承压破碎煤体空隙结构演化及渗流特征

为探究破碎煤岩体承压过程中其内部空隙结构演化规律及气体渗流特性，自主研发了破碎煤岩体压实-CT扫描装置，以5～10 mm破碎无烟煤为例，借助CT扫描、图像处理及三维重构等技术，建立了3种应力下的破碎无烟煤空隙网路模型，并在此基础上开展了数值模拟研究。研究结果表明：应力对承压破碎无烟煤空隙尺寸和连通性具有显著影响，空隙体积、孔喉横截面积和平均配位数呈现出随应力的增大而减少的趋势，空隙空间的连通性降低；破碎无烟煤的空隙率和绝对渗透率都随着应力的增加而减小，应力从0达到23.24 MPa时，绝对渗透率减少了1个数量级；由于空隙结构的差异性，气体在破碎无烟煤中的流动存在高流速区和低流速区，高流速区多存在于渗流通道由大变小的区域。研究结果能够为破碎煤岩体中煤层气的高效抽采提供理论参考。     

承压破碎煤体空隙率分形模型及试验研究

为了识别采空区应力加载对破碎煤岩空隙率的影响,基于采空区应力恢复及空隙率对煤自燃影响角度,分析了采空区空隙率对煤自燃发生中的漏风强度、氧气浓度分布、蓄热环境的影响。通过对恒昇采空区破碎煤体的压实实验,测试了其应力应变及空隙率变化特征。结合分形理论,建立了承压颗粒煤分形空隙率模型,明确了分形模型的初始参数,并对实验数据及理论计算数据进行比较。结果表明：(1)在应力作用下,破碎煤体发生压实变形,造成颗粒级配发生变化,进而造成分型维数增大与空隙率发生变化,说明随工作面推进及采空区应力逐渐恢复状态下,采空区破碎煤体空隙率呈现动态变化;(2)通过测试原始煤样与破碎后煤样粒径分布与级配变化,获得了承压破碎煤体的分形维数,发现承压破碎煤体分形维数增大则说明受载煤样更加破碎,在应力加载状态下其空隙率逐渐减小;(3)通过分形理论与承压破碎煤体的应力应变关系,建立了承压颗粒煤的分形空隙率理论模型,理论计算结果与实验结果误差在0.028～0.106,可满足工程需要;(4)分析了该模型的使用条件,在获得破碎煤岩应力应变函数及应力加载路径的前提下,该模型可对任意状态下的空隙率进行预测。     

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。     

破碎岩石渗流特性及其应用研究

根据采空区岩石的特征,制配破碎岩石岩样,利用MTS815.02岩石力学伺服试验系统及渗透仪完成了破碎岩石的渗流试验,利用1stOpt(First Optimization)软件分别对渗透率和非达西流因子与孔隙率、粒径的关系进行了二元统计分析,分别给出了三者之间的关系式。研究表明,渗透率与孔隙率呈幂次关系,相同孔隙率下,渗透率受粒径影响。根据采空区孔隙率分布情况和试验结果,推出采空区渗透率和非达西流因子的表达式,用VB编程并利用Tecplot9.0软件对数据进行处理,给出了采空区渗透率和非达西流因子的分布图。这对采空区漏风及自燃发火的防治研究具有重要的意义。     

承压饱和破碎岩石颗粒破碎及渗透率演化特征研究

为探求破碎岩体颗粒破碎及渗透率演化规律,对饱和破碎岩石进行侧向受限下的压缩和渗透试验,利用显微CT观察试样内部的孔隙结构形态,引入相对破碎率定量研究岩石颗粒的破碎规律,并分析其与孔隙度和渗透率之间的关系。试验结果表明,颗粒破碎在压实过程中普遍存在并持续改变试样的粒度分布,在轴向应力达到2 MPa时,细小颗粒(0～2.5 mm)大量出现,占最终增加量的44.6%,同时大颗粒(12～15 mm)明显减少,占最终减小量的45.1%;而应力升至12 MPa后,小颗粒(0～2.5 mm和2.5～5 mm)小幅变化,其余各粒径区间内岩石颗粒的质量变化微弱。相对破碎率和渗透率的变化范围分别为0～0.369 3和3.48×10~(-14)～67.16×10~(-14)m~2,且两者的变化过程均可分为2个阶段,即当轴向应力小于4 MPa时,相对破碎率快速增大,占总增幅的65.6%～74.1%,渗透率快速减小,占总降幅的84.4%～91.1%;而当轴向应力大于4 MPa时,相对破碎率缓慢增大并趋于稳定,渗透率缓慢减小并趋于稳定。渗透率与相对破碎率之间关系可用二次多项式函数拟合,相对破碎率可作为评估渗透率的有效参量。初始粒径配比对渗透率有明显影响,在相同轴向应力下,Talbot指数越大,渗透率越小;而初始粒径配比对相对破碎率几乎无影响。     

