瓦斯压力对原煤渗透特性的影响

以松藻煤电公司渝阳煤矿8号突出煤层原煤试样为研究对象,利用实验室研制的三轴渗透仪,进行不同轴压围压条件下瓦斯压力对突出原煤渗流特性试验。试验结果表明,瓦斯渗流速度随着瓦斯压力的增加而增加,呈显著的二次多项式函数关系;随着瓦斯压力的增加,突出煤体的渗透率呈现出先减小后增大的趋势,具有明显的Klinkenberg效应;渗透率随瓦斯压力的增加呈“V”字形变化,具有明显的阶段性;随着瓦斯压力的增加,Klinkenberg系数b与绝对渗透率Kg之间呈显著的幂函数关系;瓦斯压力p与渗透率K之间呈显著的二次多项式函数关系。     

吸附作用对煤体瓦斯渗透规律的影响

运用自制的瓦斯渗透率测试装置,从吸附压力、吸附压差、吸附温度3方面研究了吸附作用对含瓦斯煤体中瓦斯渗透率的影响,同时试验模拟得出了瓦斯抽采渗透率的变化规律。结果表明:同一煤样随着吸附压力的增大,吸附量的增加,渗透率降低。相同吸附压力下,随着吸附温度的升高,渗透率降低。煤层抽采瓦斯以后压力下降,渗透率提高,与模拟试验得出的规律一致。     

热应力作用下有效应力对原煤渗透特性的影响

利用重庆大学自行研制的煤岩热流固耦合实验系统(THM-2),进行不同应力阶段、不同瓦斯压力和不同温度条件下的三轴加载渗流试验,探讨基于热应力作用下的有效应力对煤岩渗透率的影响。结果表明:3种应力阶段下,煤岩渗透率均随着温度的升高逐渐降低,但温度升高,渗透率的减小速率则逐渐降低;围压和轴压对煤岩的裂隙发展起到抑制阻碍作用,从而使渗透率的减小速率逐渐降低;基于热应力作用下的渗透率与有效应力关系表达式计算结果与试验结果吻合较好,可以很好的反映煤样渗透率。     

基于考虑吸附作用影响的含瓦斯煤渗透特性分析方法

基于前期的实验研究成果,得出考虑吸附作用影响的瓦斯渗流方程,在此基础上,建立了钻孔稳定流动状态下的瓦斯渗流模型,并采用数学物理的方法推导出钻孔单向稳定流状态下的解析解,获得了基于考虑吸附作用影响的含瓦斯煤渗透特性分析方法,为研究钻孔瓦斯涌出规律提供了技术支撑。     

吸附气体对突出煤渗流特性的影响

煤层中瓦斯渗流特性不仅受地应力、煤孔隙结构等因素的影响,还因气体吸附而发生变化。以重庆市万盛区某煤矿突出煤层原煤为实验对象,在有效轴向应力和有效围压为1 MPa条件下,利用自制的三轴渗流试验机研究突出煤吸附二氧化碳、甲烷气体对渗流特性的影响。结果表明:1突出原煤吸附-渗流过程具有明显的阶段特征,煤体变形经历了初始快速变形阶段、缓慢变形发展阶段、变形稳定阶段、收缩变形阶段和渗流稳定阶段;2气体压力越大,煤体膨胀变形越大,相同气体压力下,煤体吸附二氧化碳变形增量大于吸附甲烷变形增量;3随着气体压力的增大,气体渗流速度逐渐增大,呈显著的指数函数关系,突出煤渗透率先减小后增大,具有明显的阶段性。     

围压对原煤和型煤渗透特性影响实验研究

为研究型煤与原煤的渗透特性与围岩应力之间的关系,使用MZY-Ⅰ型煤层渗透率测定仪分别对原煤与型煤进行渗透率测定,分析了不同围压、不同瓦斯压力下原煤与型煤渗透率的变化规律。研究结果表明:(1)在围压不变的条件下,受Klinkenberg效应的影响,原煤与型煤的渗透率随瓦斯压力的增大而减小,且煤样渗透率随瓦斯压力的增加呈负指数函数变化;(2)在瓦斯压力不变的条件下,原煤及型煤煤样的渗透率与围压呈负相关关系;(3)在相同条件下,型煤的渗透率大于原煤;随瓦斯压力增大原煤渗透率下降幅度小于型煤。     

