有效应力对孔周破裂煤体渗透率演化规律的影响

有效应力是影响煤体渗流特性的主要原因。为研究瓦斯预抽过程中钻孔周围破裂煤体的渗透特性演化，基于Ergun方程，利用多孔介质有效应力理论，开展4种不同级配混合粒径破碎煤体的渗流试验，研究了在三轴应力作用下不同孔隙结构煤体孔隙结构特征，得到了有效应力对孔隙结构煤体渗流的作用机制。研究结果表明：(1)在三轴应力下破碎煤体内部渗流状态贴近于非Darcy渗流，当围压一定时，轴向压力越大，其非线性拟合的现象更加显著。(2)粒径级配和孔隙率等骨架状态参数影响破碎煤体渗透性能，基于Ergun方程推导出孔隙率与渗透率和非Darcy流因子之间的函数关系式，得到破裂煤样孔隙结构变化与渗透率和非达西流因子的变化规律符合指数函数拟合。(3)在三轴作用下，在有效应力加载到0.55～0.75 MPa区间情况下，煤样的渗透率急剧减小，特别是在n=0.8的情况下，渗透率减小幅度最大，而在有效应力加载超过0.75 MPa的情况下，渗透率减小速度越来越小，渗透率随有效应力演化的规律可用k=ae^bσe+c公式表示。综合以上结果，在孔周煤体受到外部应力(地应力)和内部应力(孔隙压力)共同作用时，破裂煤体的...     

承压破碎煤体渗透特性参数演化实验研究

为研究承压破碎煤体渗透特性参数演化规律,利用自主设计的承压破碎遗煤渗透率演化实验装置,开展了不同粒径配比煤样在不同轴压下的渗透率演化实验。实验结果表明:(1)在相同应力作用下,随着煤样粒径的增大,其渗透率逐渐变小,且较大粒径范围煤样的渗透率较小;在应力增加量相同的条件下,随着煤样粒径的增大,其渗透率的变化率越大,且混合粒径范围较大煤样渗透率的变化率均高于单一粒径或粒径范围小的煤样的变化率。(2)在较低孔隙压力范围内,煤样的渗透率均随孔隙压力的增大呈现出降低趋势,且存在一个轴压的临界值(9 MPa左右)。当轴压小于该临界值时,随着孔隙压力的增加,煤样渗透率的变化趋势更明显;而当轴压大于该临界值时,煤样渗透率的变化趋势较为平缓。(3)加载初期,随着孔隙率的减小,渗透率近似线性下降;当轴压达到9~12 MPa时,渗透率随孔隙率的下降较为平缓;继续增加轴压,渗透率随孔隙率的减小而急剧降低。     

多因素对煤体渗透率影响的试验研究

为了探讨煤体渗透率的影响因素,利用损伤煤岩体渗流试验系统,进行了不同轴压、围压和瓦斯压力下煤体渗透率的渗流试验。试验结果表明:煤样在相同围压条件下时,渗透率与轴压的关系符合二次多项式函数;煤样在相同轴压条件下时,渗透率与围压的关系符合幂函数;在相同应力情况下,煤样的渗透率随瓦斯压力的升高先降低后升高,呈现"V"字形变化趋势,煤样的临界瓦斯压力值随煤样应力值的增大而增大;煤样轴向渗流的渗透率对围压的敏感性远大于轴压,渗透率对围压的敏感性大约是对轴压的敏感性的8.5倍。     

混合粒径散体岩石非线性渗流的试验研究

由于渗流引起的动力灾害多发生在破碎岩体中,因此研究破碎岩体的渗流特性是非常必要的。利用MTS815.02岩石力学试验系统及破碎岩石渗透仪,采用稳态渗透法和轴向位移控制法测定了混合粒径的煤、煤矸石及灰岩在承压过程中非Darcy流的渗透特性,得到了渗透特性随孔隙率的变化规律。研究结果表明:混合粒径破碎岩体中的渗流为非达西渗流,混合粒径岩石在压实过程中随孔隙率φ的减小渗透率k逐渐减小、非达西流β因子变大,渗透率的量级为10-14～10-13 m2,而非达西流β因子的量级为1010～1011m-1,该研究可为解决破碎岩石渗流的工程问题提供一定的参考。     