承压破碎煤体碎胀系数演变特征与机制

利用自制的承压破碎煤体渗流及自燃测试装置,实验测试及分析了破碎煤体在应力、应力-温度、应力-水分不同条件下的碎胀系数的演变特征与机制。研究结果表明：① 煤样随着应力增加,碎胀系数变化具有明显的阶段性,且随应力变化服从负指数变化规律;② 在相同的轴压下,碎胀系数随温度升高而增加,热膨胀效应明显,说明采空区煤自燃的热效应将造成破碎煤体的碎胀系数增大,堆积更为松散;③ 当破碎煤体外在水分含量增加,在相同的轴压情况下,碎胀系数随外在水分增加而增加。说明随着采空区破碎煤体外在水分的增加,破碎煤体的碎胀系数将增大;④ 破碎煤体在应力、热膨胀及湿膨胀作用下,堆积体内部颗粒发生相对移动、二次破碎、颗粒自组织再堆积,致使应力-应变曲线发生变化,进而影响其碎胀系数。     

大粒径破碎岩石承压变形特性

为研究大粒径破碎岩石承压变形特性,研制了大尺寸破碎岩石承压变形试验系统,选取某矿区典型顶板砂岩,考虑垮落区破碎岩石粒径的分布特征和受力状态,进行了正态分布的粒径级配和梯形分级加载试验。试验表明:随轴向载荷增加,破碎岩石轴向变形逐渐增大,残余碎胀系数和空隙率逐渐减小,加载较恒载阶段尤为明显;恒载初期,轴向应变增长较快,而后逐渐变缓并趋于平稳,应变时间历程呈现对数关系;加载阶段,随载荷增大,破碎岩石试样轴向应变差值呈现先减小后增大,恒载阶段,随载荷增大,破碎岩石试样轴向应变差值则呈现先增大后减小;破碎岩石承压后的变形分为瞬时压缩变形和长期压缩变形两个阶段,主要由颗粒位置调整、原始或新生小颗粒滑动填充空隙引起的;破碎砂岩试样以粒径15~20 mm为承压变形过程中的稳定粒径,试验后,粒径15 mm的含量均有增加,粒径20 mm的含量则均有减小,为破碎砂岩试样总质量的16.76%。     

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。     

基于冲击破碎实验的煤体冲击破碎功研究

煤作为一种多孔介质,含有瓦斯的形式是表面吸附,较高的瓦斯含量说明煤中具有较高的吸附潜能。吸附瓦斯转化为游离状态后,才能释放出破碎和抛出煤的能量,因此瓦斯解吸过程对煤与瓦斯突出起到重要作用。从能量的角度,基于煤样的冲击破碎实验,得到煤体破碎功新的数学模型,对煤与瓦斯突出的预测与防治,具有重要的理论价值。     

承压煤体瓦斯解吸-扩散特性实验研究

为了研究承压条件下含瓦斯煤的解吸-扩散特性,建立了受载煤体瓦斯扩散系数的动态演化模型,并采用单孔模型和双孔模型计算了粒度0.25~0.5,0.5~1和1~2 mm煤样在0~12 MPa轴向压力条件下的瓦斯扩散系数。实验结果表明:双孔模型计算结果与实验数据相关性系数均稳定在99.5%以上,拟合效果优于单孔模型,其中,宏观有效扩散系数在10~(-4)s~(-1)数量级上,高出微观有效扩散系数1~2个数量级;瓦斯解吸量、宏观/微观有效扩散系数随轴压升高呈先下降后波动上升的趋势,与受载煤体扩散动态理论模型相符;煤样粒度越大,宏观/微观有效扩散系数对应力越敏感,并且宏观有效扩散系数对应力的敏感性高于微观有效扩散系数;瓦斯解吸量、宏观/微观有效扩散系数随煤样粒度减小而增大。研究结果能为井下构造煤瓦斯扩散规律提供借鉴。     

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。     

煤层高压注水渗透特性试验研究

为了研究不同孔隙水压对煤岩渗透特性的影响规律,利用MTS电液伺服岩石试验系统对深部矿井的煤岩试件进行了不同孔隙水压、尤其是高孔隙水压下的煤岩渗透特性试验。结果表明:渗透率以及体积应变曲线具有较好的一致性,均呈现U字形走势;而在外界条件一定的情况下,孔隙水压对渗透性能以及体积应变的作用效果与该煤岩孔隙水压临界阈值有关,高于临界阈值的孔隙水压对煤岩渗透性能起到数倍于低孔隙水压时的改善作用。此外,孔隙水压对煤岩强度极限亦有重要影响,且孔隙水压愈高,煤岩的破坏强度极限愈低,扩容效果愈明显,渗透率峰值亦愈加后延。研究结果对利用高孔隙水压改善煤岩渗透性能、提高煤层注水防灾效果具一定指导意义。     

