三维应力下煤与瓦斯突出模拟试验研究

 煤与瓦斯突出实质是开采扰动下含瓦斯煤体在三维应力作用下突然发生的力学失稳破坏,严重威胁着煤矿安全生产。以典型高瓦斯矿井-阜新孙家湾煤矿突出煤粉压制而成的型煤为研究对象,利用自主研制的煤与瓦斯突出仪,进行煤层埋深－600 m,在轴压、围压、孔隙压三维应力条件下煤与瓦斯突出模拟试验,以探求煤与瓦斯突出规律。试验再现煤与瓦斯突出孔洞口小腔大、突出煤粉分布具有分选性等突出特征现象,验证煤与瓦斯突出模拟仪的可靠性。通过对试验结果分析,划分6个突出区域,得到以下新认识：突出煤粉质量分布具有区域性特征,存在煤粉质量极值区和均值区。突出试验现象表现为瓦斯–煤气固两相射流特征,为引入射流理论研究煤与瓦斯突出机制提供新思路。突出煤粉量极大值区域位于突出中远区,是瓦斯–煤气固两相射流突出破坏能量的耗散阶段区域。不同粒径突出煤粉分布具有明显的波动分布特性。煤粉质量极大值区以较小粒径煤粉为主,煤粉质量极小值区以较大粒径煤粉为主,突出末端区域以较小粒径煤粉为主。指出高压瓦斯是突出发生的动力源和煤体粉碎粉化的破坏源,煤与瓦斯突出能量释放具有波动性特征。试验结论对煤与瓦斯突出的机制认识具有重要参考价值。     

低渗透突出煤的瓦斯渗流规律研究

 为了解低渗透突出煤体的瓦斯渗流规律,利用自行研制的煤岩体三轴渗透仪,在不同轴压和围压条件下,对以南桐矿区矿井低渗透突出煤层的原煤而制备的试样采用稳态渗流法进行瓦斯渗流试验;比较传统的渗透率计算方法与考虑瓦斯渗流的Klinkenberg效应的渗透率拟合方法在低渗透煤体渗流试验数据处理中的差异。研究结果表明：(1) 低渗透煤体中的瓦斯渗流具有显著的Klinkenberg效应;(2) 对于低渗透煤体,Klinkenberg系数b值与煤体的绝对渗透率呈显著的幂函数关系,而煤体的绝对渗透率与体积应力呈显著的二次多项式函数关系;(3) Klinkenberg系数b值随着煤体绝对渗透率的降低而逐渐增大,煤体的绝对渗透率随着煤体体积应力的增大而逐渐降低;(4) 采用考虑瓦斯渗流的Klinkenberg效应的渗透率拟合方法处理试验数据所得到的结果更为合理;(5) 试验得到的煤体渗透率表达式反映了瓦斯压力和应力对瓦斯渗流的共同作用,能很好地模拟低渗透煤层的瓦斯渗流。     

蠕变对含瓦斯煤渗透率影响的试验分析

 以重庆市松藻煤电公司石壕矿原煤制备的型煤试样为研究对象,设计含瓦斯试样的三轴蠕变及渗流试验方法和步骤。利用试样瓦斯渗透仪试验装置,在不同温度条件及不同有效应力水平下,对型煤试样进行三轴蠕变及渗透性试验,获得大量蠕变前后不同有效应力和不同温度条件下的渗流试验数据,研究蠕变对试样渗透率的影响规律。研究结果表明：在相同温度与有效应力条件下,蠕变后试样渗透率降低,下降幅度为25.2%～38.7%;在三轴应力条件下,随着有效应力增大和温度升高,蠕变前后试样渗透率逐渐降低,探讨两因素对渗透率的影响机制;定义渗透率损伤率来表示蠕变使得试样渗透率减小的程度,当温度一定时,渗透率损伤率与有效应力符合线性关系,该渗透率损伤率随有效应力增加而增加,且温度越高,增加的速率越大;在不同温度及有效应力耦合作用下,蠕变对渗透率的影响程度不同。研究结果对进一步认识瓦斯运移规律具有一定的意义。     