轴压及围压变化条件下低渗透煤样渗透性响应特征试验研究

针对低渗透煤样在轴压及围压变化作用下的渗透率演化关系,利用自主研发的全应力-应变三轴伺服控温渗流试验系统,开展变围压及变轴压条件下煤样渗透率的试验研究。试验结果表明:渗透率在轴压及围压变化过程中减小,围压对渗透率影响高于轴压对渗透率的影响;围压σ2与渗透率K符合K=ae-0.45σ2关系式,拟合系数a随着轴压的升高呈依次降低的趋势;轴压σ1、围压σ2均为1~10 MPa的范围内时,轴压、围压和渗透率满足K=15.426 23e-0.45σ2-0.261 94σ1e-0.45σ2的函数关系。     

分级加载下破碎砂岩渗透特性试验及其稳定性分析

煤岩体的渗透特性与孔压梯度满足渗流失稳条件时,易引发突水和瓦斯突出灾害。破碎岩体长时间缓慢变形过程中,其渗透特性将随孔隙率的变化而发生改变,且破碎岩体不同粒径的配比会影响其渗透特性。采用Talbol级配理论,利用DDL600电子万能试验机、渗透仪等试验设备,设置五级轴向恒载加压,每级恒载加压下对应4种不同渗透压进行试验,探究不同粒径配比下的破碎砂岩渗透特性。试验结果表明：① 轴向荷载从第1级加载至第5级,随着缸筒内破碎砂岩有效应力的增大,描述渗流速度变化的参数Dv均呈减小趋势;② 恒载变形后期,破碎砂岩随孔隙率减小,其渗透率总体呈减小趋势,而非Darcy流β因子的绝对值增加;③ 不同Talbol幂指数的破碎砂岩,渗透率与非Darcy流β因子的大小存在差异,n=0.5时,破碎砂岩渗透率最小,非Darcy流β因子最大,n=1.0时,破碎砂岩渗透率最大,非Darcy流β因子整体较小。研究可见,破碎砂岩颗粒粒径很小或颗粒破碎细化非常严重时,非Darcy流β因子较容易出现负值,破碎砂岩发生渗流失稳。     

含瓦斯煤的力学特性及渗流规律试验研究

采动裂隙场瓦斯流动是实现深部煤与瓦斯共采的基础。采用WYS-800微机控制电液伺服三轴瓦斯渗流试验装置,对平朔井工一矿14106工作面煤层进行了含瓦斯煤的力学特性和瓦斯渗流试验。结果表明:常规三轴不同瓦斯压力条件下,全应力-应变曲线分为4个阶段:初始压密阶段、线性弹性阶段、屈服阶段、破坏阶段。煤样的渗透率随轴向应变先减小后增大,最后趋于稳定;煤样的偏应力-应变和渗透率-应变曲线呈现相反的趋势,而且常规三轴压缩煤样破坏后渗透率增加量比较少。常规三轴不同围压条件下应力-应变曲线也主要表现为4个阶段。随围压值增大,三轴抗压强度呈线性增加趋势;在相同轴向载荷作用下,煤样所受围压越大,渗透率就越小。从不同围压条件下轴向应力-轴向应变和渗透率-轴向应变曲线可以看出,渗透率随着轴向应变的增大先降低后升高,煤样的峰值强度随着围压升高而增大。     

侧限压缩下破碎矸石混合粒径非Darcy流渗透特性

房柱式及巷式矸石充填开采中,煤柱与矸石两两相隔,破碎矸石充填体处于侧限压缩状态,破碎矸石的密实程度、孔隙特征及渗透特性对于煤层瓦斯流动及地下水渗流的控制具有重要的价值。基于稳态渗透法及轴向位移控制法,利用一套自制的破碎岩体渗透试验系统,测定了破碎矸石在不同混合粒径下承压过程中的非Darcy流渗透特性,得到渗透特性(渗透率k和非Darcy流β因子)随孔隙率的变化规律。研究表明:1)雷诺数计算及孔压梯度与渗流速度关系曲线说明破碎矸石的渗透特征属于非Darcy流;2)孔隙率随着压缩位移的增加而减小,对于混合粒径试样,较小颗粒充填到较大颗粒的孔隙中,是使岩样的初始孔隙率减小的主要原因;3)在侧限压缩下,大颗粒受挤压破碎是产生0~2.5 mm粒径的原因,而渗流造成细小颗粒质量流失;4)侧限压缩下,渗透率总的趋势减小,而非Darcy流β因子增加,但在压缩过程中,渗透特性的变化趋势受颗粒粒径的影响会出现局部波折,说明破碎矸石的渗透特性与侧限压缩位移、颗粒粒径大小、压缩破碎、排列方式及孔隙结构(通道)有关。     