含瓦斯煤渗透率各向异性研究

为研究含瓦斯煤各向异性渗流特征,以原煤煤样为研究对象,以含瓦斯煤三轴渗流实验系统为实验平台,开展了含瓦斯煤的各向异性渗流规律的研究,确定了含瓦斯煤各向异性渗透率主值及其方位的计算方法,定义了含瓦斯煤渗透率各向异性率,重点分析了含瓦斯煤渗透率各向异性动态变化规律和瓦斯优势流动方向的转变现象。研究结果表明:煤体瓦斯流动具有非常明显的各向异性特征,本文所提出的含瓦斯煤各向异性渗透率计算方法简单有效;含瓦斯煤具有较强的应力敏感性,其渗透率与有效应力之间符合负指数函数变化规律;含瓦斯煤渗透率的各向异性随有效应力的变化表现出了明显的动态变化发展规律,优势流动方向存在转变现象。     

煤渗透特性及其气体压力敏感性试验研究

为探索煤中孔隙流体压力的变化导致渗透率的改变,引发煤渗透率压力敏感性现象,利用自主研发的出口端压力可调的三轴渗流装置,对贵州3个矿区的煤开展不同吸附性气体与不同气体压力下煤的敏感性试验研究。研究结果表明:在较低气压范围内(0~0.6 MPa),随气体压力的增加,煤渗透率下降明显,当气体压力继续上升煤的吸附作用逐渐趋于平衡,煤体骨架的吸附膨胀变形也越来越小,渗透率的下降速率逐渐减少并趋于平缓。在气体压力小于1.0 MPa时,煤渗透率损害率Dp变化较大,且随气体压力增加快速增大,表现出较强的压力敏感性。不同吸附性气体条件下,气体压力指数关系敏感系数Cp均随气体压力的增加而逐渐减小,煤渗透率对气体压力的敏感性降低。对于同一煤,在相同的条件下,CH4的气体压力乘幂关系敏感系数Sp的值最小,煤对气压的敏感性越差。乘幂关系的气体压力敏感系数Sp与渗透率损害率Dp有很好的线性相关性。     

高阶煤渗透率温度应力敏感性试验研究

煤储层渗透率对温度和应力的敏感性响应,是深部煤储层物性评价的基础参数之一。以山西晋城无烟煤样为研究对象,利用高温覆压孔渗测定仪测定了煤样的孔隙率和渗透率,分析了其对温度和压力的敏感性。结果表明:高阶煤的孔隙率、渗透率与压力呈幂函数式负相关关系,在低压阶段随着压力升高迅速降低,在高压阶段趋于稳定。高阶煤渗透率对温度不敏感,当压力低于2MPa时随着温度的升高而降低,压力高于2 MPa则与温度之间关系不显著。压力是影响高阶煤孔隙率和渗透率的主要因素,而温度对孔隙率和渗透率影响较小。基于曲率分析方法对成庄高阶煤渗透率应力敏感性进行了分析,并与郑庄高阶煤和韩城高阶煤对比显示,成庄矿高阶煤的应力敏感性在低应力位置较强。因此,成庄矿进行煤层气开发时,需制定合理的排采制度,避免渗透率应力敏感性导致的负产能效应。     

吸附作用对煤的渗透率影响规律实验研究

运用自制的瓦斯渗透仪,在不同压差条件下,通过对不同吸附特性煤样、不同吸附性能气体、吸附不同气体含量情况下的煤渗透性实验,研究了吸附作用对煤的渗透率的影响规律.结果表明：吸附作用越强、吸附瓦斯量越多,煤的渗透率越小,这与现场实际结果相符.     

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。     

覆压下煤的孔渗性实验及其应力敏感性研究

采用沁水盆地南部煤样,通过覆压下煤的孔隙度和渗透率实验分析,建立了高煤级煤样孔隙度、渗透性与有效应力之间的相关关系和模型;采用渗透率损害率和应力敏感系数分析了高煤级煤储层的应力敏感性。研究结果表明:煤样孔隙度和渗透率随着有效应力的增加按负指数函数规律降低。在有效应力小于5或6 MPa,煤储层应力敏感系数变化较大,且煤储层应力敏感系数随有效应力增加而快速下降;渗透率损害率随有效应力的增加而快速增大,应力敏感性强;而在有效应力大于5或6 MPa时,煤储层应力敏感系数随有效应力的增加下降速度整体减缓,且存在一定波动变化,应力敏感性减弱,同时渗透率损害率随有效应力的增大而增加较为缓慢。     

水压爆破应力波传播及破煤岩机理实验研究

开展了水压爆破爆炸应力波传播及破煤机理实验研究,采用超动态应变测试系统对模拟煤体中产生的爆炸应变进行了采集分析,研究了水压爆破爆炸应力波在煤体中的传播,根据损伤破坏区域、裂纹形态等爆破效果,研究了水压爆破破煤机理,通过分析水、空气2种炮孔不耦合介质对煤体爆破作用的影响,对比证明了水压爆破煤体致裂效果明显。研究结果表明:煤体首先呈现塑性压缩破坏,在炮孔周围形成粉碎区,粉碎区半径约为炮孔半径的1.5倍;然后呈现脆性拉伸破裂,形成大范围裂隙区,裂隙区半径约为炮孔半径的13倍;最后应力波衰减为地震波,引起煤体质点产生弹性震动,形成爆破松动区。