不同加载速率下含瓦斯突出煤体受载破坏损伤特征研究

为研究加载速率对含瓦斯突出煤体受载损伤特征的影响规律,开展了0.001、0.005、0.01、0.05、0.1 mm/s等5种加载速率下含瓦斯突出煤单轴压缩实验,从声发射累计损伤和煤体表面裂隙分形数2个方面分析了煤体的损伤特征。结果表明:随着加载速率增大,含瓦斯突出煤体的单轴抗压强度均逐渐减小,并呈现出对数函数关系;随着应力不断增大,煤体损伤曲线呈现出平静期、提速运动期和加速运动期,煤体最大损伤值均出现在峰后破坏阶段;随着加载速率增大,煤体的最大损伤值呈现出先增加后降低的规律,加载速率0.05 mm/s为曲线的拐点;煤体破坏后表面裂隙的分维数也随着加载速率增加呈现出先增加后降低的规律,拐点出现在加载速率为0.05 mm/s时,2种方法所得结论一致。     

逆断层区域采动煤体渗透率模型构建及应用北大核心

逆断层区域构造应力与地应力叠加,挤压应力形成的力学特点导致瓦斯积聚,煤体渗透率发生改变,采掘期间容易引起瓦斯涌出异常,甚至发生煤与瓦斯突出事故。为了掌握逆断层区域采动煤体渗透率演化规律,首先开展了逆断层区域采动煤体渗透率测试试验,通过应力加卸载方式模拟逆断层影响下采动煤体应力变化,得出:在峰前阶段,煤体压缩、裂隙闭合,煤体渗透率降低;峰后阶段,煤体应力达到峰值,原有裂隙扩展连通,同时产生新裂隙并出现损伤,煤体渗透率增加并达到最大值;第1组加载方案模拟工作面前方煤体应力集中系数逐渐增大条件下,M1、M2和M3煤样的渗透率分别提高了22.1%、28.0%和36.7%,第2组加载方案模拟模拟工作面前方煤体应力集中系数先增大后减小条件下,M4、M5和M6煤样的渗透率分别提高了23.6%、37.2%和20.8%。然后结合煤体渗透率试验结果,建立了逆断层影响下采动煤体渗透率表征模型,推导出煤体峰前和峰后阶段渗透率计算表达式,用瓦斯吸附/解吸造成煤体体积应变的函数来表示吸附/解吸对煤体裂隙体积的影响,从而更加准确的表征逆断层影响下采动煤体渗透率。最后将渗透率模型导入COSMOL软件,结合新春煤矿1503工作面F4逆断层现场情况进行模拟计算,得出随着与逆断层距离减小,煤体应力集中系数增大的情况下,煤体瓦斯压力和渗透率峰值均逐渐增大,容易造成瓦斯涌出异常,需要加强瓦斯浓度监测。     

不含瓦斯重塑煤体的渗吸特性

采用底水自发渗吸实验装置,对不同压制负荷(孔隙率)下不含瓦斯重塑煤体的渗吸高度进行测试,同时通过毛细吸水上升高度理论对不含瓦斯重塑煤体的渗吸高度计算分析,得到不含瓦斯重塑煤体的极限渗吸高度变化规律。研究结果表明:同一颗粒配比,不含瓦斯重塑煤体压制负荷越大,孔隙率越小,且随着压制负荷的增大,孔隙率呈负指数减小;不含瓦斯重塑煤体的渗吸高度随时间增长先是迅速增大,而后缓慢增大;在同一颗粒配比下,相同时刻,孔隙率(压制负荷越大)越小,渗吸高度越大;同一压制负荷,不同颗粒配比也满足孔隙率越小,渗吸高度越大的规律。不含瓦斯重塑煤体渗吸高度上升速率在初始阶段急剧减小,而后逐渐减小趋于0,即渗吸高度存在极限值。同一颗粒配比下不含瓦斯重塑煤体的极限渗吸高度随孔隙率减小(压制负荷增大)先是迅速增大,而后逐渐增大,不含瓦斯重塑煤体的极限渗吸高度与孔隙率负相关。     