考虑吸附膨胀应力影响的煤层瓦斯流-固耦合渗流数学模型及数值模拟

已有研究表明,煤吸附瓦斯后要发生相应的膨胀变形,而当这种膨胀变形受到一定的限制时,将会产生膨胀应力。为此,在考虑煤吸附瓦斯产生膨胀应力的前提下,根据煤体受力平衡条件建立考虑吸附膨胀应力的煤体有效应力表达式,并根据流–固耦合渗流理论的基本思想,建立煤层瓦斯流–固耦合数学物理模型。采用有限元和有限差分相结合的方法对模型进行离散化处理,并对其进行模拟求解。和未考虑吸附膨胀应力的流–固耦合模型的模拟结果进行比较分析,研究成果表明,未考虑吸附膨胀应力的流–固耦合模型计算的压力下降较该模型要小,两种模型的模拟结果存在一定的差别,从而表明在煤层瓦斯流–固耦合数学模型中应考虑吸附膨胀应力的影响。     

含瓦斯煤渗透率理论分析与试验研究

 从孔隙率的基本定义出发,充分考虑煤基质吸附瓦斯膨胀、热弹性膨胀、受瓦斯压力压缩对其本体变形的影响,首先给出煤体孔隙率与体积应变、温度及瓦斯压力之间的函数关系,再以Kozeny-Carman方程为桥梁,建立扩容前压缩条件下综合考虑有效应力、温度及瓦斯压力共同影响的渗透率动态演化模型。相关试验数据验证表明,所建立的渗透率理论模型具有良好的适用性,能反映出一定条件下的渗透率演化趋势。试验研究表明：煤体孔隙发育程度与渗透率具有较好的一致性,渗透率随孔隙发育程度的增高而增大;当温度和瓦斯压力一定时,渗透率随有效应力的增大而减小,并且瓦斯压力越低减小趋势越明显;有效应力和瓦斯压力一定时,渗透率随温度升高而减小,但其减小幅度基本不受有效应力变化的影响;温度和有效应力一定时,渗透率随瓦斯压力的升高呈先急剧减小而后逐渐平缓的趋势。含瓦斯煤渗透率与有效应力、温度和瓦斯压力之间关系的研究,为有温度场参与的多场耦合问题的研究提供理论基础,也为高温矿井瓦斯抽放率的提高提供技术支持。     

深部巷道煤与瓦斯突出及冲击演化特征试验研究

为进一步揭示煤与瓦斯突出两相流冲击破坏机制,利用自主研制的真三轴煤与瓦斯突出巷道模拟试验系统,以阜新孙家湾突出煤层为研究对象,制作型煤试件,开展不同埋深(1 000,1 200,1 400,1 600,1 800,2 000 m)下深部巷道煤与瓦斯突出模拟试验,定义试验突出临界瓦斯压力状态下的相对突出强度为单位突出强度,分析临界瓦斯压力、单位突出强度与埋深之间的关系,得到临界瓦斯压力、有效应力与冲击参数(冲击力峰值、到达峰值时间、突出持续时间)之间的变化规律,基于突出冲击波阵面速度公式,反演冲击气流在模拟巷道内的传播速度。研究结果表明：(1)突出启动时,高压瓦斯裹挟煤粉剧烈喷出,不同埋深下突出煤粉均在距突出口0～6.45m区间聚集,随埋深增大,煤粉集中区质量占比增大,随突出距离增加,煤粉质量占比逐渐减小,表明突出能量随突出距离逐渐衰减,且突出后煤粉沉降具有分选特征;(2)随埋深增大,临界瓦斯压力减小,单位突出强度逐渐增大,且埋深越大,变化幅度越大,表明深部煤与瓦斯突出阈值低,易诱发和强度大的特性;(3)冲击力在巷道内演化经历了“上升→峰值→降低”过程,呈现“波峰效应”,冲击气流传播速度...     

