水-瓦斯-煤三相耦合作用下煤岩强度特性及实验研究

为研究煤岩在水、瓦斯共同作用下的强度特性,基于非饱和多孔介质混合物理论及有效应力原理,建立了含水瓦斯煤岩破坏准则。通过引入基质吸力应力因子,并利用实验得到基质吸力与煤岩含水率的拟合曲线,得出水-瓦斯-煤三相耦合作用下煤岩强度与瓦斯压力及含水率的关系式。在实验室进行三轴压缩强度实验,对含水瓦斯煤岩强度理论进行了验证。结果表明:基质吸力是含水瓦斯煤岩强度的重要影响因素,在水与瓦斯共同作用下,煤岩峰值强度随瓦斯压力增加线性减小,而随含水率增加呈指数降低。     

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。     

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     

吸附与应力耦合作用影响下煤体瓦斯渗透规律的实验研究

利用自行研制的真三轴煤岩渗透测试系统对煤样试件进行了不同应力条件下不同吸附瓦斯压力的渗透率测定,研究了吸附与应力耦合作用影响下煤体瓦斯渗透规律。结果表明:在一定应力条件下,随着煤样内瓦斯吸附量的降低,渗透率可能会出现2种情况:一是渗透率将不断地增加;二是渗透率先减小,当减小到最小值后,渗透率将不断增加。在瓦斯压力一定的条件下,降低煤样所受围压,渗透率与围压间较好地符合负指数函数的关系。     

非均匀煤岩双重介质渗流-应力耦合模型

为了模拟裂隙和非均质煤岩损伤劣化对煤层瓦斯抽放过程的影响,将煤岩视作拟连续介质和裂隙组成的双重介质.拟连续介质(煤岩)视作弹性损伤材料,煤岩的弹性模量、强度的非均匀性用Weibull分布模拟,裂隙利用薄层Desai单元模拟.基于弹性损伤理论考虑煤岩应力状态及损伤与透气系数的耦合,建立了煤岩瓦斯渗流-应力耦合模型,并在数值计算程序Coupling Analysis中开发了相应的计算模块.利用建立的模型模拟了某瓦斯抽放试井瓦斯抽放,结果表明在瓦斯抽放过程中,有效应力变化诱发部分煤岩单元发生损伤,损伤区透气系数最大增加了约2.7倍,受围压影响,非损伤区的透气系数减小,减小的最大幅度达到95%.研究表明,建立的模型能较好地模拟煤岩应力和损伤及煤岩力学参数的非均匀性对透气系数的影响,从而为瓦斯抽放过程模拟提供了一种有效方法.     

瓦斯压力对砂岩渐进破坏特征的影响研究

借助多场多相耦合下多孔介质压裂—渗流试验系统，基于不同瓦斯压力下的常规三轴加载试验，通过分析砂岩的力学特性和渐进破坏规律，研究砂岩在不同瓦斯压力下开采的渐进破坏演化过程。研究结果表明，随着瓦斯压力增加，砂岩的裂纹闭合应力会呈现增加趋势，而损伤应力以及峰值应力呈现减少趋势；瓦斯压力对砂岩的峰值强度起到了弱化作用，且随着瓦斯压力增加，弱化程度随之增加；不同瓦斯压力下的砂岩在受载破坏过程中都呈现相同的变化趋势，总体分为裂纹闭合阶段、弹性阶段、微小裂纹扩展阶段、宏观裂纹扩展阶段；随着瓦斯压力增加，砂岩的裂纹闭合阶段在峰前的占比呈现增加趋势，而弹性阶段和微小裂纹扩展阶段在峰前的占比呈现减少趋势。该研究对地下深部巷道的开挖和稳定性有重要指导意义。     

基于Klinkenberg效应的水力冲孔有效半径数值解算方法

根据瓦斯渗流场、地应力场与煤体变形场之间的耦合关系,建立了考虑Klinkenberg效应的瓦斯运移气固耦合模型。进行了不同出煤量条件下水力冲孔耦合模型的数值模拟研究,结果表明:水力冲孔有效半径随抽采时间与出煤量的增加而增加;Klinkenberg效应对低透气性煤层中瓦斯的运移起促进作用,随着抽采时间的增加其促进作用愈加显著;煤层瓦斯压力的降低促使煤体骨架受到的有效应力增加,煤体内孔隙被压缩,导致孔隙率与渗透率的降低。     

工程温度下煤岩单轴力学特性研究及分析

利用自主研发的深部温度-压力耦合气体运移实验系统,对四川芙蓉白胶煤矿的煤样进行不同工程温度(20、25、30、35、40℃)下的单轴压缩试验,研究工程温度对深部煤岩物理力学性质的影响规律。结果发现,煤岩的单轴抗压强度和弹性模量随着温度的升高而降低,且温度越高力学参数下降梯度越大。根据不同温度下恒温阶段瓦斯逸出量变化趋势认为吸附瓦斯的解吸运移对影响煤岩力学性质有很重要的作用。     