负压条件下构造煤原煤样瓦斯渗透性实验

利用三轴应力渗流实验装置对坚固性系数为0.3的构造煤原煤煤样进行了加压破坏以及负压条件下含瓦斯构造煤原煤煤样的瓦斯渗透性实验研究。结果表明,坚固性系数为0.3的构造煤原煤样的压裂过程经历了非线性压密阶段、线弹性阶段、应变强化阶段、应力跌落阶段和应变软化阶段等5个阶段。在围压、瓦斯压力一定,同一轴压条件下,加载负压时的煤体瓦斯渗透率要大于不加载负压时的煤体瓦斯渗透率,随着负压增大瓦斯渗透率随之增大。在围压、瓦斯压力一定,同一负压条件下,随着轴压的增大,瓦斯渗透率先逐渐增大到一定峰值后逐渐减小。在围压、负压一定,同一轴压条件下,瓦斯压力越大,煤体的瓦斯渗透率越小。在围压、负压、瓦斯压力一定的条件下,轴压加载到σo值后,开始卸载轴压,随着轴压的卸载煤体瓦斯渗透率逐渐增大,在轴压卸载的初始阶段,渗透率增幅较大;随后在轴压卸载完全的过程中,渗透率的增幅越来越不明显,并且轴压卸载为0时的渗透率要小于煤样试件在加载轴压前的初始渗透率。     

气体围压条件下煤体单轴压缩破坏的电位特征研究

为了研究煤体在单轴加载情况下瓦斯环境对煤体电位的影响效应,搭建了氮气围压条件下煤体单轴压缩破坏观察监测系统,测试了不同围压条件下煤体单轴加载的电位变化情况,探讨了煤体加载破坏和瓦斯对电位的影响机理。实验结果表明,煤体在围压条件下加载破坏能够产生电位信号,且电位信号与应力和气体压力的变化趋势具有一定的关联性;对于同一类型煤样,随着充入氮气压力的增加,煤体应力结构改变,在煤体主破裂发生前电位信号波动幅度增加0.2 m V左右,振幅突变明显增大,电位差值从0 m V增大至2 m V左右;在煤体主破裂发生时,电位信号明显增大。     

瓦斯压力对煤体电阻率影响规律与机制

为了研究瓦斯对煤体电阻率的影响规律,建立了含瓦斯煤体电阻率测试系统,测试分析了不同瓦斯压力下不同矿区煤样电阻率的变化规律,系统阐述了瓦斯压力对煤体电阻率的作用机制。结果表明:随着瓦斯压力的增大,煤体电阻率均呈下降趋势,电阻率y与瓦斯压力x符合y=a+bln(x+c)(a,b,c为常数)的关系,且相关系数较高,电阻率在试验前期下降幅度较大,后期下降幅度变小并趋于平稳;瓦斯对煤体电阻率的影响可分为热力学、电学、力学3种机制,含瓦斯煤体视电阻率的呈现是3种机制共同作用的结果,煤的吸附放热过程、导电能垒的下降和应力对煤分子的作用都会导致含瓦斯煤体电阻率的下降,其中应力对煤分子的作用即应力作用机制为主导机制。     

含瓦斯煤多场耦合渗流解吸实验系统的研发及应用

为了改进含瓦斯煤多场耦合条件下的基础实验研究,自主研发了含瓦斯煤多场耦合渗流解吸实验系统,主要由恒压自动充气吸附单元、煤样瓦斯“面扩散”渗流解吸装置、瓦斯抽采单元、应力加卸载单元、非接触式应变测量单元、声发射监测单元、多参监测单元和实验系统管理软件组成;并应用该系统进行了煤体甲烷吸附解吸实验和含瓦斯煤受载过程中应力-应变-渗透规律研究。研究表明：煤体的吸附和解吸均符合指数函数,解吸率先快速增大后缓慢增加最终达到了平衡状态;同一时刻,随着粒径的减小,煤体吸附平衡时间越短、解吸率和解吸总量越大;含瓦斯煤应力-应变-渗透过程呈阶段特性,煤体渗透率在压密阶段快速降低;弹性变形阶段应变快速增大,渗透率缓慢降低并达到最小值;屈服阶段渗透率缓慢增加,峰后软化阶段渗透率快速增大。     

