三维应力场中煤渗透特性试验

利用电液伺服岩石力学试验系统,进行了煤样全应力应变渗透试验,分析了应力应变对煤样渗透特性的影响。试验结果表明,垂直应力σ1(即轴向压力p1)对渗透系数的影响最大,其对煤体透气性的变化起着决定性作用。     

有效围压对煤体渗透性演化的影响研究

煤体变形和瓦斯渗流的耦合作用是煤矿瓦斯突出机理研究中的重要问题,煤渗透率的变化与其应力状态密切相关。为了理清有效围压对煤体渗透性的影响,对煤样进行了不同瓦斯压力下全应力应变过程的渗透性实验,分析了瓦斯压力对煤样强度和渗透率的影响;针对不同瓦斯压力,设计完成了相同有效围压下三轴压缩力学实验(无瓦斯作用);并利用孔隙介质力学的分析方法,依据应力应变数据计算了煤样孔隙度。研究发现,有效围压相同条件下的煤样孔隙度计算结果与渗透率实验结果的变化趋势一致;在三轴压缩实验条件下,煤样峰值强度前的渗透率降低幅度受有效围压的控制,有效围压越高,渗透率所历经的降低幅度越大。     

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。     

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。     

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。     

受压状态下块状煤体透气性试验研究

煤层渗透性是瓦斯流动理论重要的研究内容,含瓦斯煤渗透率是反映瓦斯气体于煤层中渗流难易程度的重要指标,是标志着煤层中瓦斯抽采抽放难易程度的关键参数,同时也是煤层瓦斯多场耦合的重要物性参数。以新安矿块状软煤煤样为研究对象,搭建了单轴煤层渗透性试验平台,对煤块渗透特性的固气耦合进行试验研究,旨在探索耦合作用下瓦斯气体的流动和煤岩体的固气耦合特性,以确保高瓦斯煤矿在服务年限内的正常使用。实验结果表明,煤体渗透率与垂直煤体裂隙节理面的轴压和进气压力呈反比关系,而与煤样的体积呈正比关系。     

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。     

脆性岩石动态渗流特性试验研究

取三峡永久船闸高边坡花岗岩与山西万家寨水电站高边坡灰岩试样分别进行不同围压条件下全应力—应变过程渗流试验．试验结果表明，岩石变形过程渗透性与变形破坏形式密切相关，岩石在破坏前、后不同变形阶段渗流特性具有明显的不同．在破坏前的弹性变形乃至屈服阶段，渗透性较弱且随变形的变化不明显；岩样破坏至应变软化段，渗透系数急剧增强并达到渗透峰值．在试验的基础上进一步探讨了岩石全应力—应变过程渗流特点之机理。     

常规三轴压缩条件下茅口灰岩流固耦合破坏行为研究

采用瞬态法在MTS815岩石力学试验机上进行常规三轴压缩条件下岩石渗透性试验,得到不同围压,不同孔隙水压下茅口灰岩的全应力-应变曲线与渗透压差ΔP的变化曲线,根据试验曲线,分析全应力-应变下茅口灰岩的渗流、强度以及破坏特征。研究表明,岩石在全应力-应变过程中渗透压差ΔP表现为初始下降阶段I,缓慢变化阶段II,非稳定下降阶段III和急剧下降阶段IV共4个阶段,这4个阶段可预测出岩石在全应力-应变过程中渗透率先降低后增加,并在峰值时急剧上升的规律;分别研究了孔隙水压和围压对岩石的峰值强度与变形特性的影响,得到随围压或有效围压的增加,岩石的峰值强度、弹性模量均会增大,但岩石泊松比呈下降趋势的规律,而孔隙水压对岩石峰值强度、弹性模量和泊松比的作用与围压的作用相反。     

