特性试验研究

充分掌握采空区垮落带瓦斯运移规律,对提高煤层气抽采效率具有重要意义。为揭示老空区抽采中后期破碎无烟煤的瓦斯渗透规律,利用自主设计研发的破碎煤岩体压实-渗透试验装置,对0.32～0.63 mm粒径破碎无烟煤开展试验。研究结果表明：以动态渗透过程中气体压力及流量的变化趋势为依据,气体在破碎无烟煤中的渗透可划分为两种模式;老空区煤层气抽采中后期低雷诺数下破碎无烟煤中气体运移存在拟启动压力梯度,且空隙率越小所需要的拟启动压力梯度越大;破碎无烟煤渗透率与气体压力呈对数正相关,且随空隙率降低呈指数函数减小;随着轴向应力的增加,破碎无烟煤由弹性变形转化为非弹性变形,此时空隙率对轴向应力的敏感程度降低。     

基于CT扫描的承压破碎石灰岩空隙结构演化特征

为探究承压破碎石灰岩内部空隙的空间演化特性，对不同应力状态下的破碎石灰岩开展了CT扫描重构，通过图像优化处理及三维重构技术，实现了破碎石灰岩内部空隙的可视化、定量化表征。研究结果表明：颗粒在应力作用下发生了再破碎，二次破碎颗粒逐渐“填充”到空隙中，造成颗粒间空隙的减小；随着应力的增大，颗粒间的空隙不断被挤压、分割，导致各层位的空隙数量增多，且上部层位增加幅度尤为明显；应力带来颗粒再破碎的同时直接影响着破碎石灰岩空隙结构的演化特征，随着应力的增大，试样整体空隙率呈线性减小趋势，而应变增大速率逐渐减小，直至趋于稳定；承压破碎石灰岩空隙结构存在着明显的分层演化特性；同一应力下，空隙率在不同层位大小依次为下部层位、中部层位、上部层位，即距离施力端越近，颗粒再破碎行为及空隙率减小程度越明显。     

破碎煤岩体瓦斯-水相对渗透特性试验研究

为探究瓦斯抽采钻孔孔周破碎煤岩体中瓦斯-水相对渗透特性,利用自主研发的破碎岩体气液耦合渗透试验系统,采用稳态渗透法开展了瓦斯-水耦合渗透试验,得到了煤样渗透参数随渗透压和轴向压力的变化特征,并分析了渗透参数间的相互影响关系。结果表明：承压破碎煤岩体孔隙度随轴向压力的增加呈快速下降、缓慢下降和趋于稳定的阶段性特征;随着含水饱和度的增加,煤样气体相对渗透率快速下降,水相对渗透率线性上升,气体和水相对渗透率表现出竞争关系,且气体渗透率对于含水饱和度的敏感程度更高;气体和水的总渗透率随有效应力的增加而减小,服从指数函数关系,有效应力会影响破碎煤岩体孔隙结构的变形过程,随孔隙度的减小,气体有效渗透率降低,相对渗透率增加;渗透压对于水和气体相对渗透率的影响可分为气体占优阶段、等渗阶段和水占优阶段,临界渗透压取值范围为0.4～0.6 MPa。     

多因素叠加作用下煤储层渗透率的动态变化规律

分析了煤储层渗透率的主要影响因素,讨论了有关黏性渗流的基本理论问题。在不同轴压、围压和气体压力梯度下,对山西晋城矿区原状无烟煤煤样进行了三维应力场的CH 4渗流实验,计算并分析了有效应力、煤基质收缩、气体滑脱效应等因素对渗透率的影响及其叠加作用的表现。认为吸附态的CH 4分子组成了煤储层孔-裂隙气体渗流的边界层,滑脱效应存在于边界层以外,煤储层渗透率的动态变化是有效应力、煤基质收缩效应和滑脱效应叠加作用的结果,渗透率在压力梯度0～0.1 MPa阶段衰减最为显著,滑脱效应对渗透率的贡献远小于基质收缩效应,且随着压力梯度的增大而几乎可以忽略。     