循环外载激发下孔隙流体对煤岩动力灾害孕育的力学作用机制

为研究回采工作面前方不同支承压力区煤体在循环外载的扰动下孔隙流体对煤岩动力灾害孕育的力学作用机制,开展了不同孔隙压力(1,3和5 MPa)与轴向循环应力水平(饱和煤岩三轴强度的50%与80%)煤岩的循环加卸载排水实验研究。研究发现,当最大循环加载应力水平为三轴强度的50%时,煤岩的轴向与径向应力应变曲线在孔隙压力1 MPa和3 MPa下变化不显著,表明煤岩内部都没有产生大量的损伤裂纹。但随着孔隙压力上升为5 MPa,煤岩轴向和径向应变在循环加载过程中变化相对显著,说明孔隙流体参与了其中的力学变形机制。同时发现,试件的残余径向应变在循环加载过程中逐渐减小,这是由于煤岩内部部分孔隙裂隙在循环荷载作用下被压实,孔隙流体排出所致,且孔隙压力越大,径向收缩效应越明显。当最大循环加载应力为煤岩三轴强度的80%时,煤岩在加载过程中发生失稳破坏,且破坏速度与孔隙压力正相关。随着孔隙压力上升到5 MPa,煤岩试件遭到严重破坏,试件被大裂隙完全贯通。而且,高孔隙压力促使宏观裂隙之间产生大量的煤岩碎屑和煤粉。细观结构分析显示该应力状态下的煤岩在循环加载后孔隙度显著增加,且煤岩加载后孔隙度的增量随孔隙压力的升高而增大。以上结果显示,距离工作面较远的煤体首先经受低幅值循环外载作用,孔隙流体的排出导致煤体在水平方向发生收缩变形,一方面会减小煤层局部的渗透性;另一方面会降低煤层水平应力,从而降低煤岩的三轴抗压强度。而排出的孔隙流体在煤体中发生局部迁移和富集,当流体富集区域经受后期高幅值循环外载作用时容易形成局部高孔隙压力,进而改变煤层受力状态,加速煤岩动力灾害的孕育,加剧煤体在动态失稳中粉末化。     

考虑瓦斯压力的煤体三轴抗压强度研究

从煤体强度的角度来分析含瓦斯煤岩的破坏行为,通过实验分析了考虑瓦斯压力的含瓦斯煤岩的抗压强度。研究表明:在三向应力状态下,煤样的破坏形态受侧压的影响;煤样的残余变形与试验的侧压及本身的强度有关,煤样的强度越大,残余变形就越小;在试验侧压的范围内,煤样的弹性模量随侧压的增大而增大。与单轴压缩相比,含瓦斯煤的抗压强度和弹性模量都有所降低。原因在于:煤样制备的时候较为松散及瓦斯压力的影响。煤的强度受其中瓦斯气体的影响较大,煤体吸附瓦斯后体积膨胀强度降低,而煤体释放瓦斯后强度增加。     

煤体吸附瓦斯与煤体强度的关系研究

采用自主研制的由放置试样的装置、压力加载装置和强度测定装置组成MDS-200型煤岩三轴应力渗透试验台,针对取自象山井田、燎原井田和桑树坪井田的3号、5号和11号煤层的试验样品进行煤体吸附瓦斯与强度关系的试验。结果表明:①煤体的杨氏模量和单轴抗压强度均随着吸附瓦斯压力的增加而逐渐呈线性衰减;②不同的煤种在同等吸附瓦斯压力下,杨氏模量和单轴抗压强度也是不相同的;③试验结果表明,含较高压力瓦斯的煤体更容易破坏。     

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。     

水分对突出煤相似材料力学特性及瓦斯解吸性能的影响

为探索水分对突出煤相似材料力学特性及瓦斯解吸性能的影响,选用粒径小于0.18 mm和0.18~0.25 mm、二者质量比为1∶1的煤粉作为骨料,水泥为黏结剂,水为溶解剂,在不同条件(成型压力、含水率)下压制突出煤相似材料。利用岩石三轴试验机、瓦斯放散初速度测定仪测定突出煤相似材料的单轴抗压强度及瓦斯放散初速度,获得了不同条件下突出煤相似材料单轴抗压强度和瓦斯放散初速度的变化规律。实验结果表明:当含水率为12%~20%时,配制出的突出煤相似材料单轴抗压强度随含水率的增大呈现先增大后减小的趋势;当含水率达到16%时,其单轴抗压强度达到最大值8.99 MPa;当含水率为20%时,成型压力越大,突出煤相似材料成型后密实度越大、脱模后的试件含水率越低,单轴抗压强度越大;突出煤相似材料的瓦斯放散初速度随含水率的增大而减小。     