应力—渗流耦合作用下原煤渗透特性实验研究

煤岩是典型的层状软岩,在平行原煤节理和垂直原煤节理裂隙面应力作用下,原煤将呈现出不同的渗流规律。采用河南新安煤矿15110工作面的原煤,用酚醛树脂加以包裹,形成方形树脂包裹原煤的透明试件。根据原煤节理情况,选取平行节理方向和垂直节理方向作为试件加载方向,进行应力—渗流耦合作用下原煤渗透特性实验研究,获得应力—渗流耦合作用下原煤的渗流规律。通过实验得出结论:稳定水压条件下随平行节理方向应力的增加,其渗透水流量逐渐增大;透水量随垂直节理方向应力的增大而减少;同时,得到水压与应力耦合作用下原煤的流固耦合方程。     

轴向加载速率对原煤力学和渗透特性的影响

采用煤岩流变仪对原煤进行了不同轴向加载速率下的常规三轴力学渗流试验,运用体积扩容应力、峰值应力、弹性模量和变形模量作为原煤的力学指标,发现试验所用原煤与典型的脆性岩石的规律相同,原煤作为非线性弹性材料体,4种力学指标均随着轴向加载速率的增大而增大;加载过程煤样能量耗散可分为峰前和峰后阶段,峰前阶段绝大部分吸收的能量转化为可释放弹性应变能,耗散应变能增加的速率较缓,峰后阶段弹性应变能急剧下降,大量释放并转化为耗散应变能;同时应力峰值处的总能量随轴向加载速率的增大而增大;渗透率-应变曲线总体呈现"V"字形的变化特征;在全应力-应变过程中,煤岩渗透率与轴向应变之间满足二次多项式函数关系。     

无烟煤型煤和原煤的渗透特性对比研究

通过搭建渗流实验平台,选取焦作矿区具有代表性的无烟煤型煤和原煤煤样,研究了煤体渗透性实验中型煤和原煤的差异。同时,在改变围压、气体压力等单一条件下,研究了不同围压和气体压力对型煤和原煤渗透性的影响差异;以及在固定围压和气体压力时,在施加轴向应力加载的条件下,对比分析了应力变化过程中型煤和原煤的渗透率变化。结果表明,型煤的渗透性在围压和气体压力变化时趋势相近,但在应力加载过程中有较大差异,渗流实验中煤样的选取对结果有着较大的影响。     

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。     

煤与瓦斯突出过程中瓦斯作用的研究

为了对煤与瓦斯突出事故进行有效的预防与控制，分别从孕育和突出两个阶段阐述了瓦斯在煤与瓦斯突出中所起的作用，指出了煤层吸附瓦斯和裂隙瓦斯对煤的物理力学性质的影响；由于空隙瓦斯的存在, 加剧了煤体失稳破坏的过程；特别指出突出的主要能源来自于瓦斯的膨胀能；并根据这一结论提出了相应的防突措施.     

突出口径对煤与瓦斯突出强度影响研究

改进大型煤与瓦斯突出模拟试验装置,增加两个气体压力传感器和两个温度传感器,进行突出口径分别为10mm,30mm,50mm的煤与瓦斯突出模拟试验。试验结果表明:在0.75 MPa瓦斯压力条件下,突出口径为10mm时没有发生煤与瓦斯突出,突出口径为50mm和30mm时发生煤与瓦斯突出,突出煤体质量分别为25.40kg和15.05kg。随着突出口径的减小煤与瓦斯突出的煤量减少,突出强度降低。突出口径的大小影响煤体突出的状态,突出口径越大,煤体突出的距离越远,破坏性也越高。突出后煤样中粒径在1.6~5.0mm范围内的煤颗粒比例减小,而粒径小于0.75mm的煤颗粒比例增加,体现了突出过程中的破碎功,具有较强的粉碎性。突出口径越大,煤体越易于破裂失稳并发生煤与瓦斯突出,煤体中瓦斯的放散受突出口径的影响,使煤体中瓦斯压力梯度变化趋势不同。突出口径越大,瓦斯压力降低越快,瓦斯对煤体的粉碎性越明显,突出强度也越大,突出过程中煤体温度也发生变化,说明突出口径影响含瓦斯煤的破断失稳和突出特性。     