温度与应力对原煤、型煤渗透特性影响的试验研究

 通过试验分析尺寸效应、温度和应力对原煤及型煤的渗流特性的影响,结果表明,对岩芯直径相同而高度不同的均质试样,尺寸效应对渗透率的测试值误差一般在10%以内;非均质煤样尺寸效应对渗透率的测试值误差范围为4%～40%,甚至可能更高;微裂缝的发育程度是导致煤样渗透率变化较大的主要因素。不同直径的煤样,直径相对较小的煤样在围压加压、卸压条件下渗透率变化比大尺寸煤样更为敏感,渗透率对应力的敏感性大于孔隙度。当煤体经历较高的围压后,孔隙结构将发生塑性变形,煤体会遭受永久性不可逆的损害,表现在孔隙度及渗透率的值无法恢复到初始值。煤在经历高温后,大孔被压缩,但微孔更加发育,比表面积增加,同时煤体的强度将有所降低,当围压增加时,存在一个围压临界点,当围压达到临界点,渗透率会大幅降低。原煤与型煤在加压、卸压条件下渗透率的变化规律一致,均与围压成指数关系。     

煤与瓦斯突出模拟试验研究

 以自行研制开发的大型煤与瓦斯突出模拟试验系统为手段,对其可靠性进行试验验证,并对不同含水率煤体发生煤与瓦斯突出时突出强度变化规律进行模拟试验研究。结果表明：研制开发的大型煤与瓦斯突出模拟试验系统的模拟试验结果与煤与瓦斯突出事故实际较吻合,且系统可靠性较好;随着含水率的升高,煤体发生煤与瓦斯突出的可能性减小,煤与瓦斯突出强度也呈减小趋势;在试验煤体含水率情况下,含水率与煤与瓦斯突出强度呈二次曲线关系。     

裂隙渗流与应力耦合特性的试验研究

裂隙渗流与应力耦合特性的试验研究速宝玉詹美礼王媛（河海大学水电系，南京，２１００９８）１国内外研究成果概述及问题的提出自人们认识到裂隙在岩体中的重要性以来，作为基础性的单裂隙面渗流、力学及其耦合特性首先成为人们理论和试验研究的重点。在单裂隙面的渗流...     

地应力场中含瓦斯煤岩变形破坏过程中瓦斯渗透特性的试验研究

 利用典型煤与瓦斯突出矿井松藻煤电集团打通一矿突出煤层原煤制备型煤试件,应用自行研制的含瓦斯煤样三轴瓦斯渗流试验装置,进行含瓦斯型煤试件的全应力–应变过程瓦斯渗透特性变化规律的试验研究。研究结果表明：恒定瓦斯压力时,在某一围压下,峰前渗流速度随轴向应力先减小后缓慢增大,到达峰值应力后,随轴向应力的减小而增大。全应力–应变过程曲线与渗流速度–轴向应变曲线具有较好的对应关系。煤样的峰值渗流速度随围压的增加而减小,呈现较明显的线性关系。对比试验表明,在一定的围压和瓦斯压力范围内,保持瓦斯压力不变增加围压可减小煤样渗透率,保持围压不变增加瓦斯压力可增大煤样渗透率。研究结果对于利用地应力场抽采瓦斯、通过瓦斯涌出量预测煤岩的变形破坏具有现实指导意义。     

煤的变质程度、孔隙特征与渗透率关系的试验研究

以贵州六盘水矿区中高变质程度的原煤为对象,利用TESCAN VEGA II型自带能谱扫描电镜、ASAP2020型比表面微孔分析仪,对煤样的内外部孔隙特征进行研究;借助自主研制的三轴渗流装置,进行不同瓦斯压力条件下含瓦斯型煤的三轴渗流试验。结果表明：(1) 煤的变质程度与内外部孔隙特征呈正相关关系,变质程度越高,原煤的分形维数越高,原煤的吸附量和孔容也越大;(2) 原煤的内外部孔隙特征与渗透率呈正相关关系,内外部孔隙越发育,渗透率越大;(3) 在恒定平均有效应力和温度条件下,随瓦斯压力的增大,渗透率先急剧降低,而后降低趋势渐缓,且渗透率与瓦斯压力服从指数分布关系。研究结果对贵州六盘水矿区瓦斯灾害的防治和煤层气的开发利用具有一定的理论指导意义。     

岩石应力与渗透率的关系

 根据岩芯样品渗透率分析值和岩石水平应力, 以回归分析技术研究了二者的定量关系。水平应力由测井资料计算, 检查了不同应力模型的适用性。用常用对数分析水平应力与渗透率的关系符合实际资料, 取得了较好的效果。引入自然伽马测井, 减少了岩性的影响,提高了实用意义。增加分辨率高的测井方法处理, 使确定的渗透率有较高的分辨率。     