煤矿井下探测中影响不含水断层视电阻率变化的单一主控因素分析

选取晋城矿区典型3号无烟煤试样,在实验室进行单轴加载条件下的电阻率测试实验,并开展矿井瞬变电磁法探测不含水断层现场试验,研究了不含水断层的视电阻率变化特征。结果表明:煤样加载全过程,经过压密阶段、弹性变形阶段、塑性变形阶段、峰值后破裂阶段、残余变形阶段5个阶段;煤样应力应变曲线表现为由低到高再到低的特征,煤样电阻率曲线表现为由高到低再到高的特征;加载过程中,压密阶段、弹性变形阶段应力越大电阻率越小,应力为影响电阻率变化的主控因素;塑性变形阶段,电阻率先减小后增大,应力和裂隙共同影响电阻率变化,由应力为主要因素逐渐转变到裂隙为主要因素;峰值后破裂阶段和残余变形阶段电阻率急速增大,裂隙为影响电阻率变化的主控因素;通过瞬变电磁法探测不含水断层试验,发现不含水断层导致视电阻率明显升高,表明裂隙为影响断层视电阻率单一变化的主要因素。     

瓦斯在煤体水压致裂过程中的作用试验研究

为分析瓦斯对煤体水压致裂过程的影响,利用自制的含瓦斯煤水压致裂实验系统,开展了恒定流量下含瓦斯煤水压致裂实验,得到了煤体压裂形态及电阻率响应特征,并分析了瓦斯在压裂过程中的作用。结果表明,无瓦斯条件下煤体压裂形成的裂隙少而宽,随着瓦斯压力的增大,新生裂隙数目逐渐减少,而原生裂隙则逐渐被激活;瓦斯压力的增大提高了煤体的起裂压力;含瓦斯条件下电阻率曲线呈现两种形态,即新生裂隙较多时呈现增大型曲线,原生裂隙被大量激活时呈现减小型曲线。基于试验结果分析,瓦斯在水压致裂过程中的作用有两个,一是瓦斯压力增大了水压致裂阻力,提高了起裂压力;二是高压水驱气作用诱导高压水进入、激活了原生裂隙。     

三轴加载煤体瓦斯渗流速度-温度联合响应特征

瓦斯渗流速度及温度响应能反映出受载煤体内部结构和能量的变化,可以作为煤与瓦斯突出预警信号。以型煤为研究对象,利用自主研发的含瓦斯煤受载破坏试验系统测定了三轴加载条件下煤体的瓦斯渗流速度及温度联合响应规律,分析了加载速率对瓦斯渗流速度和温度影响效应,建立了瓦斯渗流速度及温度与突出煤失稳破坏之间的关系。实验结果表明:(1)在整个加载过程中,瓦斯渗流速度表现出先减小后增大的趋势,在应力峰值处渗流速度出现突变点;随着加载速率的增加,瓦斯最小渗流速度V_(min)呈现出先减小后增大趋势,而瓦斯渗流速度变化量(V_(max)-V_(min))则先增加后减小;(2)随着加载应力的升高,瓦斯渗流温度呈线性增大趋势;瓦斯渗流温度变化差值(T_(max)-T_(min))随着加载速率的增大而逐渐减小;(3)加载速率较低时,约在煤样宏观破裂80%处渗流速度出现"平静期",而加载速度较高时,渗流温度在破裂前出现多次波动且有较长的"平静期",可作为突出煤失稳破坏的有效预警信息。