煤料的粒度对型焦抗压强度的影响

以气煤和弱粘煤半焦为原料,通过改变气煤和弱粘结煤半焦的粒度制备出一系列的型焦.研究了煤料粒度对型焦抗压强度的影响.研究结果表明,当半焦粒度固定不变时,随着气煤的粒度增大,型焦的抗压强度增加,气煤粒度在0.5～0.9 mm之间,型焦的抗压强度出现峰值;之后,随着气煤粒度的进一步增大,型焦的抗压强度逐渐降低;当气煤粒度固定不变时,随着半焦粒度的增加,型焦抗压强度急剧减少.焦炭样品的光学显微组分中以各向同性为主,气煤和弱粘煤半焦的粒度对显微组分的影响很小.     

吸附条件下瓦斯压力对煤体强度影响的实验研究

煤体强度的测定一般在实验室非吸附条件下完成,为了揭示吸附条件下煤体强度随瓦斯压力的变化规律,基于瓦斯防治理论和现场实践,研制了可实现封闭充气环境下煤坚固性系数的自动化测试装置,研究了吸附条件下瓦斯压力对煤体强度的影响规律。实验表明:煤的坚固性系数受煤样瓦斯压力的影响明显,瓦斯压力越大,煤体强度越小,用以抵抗外力破碎的能力越差。     

含瓦斯煤锤击破坏HJC本构模型及数值模拟

确定含瓦斯煤动态本构关系是认识煤岩动力灾害机理的基础。结合煤吸附瓦斯的"变形效应"特征和Mohr-Coulomb强度理论,理论分析并量化了吸附态和游离态瓦斯对煤体强度的弱化作用,提出的"静态损伤变量法"确定了含瓦斯煤HJC本构模型的主要参数并开展含瓦斯煤落锤冲击破环的数值模拟研究。研究表明:(1)相同的冲击速度下,含瓦斯煤样与普通煤样的破坏形式明显不同,前者破坏程度更严重。(2)相同瓦斯压力下,冲击速度越大,含瓦斯煤样整体破坏越严重,随着冲击速度的增加,破坏由拉压破坏向以压缩应力主导的破坏过渡,并呈现出中心膨胀性破坏的特征。(3)含瓦斯煤在冲击速度相同时,含的瓦斯压力越大,破坏程度亦越大。获得的含瓦斯煤的HJC主要参数能够较好模拟含瓦斯煤冲击破坏的动态过程。     

水分对阳泉3~#煤力学性质影响研究

为了获得水分对煤体力学性质的影响规律,为煤层注水防治冲击地压和煤与瓦斯突出的机理研究和注水参数的确定提供依据,模拟了水分对煤体弹性模量和抗压强度的影响。首先采用数值模拟的方法,模拟了注水后不同水分条件下煤体弹性模量的变化情况;实验模拟了不同水分、不同围压条件下煤体抗压强度的变化情况。结果表明,煤层注水后,在注水孔周围弹性模量有一定的降低,从740 MPa降到540 MPa,使弹性模量降低到原始煤体的60%左右,随着水分的增加,煤体抗压强度不断减小,煤体抗压强度和水分对应关系式为R=5.053 8e-0.169 7W,确定了煤层注水的合理水分为6%～8%。     

注液冻结法在石门揭煤中防突作用的可行性研究

根据人工冻结工程实践和注液冻结法的防突原理,通过冻结成型煤样力学实验,获取冻结煤层抗压强度等力学参数,定量分析了突出煤层注液冻结后力学性能和卸压区安全宽度的变化。根据煤层瓦斯含量公式,计算出不同冻结温度下煤层瓦斯压力。从降低煤层瓦斯压力、提高煤层力学性能、增大卸压区强度及减小瓦斯突出危险系数等方面论证了注液冻结法作为石门揭煤防突方法的可行性。     

瓦斯压力在线监测预警机制应用研究

为了能准确、有效、及时的预测预报井下煤矿瓦斯突出,根据高瓦斯煤层应力场与瓦斯场具有典型的耦合效应,且瓦斯压力场与地应力场的关系主要表现在瓦斯压力的变化上这一原理,并在平煤股份十矿己15-16煤层和己17煤层安装一套煤矿瓦斯突出灾害实时监测预警系统,利用该系统中的煤层瓦斯压力实时监测功能实时在线监测揭煤区域煤层瓦斯压力变化情况,结果表明：煤层瓦斯压力变化随着瓦斯抽放时间而降低,而随着瓦斯解吸量的增加升高;监控到的瓦斯突出煤层瓦斯压力的变化符合正常规律,开发的煤矿瓦斯突出灾害监测预警系统能够连续监测煤层瓦斯压力及其变化动态,为煤矿瓦斯突出灾害监测预警提供了技术基础和有效手段。