混合粒径散体岩石非线性渗流的试验研究

由于渗流引起的动力灾害多发生在破碎岩体中,因此研究破碎岩体的渗流特性是非常必要的。利用MTS815.02岩石力学试验系统及破碎岩石渗透仪,采用稳态渗透法和轴向位移控制法测定了混合粒径的煤、煤矸石及灰岩在承压过程中非Darcy流的渗透特性,得到了渗透特性随孔隙率的变化规律。研究结果表明:混合粒径破碎岩体中的渗流为非达西渗流,混合粒径岩石在压实过程中随孔隙率φ的减小渗透率k逐渐减小、非达西流β因子变大,渗透率的量级为10-14～10-13 m2,而非达西流β因子的量级为1010～1011m-1,该研究可为解决破碎岩石渗流的工程问题提供一定的参考。     

基于雷诺数的级配结构破碎 煤样渗流失稳特征研究

为获得不同级配结构下破碎煤岩体渗流失稳特征,本文采用自主研发的破碎样渗流试验系统,研究了位移与渗透压改变时不同级配结构下破碎煤样的渗流参量及雷诺数变化规律,通过两者变化规律分析得出渗流失稳临界特征值。结果表明:1)试验过程中4组破碎煤样的渗流速度与压力梯度关系均呈现非线性特征,骨架密实结构破碎煤样渗透率最大,非达西因子最小,悬浮密实结构破碎煤样渗透率最小,非达西因子最大,骨架空隙结构破碎煤样渗透参量受孔隙率影响变化较大;2)各组破碎煤样的雷诺数最小为0.1,最大为12.66,其中以悬浮密实结构破碎煤样雷诺数最大,骨架密实结构破碎煤样雷诺数最小,骨架空隙结构破碎煤样雷诺数变化小。研究可见,破碎煤样发生渗流失稳时存在临界特征值,悬浮密实结构以及骨架孔隙结构破碎煤样渗流失稳临界雷诺数为3,骨架密实结构破碎煤样临界雷诺数为5。     

承压状态下破碎砂岩气体渗透率试验研究

考虑破碎岩体中气体渗流的非达西效应,依据气体渗流的非线性动力学方程,推导了破碎岩体中的一维稳态气体渗流的压力场分布规律,即沿着渗流方向,气体压力的平方呈线性下降。结合气体渗流试验数据,计算了不同粒径、荷载条件下的破碎砂岩气体渗透率。结果表明:岩石破碎程度越高,其对气体的传输能力就越弱,气体渗透率越低。     

级配破碎煤岩体压实过程中再破碎特征研究

为研究承压破碎煤岩体压实与再破碎特征,根据破碎煤岩体的力学特征与孔隙结构的稳定性将破碎煤岩体的压实变形过程分为塑性失稳、应力恢复与类原岩应力3个阶段,再通过获有专利权带侧限的破碎煤岩体压缩实验系统以分级加载的方式对不同Talbol指数n的破碎煤样进行压实试验.研究表明:在整个压实过程中,由煤样颗粒位移重组引起的变形大于...     

垮落带破碎煤岩样循环加卸载渗流特征实验研究

在煤层群开采过程中,前期开采煤层形成的采空区垮落带将会受到后期开采煤层的重复扰动,垮落带内的破碎煤岩体将会进一步破碎,进而影响瓦斯在采空区中的运移情况。本文简要总结了国内外针对采空区垮落带内应力、孔隙率、渗透率等参数随着工作面推进的变化关系的研究成果,给出了采空区压实过程中应力及渗透率的预测方法,并在此基础上进行了不同煤岩比例的破碎煤岩样重复加卸载的渗流实验。实验结果表明:颗粒的再次破碎及结构调整,是破碎煤岩样孔隙空间大幅度减小、渗透率损失的主要原因;破碎样(煤岩样)的强度决定渗透率的应力敏感性,组合煤岩样中煤的比例越大,渗透率的应力敏感性越高,渗透率越小;随着加卸载次数的增加,应力敏感性逐渐减弱。最后,根据实验结果给出了不同加卸载阶段破碎煤岩样的应力-渗透率计算模型。     