煤与瓦斯突出多物理场分布特征的数值模拟研究

为揭示煤与瓦斯突出过程煤体多物理场耦合灾变机制,在含瓦斯煤气固耦合方程基础上,利用COMSOL软件中的固体力学与PDE模块,模拟了突出前后煤体应力场、变形场、气体流动场分布规律。与前期开展的突出物理模拟试验结果进行对比验证,证实了数值分析方法的可行性。模拟结果表明：突出后孔洞壁附近煤体发生塑性变形,导致此处煤体渗透率增大,且随着应力增大,突出孔洞壁处煤体渗透率可比原始渗透率增加2～3个数量级;突出后气体压力从突出孔洞壁面到煤体深部呈现先急剧上升后降低至原始气压的变化趋势,在孔洞壁处形成较高压力梯度,是突出持续发生的必要条件。     

煤的电性参数与瓦斯突出危险性之间关系研究

采用理论和实验相结合的方法，对煤的电性参数随煤的物理力学性质、吸附瓦斯、承受应力的变化关系和变化幅度进行了研究，得出了煤的电性参数随决定煤与瓦斯突出的3个因素之间变化的定量关系，从而为建立煤体电磁波衰减场与突出危险性的关系模型提供了理论基础。     

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。     

瓦斯涌出异常预报煤与瓦斯突出

通过对掘进工作面突出前夕煤壁瓦斯浓度变化规律的研究,提出了利用瓦斯浓度变化预报煤与瓦斯突出的方法,并建立了突出预报数学模型.研究表明：对瓦斯浓度序列的移动平均线、振幅、频次和方差等几个方面的综合评判,可预报掘进工作面突出的发生,并以潘一矿突出实例进行验证,表明在突出前2.5 h瓦斯浓度变化出现异常,根据这一异常可实现突出预报.     

构造煤分布规律对煤与瓦斯突出的控制

根据对华北366对主要生产矿井统计分析,得出构造煤的区域分布主要受构造控制,挤压构造带是构造煤主要分布区,其次是伸展构造带的边缘,伸展构造带的内部主要是原生结构煤分布区;构造煤的层域分布主要受煤厚控制,即构造煤主要发育在厚煤层中;构造煤最发育的区域和层位,煤与瓦斯突出也最严重。纵弯褶皱作用下构造煤主要形成在褶皱的翼部,断层作用下构造煤主要形成在断层的上盘,因此,褶皱的翼部和断层的上盘也是煤与瓦斯突出最严重的部位。     

向斜构造煤与瓦斯突出机理探讨

为了确定向斜构造煤与瓦斯突出机理,从应力、煤体结构特征和瓦斯压力及含量等方面对向斜构造进行了分析.利用弹性梁的应力、应变理论,分析了煤层与围岩组成的软硬互层系统的层间滑动特征和应力-应变特征、煤体宏观与微观结构特征、瓦斯压力与瓦斯含量分布特征.研究表明,向斜构造的两翼与轴部中性层以上为高压区,中性层以下为相对低压区,距离向斜轴部越近,主应力及其梯度越大.向斜构造形成过程中的层间滑动造成煤体原生结构遭到破坏,煤体强度降低,煤层增厚.向斜构造部位瓦斯生成量亦相对较高,同时中性层以上煤(岩)体中的裂隙和孔隙被压密、压实而闭合,阻止了下部瓦斯的向上逸散,中性层以下的张性作用下的断裂或折裂面、煤体中的割理、节理等降低了解吸压力,形成良好的瓦斯聚集空间,也有助于煤层中吸附瓦斯的解吸,使得向斜轴部瓦斯含量较高.向斜构造同时具备的高地应力、高瓦斯压力(含量)和构造煤发育等3个因素是其发生煤与瓦斯突出的主要原因.