复杂应力路径下含瓦斯煤渗透性变化规律研究

 通过含瓦斯煤渗透特性试验研究,系统分析复杂应力路径下含瓦斯煤渗透性的变化规律,建立含瓦斯煤渗透率与轴向压力、围压、瓦斯压力、围压升降、全应力–应变过程等之间的定性与定量关系,深入探讨各种不同应力路径下含瓦斯煤渗透性的控制机制和变化规律。结果表明,应力路径对含瓦斯煤的渗透率有重要影响：(1) 含瓦斯煤渗透率随着轴向压力和围压的增大而减小,随瓦斯压力的增大而增大。(2) 含瓦斯煤渗透率与轴向压力、围压和瓦斯压力均呈指数关系变化。(3) 围压升、降过程中,含瓦斯煤渗透率会受到一定程度的损害,其损害程度可以用最大渗透率损害率和渗透率损害率来表征。同时,三维压缩条件下含瓦斯煤会发生二次密实效应。(4) 三轴压缩下全应力–应变试验过程中,含瓦斯煤的渗透率呈“V”字型变化趋势;渗透率随煤样的应变先减小后增大,然后达到最大值,并且渗透率的增幅小于其减幅。     

瓦斯压力对突出煤瓦斯渗流影响试验研究

 以典型煤与瓦斯突出矿井松藻煤电集团打通一矿7#突出煤层制备的型煤试件为研究对象,利用自行研制的三轴渗透仪,进行固定轴压和围压情况下的变瓦斯压力突出煤瓦斯渗透试验。试验结果表明：在轴压和围压固定的情况下,突出煤样的瓦斯渗透速度随着瓦斯压力的增大而增大。突出煤样瓦斯渗透速度随着瓦斯压力的增加,呈幂函数规律变化。随着瓦斯压力的增加,突出煤样两端的瓦斯压力梯度增大率会逐渐减小,最终趋近于零。而突出煤样的瓦斯渗透速度增加率则随着瓦斯压力的增大而减小,最终趋近于一恒定值附近。研究成果对提高突出矿井瓦斯抽采率有重要意义。     

高温三轴应力下无烟煤、气煤煤体渗透特性的试验研究

利用自主研制的600℃20MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机系统,分别研究大尺寸(φ200mm×400mm)晋城无烟煤和兴隆庄气煤试样在恒定500m原岩应力(侧压系数1.2)条件下不同温度时渗透特性的演化规律。结果表明:(1)在室温～300℃中低温段,煤体渗透率随温度的变化存在一个阈值温度。当温度达到阈值温度时,渗透率降至最低值。(2)在300℃～600℃高温段,煤体渗透率随温度的变化存在一个峰值温度,峰值温度处渗透率为该温度段内的最大值。(3)煤体渗透率随温度的变化呈现阶段性:室温至阈值温度为第一阶段,渗透率随温度的增加而降低;阈值温度至峰值温度为第二阶段,渗透率随温度的升高而增加;高于峰值温度后,渗透率随温度的增加而降低。(4)渗透率随温度变化的阈值温度和峰值温度与煤阶有关。无烟煤渗透率的阈值温度是150℃～200℃,峰值温度为450℃～500℃,而气煤渗透率的阈值温度为200℃～250℃。     

循环载荷下突出煤样的变形和渗透特性试验研究

 以典型煤与瓦斯突出矿井——天府煤业有限责任公司三汇一矿K1煤层原煤制备的煤样为研究对象,利用自行研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流系统,进行固定瓦斯压力及不同围压情况下突出煤试样循环载荷下渗流试验研究。研究结果表明：在循环载荷作用下,煤样产生塑性变形,煤样的弹性模量和渗透率随着循环次数增加呈下降趋势,且在第一循环下降最为明显;卸载过程中渗透率逐渐增大,加载过程中渗透率逐渐减小,卸载和加载时的渗透率–应变曲线围成一个封闭环,与轴向应力–应变曲线形成的封闭滞回环相对应,说明渗透率的变化与煤样的损伤变形密切相关;渗透率变化率和损伤变量呈正相关变化,前几个循环变化较为明显,经过之后几个循环,其数值趋于稳定。