煤岩体相似材料变形特性及渗透特性试验研究

通过制作煤岩体相似材料,利用重庆大学自主研发的含瓦斯煤岩热流固耦合三轴伺服渗流装置,研究了三轴应力状态下的变形特性及其渗透特性的关系。研究表明:煤岩体相似材料的力学性质和煤岩体存在一定的相似性;试件的渗透特性与其变形性质有关,渗透率与体积应变有关,体积应变增大渗透率降低。     

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。     

载荷作用下煤体变形与渗透性的相关性研究

利用含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置,进行了不同气体压力作用下煤样全应力应变过程的瓦斯渗流实验。实验结果显示,煤样渗透率与变形之间存在内在关联,渗透率变化呈现阶段性特点。基于考虑气体吸附性的含瓦斯煤有效应力,建立了加载煤样变形与渗透率的相关性模型,研究受荷煤样变形与瓦斯渗流的相互关系。理论分析表明：当应力控制边界条件时,渗透率与煤样变形密切相关;煤样渗透率的变化受到有效应力、煤样变形模量、孔隙率和气体吸附性的共同作用;有效应力系数是联系煤样变形和渗透率的关键参量。由于理论计算结果与实验曲线较为接近,因此模型反映了不同瓦斯压力下加载煤样变形与渗透率变化的基本特征。     

微米CT扫描尺度下构造煤微裂隙结构特征及其对渗透性的控制

煤中裂隙是煤层气运移的主要通道，是影响和控制煤储层渗透性的直接因素。我国构造煤普遍发育，不同类型构造煤中裂隙特征差异显著，对煤储层渗透性的影响也不一样。因此，对构造煤中裂隙与渗透性的研究十分必要。选取河南平煤十三矿和山西晋城胡底矿中、高煤阶的2种变形程度构造煤，首先利用环氧树脂制作了柱状构造变形煤样品，解决了构造变形煤制样难的问题；其次通过扫描电镜、微米CT扫描结合数字图像处理技术展现了2种构造煤中开度大于15μm裂隙的发育特征、分布规律、形态与结构的差异性；最后基于泊肃叶定律、三轴渗透实验结合CT扫描裂隙结构参数建立了渗透率预测模型，并探讨了裂隙结构对渗透性的控制机理。研究结果表明，在开度>15μm尺度下弱构造变形煤(偏向原生结构煤)多发育形态简单的大裂隙，裂隙连通性与连接强度均较差，而强构造变形煤中微裂隙形态复杂，裂隙的连通性与连接强度均较好，强构造变形煤的裂隙率大于弱构造变形煤。2种构造煤渗透率随有效应力增大均呈负指数下降趋势。煤储层渗透率受多因素综合控制，包括裂隙开度、数量、体积、连通性与连接强度，其中裂隙开度的影响最为显著。在此基础上，综合考虑到这些控制渗透率的因素以及...     

不同应力对煤自然氧化的影响规律试验研究

为研究应力对煤自然氧化的影响规律，设计1套应力对煤自然氧化影响规律试验装置，通过该试验装置对煤样施加不同应力模拟采空区破碎煤体在承压环境中受压变形、温度及气体体积分数变化特征，定量分析不同应力作用下破碎煤体相关参数的变化规律。研究结果表明：升应力作用阶段破碎煤体较恒应力作用阶段受压变形、升温幅度更为明显且煤体升温速率与位移变化速率大小正相关，进一步验证了应力对于煤体自然氧化具有促进作用；破碎煤体在不同应力作用下煤自燃倾向性进一步加剧，煤体内分子更易氧化，从而导致CO、CH₄的产生；根据试验所测CO体积分数，从而推断有煤氧复合反应和煤体机械破碎激活脱碳2种产生途径。     