含瓦斯煤热流固耦合渗流实验研究

以晋城煤业集团赵庄矿3号煤层的无烟煤为研究对象,运用自主研发的“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置”,进行了恒定瓦斯压力和围压条件下含瓦斯煤热流固耦合全应力-应变瓦斯渗流实验。研究结果表明：随着煤样温度的升高,煤样的三轴抗压强度降低,承受变形的能力减小,弹性模量增大;在全应力-应变整个过程中,煤样的渗透率总体呈下降趋势;煤样渗透率小不利于采煤之前的瓦斯抽放,导致煤层深处与工作面之间的瓦斯压力梯度较大,并且高温煤样在屈服阶段的渗透率增长更快,使煤与瓦斯突出的危险性增大。煤体渗透率与应力之间的关系不是单调的随应力的增大而减小,而是要看煤体处于何种应力-应变状态。     

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。     

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。     

小纪汗井田地层介质渗透特性及煤层为主含水层成因机制

以陕北榆横矿区特殊地质背景为基础,通过瞬态渗透试验研究小纪汗煤矿煤系地层的渗透力学特性,基于采集的岩样两端孔隙压差时间序列,通过差分得到渗流速度及其变化率的时间序列,基于最小二乘法计算得到了各层岩样在不同围压下全应力应变过程中的渗透率、非达西流因子及加速度系数,比较了不同岩层的最大渗透率及最小渗透率。研究表明：① 随着压缩应变的增加,煤样应力峰值滞后于渗透率峰值;② 应力峰后阶段,煤样非达西流因子及加速度系数先急剧增加后显著下降,两者峰值滞后于应力峰值;③ 洛河组中粒长石砂岩与2号煤层岩样峰后的最高渗透率显著高于其他岩层;④ 煤样的渗透率峰后约为1×10-15 m2量级,普遍高于一般煤矿煤层的渗透率;⑤ 所有岩层中,富县组砂质泥岩的渗透率最低,可视为隔水层。     

加卸载条件下煤岩变形特性与渗透特征的试验研究

以原煤为研究对象,利用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验系统,采用加轴压、卸围压的应力控制方式开展煤岩加卸载试验,分析加卸载条件下煤岩变形特性和渗透特征的演化规律。研究结果表明：① 加卸载试验峰值强度明显低于常规三轴压缩试验峰值强度,在加卸载过程中,主应力差有一个明显增加趋势,卸载第2阶段速率越大,其曲线斜率也越大,但峰值强度越小,对应的径向应变ε3 、体积应变εV增加速率也越快,而到峰值后破坏阶段,均呈下降趋势。② 加卸载过程中,煤岩渗透率、应力差与应变关系可以分为3个阶段,初始压密和屈服阶段、屈服后阶段、破坏失稳阶段。试件达到峰值后瓦斯渗透率出现突然小幅度上升,持续一段时间后,渗透率出现急剧陡增趋势。③ 煤岩渗透率的变化与煤岩的变形损伤演化过程密切相关,渗透率随变形的增大均呈二次多项式函数递增。     

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.     

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。     

压水试验定量评价注浆效果研究

注浆后岩体渗透性和力学强度是反映岩体注浆效果的重要参数,为定量评价注浆堵水工程效果,以安徽某矿奥灰特大突水抢险注浆堵水工程为例,提出采用钻孔高压压水试验方法,对C53太原组灰岩堵源注浆效果进行定量评价。针对高压压水试验过程中岩体渗透性的剧烈变化特征,提出采用紊流渗透定律计算岩体渗透系数。研究结果表明:C53太原组灰岩注浆后表现出良好的隔水性能,阻水性能呈现出高阻弱渗的特点,渗透性等级属极微~微透水,与注浆前弱~中等透水的渗透性等级对比,渗透性能显著变弱,说明堵源注浆效果良好;可根据临界抗渗强度来评价C53太原组灰岩注浆后抵抗水力劈裂的力学强度,经计算其临界抗渗强度为1.83 MPa/m,依据阻水系数消能试验测试原理,注浆后C53太原组灰岩足以抵抗5.64 MPa奥灰水的劈裂破坏,可以消除煤层底板奥灰突水威胁,能够达到堵源注浆工程目的。     

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。     

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.