应力环境对煤岩吸附变形和渗透率的影响试验研究

注入CO_2增强煤层气开发过程中,煤储层渗透率的变化受有效应力变化、气体吸附/解吸引起的煤基质膨胀/收缩和气体滑脱效应耦合作用影响;为此,采用稳态法进行CH_4、CO_2渗流试验,研究不同应力环境下煤的吸附应变和气体滑脱效应对CH_4、CO_2渗流过程的影响。试验结果表明:相同应力环境下煤吸附CO_2产生的最大吸附应变为CH_4的1.01～2.39倍,使得CH_4在为煤中渗透率始终高于CO_2;同时随着埋深增加,外部应力增大,吸附应变减小;低应力环境下渗透率随气体压力减小呈"V"字形变化,随着外部应力增大,渗透率与气体压力呈负指数相关;此外,外部应力增大还将强化气体滑脱效应影响,使其更早的主导渗透率的演化。     

采动煤岩体瓦斯渗流-应力-损伤耦合模型

基于摩尔-库伦屈服准则构建了煤岩体弹塑性损伤本构模型,以损伤变量为过渡变量构建了采动条件下煤岩体渗透率-损伤演化方程,运用采动岩体力学、渗流力学、损伤力学等理论建立了采动煤岩体瓦斯渗流-应力-损伤耦合模型,采用FLAC3D软件设计出采动煤岩体瓦斯渗流-应力-损伤耦合计算程序,将所建立的采动煤岩体瓦斯渗流-应力-损伤耦合模型对顾桥煤矿远距离保护层开采下的瓦斯渗流规律进行了数值模拟研究。结果表明,受采动影响被保护层透气性系数为原始透气性系数的1 760倍,瓦斯压力由原来的2.8 MPa降低到0.6 MPa,消除了被保护层的煤与瓦斯突出危险性。     

破碎岩体应力-渗流耦合模型及数值模拟研究

为了解决地下矿山岩体防渗及顶底板突水问题,设计破碎岩体应力-渗流耦合试验,分析岩体破坏特征及渗透率变化特征,并揭示应力-渗流耦合试验中岩体的致灾演变规律;结合D-P准则演化推导岩体应力-渗流耦合力学模型,从力学角度解释岩体破坏过程;推导应力-渗流耦合模型在FLAC3D中的有限差分程序,实现耦合模型的二次开发应用.研究表明:岩体的渗透率变化规律可划分为4个阶段(孔隙压密阶段、弹性变形阶段、塑性强化变形阶段及破坏后阶段),其中在塑性强化阶段渗透率产生明显提升并持续增长;增大孔隙水压,岩体泊松比上升,弹性模量下降,破坏角减小,岩体弱化效果明显,破坏形式由主剪切破坏逐渐向次生裂隙的张拉剪切破坏过渡;增大孔隙水压,模型参数F0和m分别以指数形式减小和增大,岩体峰值强度降低,高压水的存在使得岩体劣化程度增加,增大了裂隙发育程度,从而导致突水致灾危险性增加.     

破碎岩体非线性渗流突水机理研究现状及发展趋势

在收集整理国内外相关资料的基础上,从非线性渗流理论方程、非Darcy渗流试验和非线性渗流数值模型方法等方面总结目前破碎岩体非线性渗流突水研究现状,认为破碎岩体渗流具有突水通道的非Darcy渗流特性、3种流场(Darcy层流、非Darcy高速流及Navier-Stokes紊流)动力学系统的统一性和突水3要素(含水层水源的Darcy流、突水通道的非Darcy流和开采扰动作用)中的应力扰动特性。据此,提出了破碎岩体非线性渗流突水机理研究的发展趋势:从矿山采动岩体渗流突水3要素这一渗流特征出发,通过试验和现场测试研究不同围压、水力梯度和流速条件下破碎岩石渗流规律,建立考虑应力作用的耦合Darcy,Forchheimer和Navier-Stokes方程混合流场的模型,提出有限单元弱形式和有限体积法耦合积分解算混合流场方法,把采动应力作用下含水层、冒落岩体破碎带和巷道整个突水水流路径连接在一起,Forchheimer流域的边界流量压力是动态变化的,可以有效解决破碎岩体非线性渗流模型存在的问题,能比较合理模拟采动应力作用下矿山突水瞬态流动全过程。