深部煤体采动应力下双曲函数型渗透率模型

深部资源开采中,采动应力下煤体渗透率演化规律成为煤炭开采理论研究的热点之一。通过对煤体常规三轴渗流实验和采动应力路径下渗流实验对比分析,发现深部含瓦斯煤体在采动应力路径下其渗透率-体积应变异于常规三轴渗透实验。煤体常规三轴实验主要以三向应力加载为路径,而煤体在不断采出过程中其应力路径主要表现为特定方向加载其他方向卸荷的过程,可凝练为加轴压卸围压的应力路径,而应力-应变分析的起始点为静水压力状态,这必然引起煤体力学物理性质异于三向加载条件的行为。在采动应力条件下的渗透率-体应变空间内,以煤体体应变扩容点为界,当体应变达到扩容点后,随着体应变从压缩变形转换为膨胀变形,渗透率呈现出降低、稳态、增加的过程。为了定量地描述深部煤体渗透率在采动破坏或流变失稳过程中先减小后增大的行为,基于在体积应变空间内真实渗透网络是所有可能渗透网络中最优演化形式的假设,建立以渗透率、体积应变为变量的泛函关系,从而得出由体积应变表示的渗透率表达式。考虑深部煤体流变过程,将分数阶微积分理论推导的煤体体积蠕变方程代入渗透率函数中,得出以轴向应变为自变量的渗透率表达式。根据已有的实验数据对渗透率模型进行验证,结果表明:基于最优渗透网络得出的渗透率模型能很好地描述煤体渗透率在破坏过程中的演化规律,同时也可拟合流变过程中渗透率的变化趋势。     

煤层中瓦斯渗流规律的技术研究

针对目前煤炭开采逐步转化为深部开采,瓦斯问题也日趋严重的现状,以预制裂隙煤体为研究对象,进行了三轴加载压缩试验和三轴渗流试验,研究了不同裂隙面积煤体在应力作用下的力学特性与渗流规律。试验结果表明：不同裂隙面积煤体在应力加载下的应力变化曲线基本趋于一致,试样在加载压缩阶段、压密阶段与弹性阶段几乎密不可分,在围压加载阶段已经完成试样的压密;根据测得的压力梯度与流速拟合结果发现,裂隙渗流有明显的非线性特征;随着有效围压的增大,渗透率K逐渐减小,非达西渗流因子β增大;随着裂隙面积的增加,渗透率K逐渐减小,非达西渗流因子β也逐渐减小。     

不同产状裂隙煤样三轴承压下非Darcy渗流特性

裂隙产状是影响瓦斯抽采钻孔孔周煤体渗流状态的重要因素之一。为探究裂隙的不同产状对煤体渗流特性的影响,分别制作了含有1,2,3条裂隙共5种产状的煤样;利用自主设计的三轴渗流试验系统,采用稳态渗透法对煤样进行渗流试验研究,得到了三轴应力下裂隙煤体的渗流雷诺数、渗透率和Forchheimer数变化趋势,并分析了裂隙煤体非Darcy渗流的演化规律。结果表明:① 渗流试验过程中,42%的渗流雷诺数分布在10~100,且渗流趋势符合非线性渗流特点;说明随着裂隙面面积的增大,流动过程中黏滞阻力和惯性力对流速的影响越来越大,其发生非Darcy渗流的可能性就越高;② 通过分析裂隙煤体受力状况,得到裂隙煤样渗透率k随着有效应力σ的增加呈下降趋势,且符合k=aσ-b关系;说明随着应力水平的增加,煤样内部部分裂隙发生闭合、渗流通道数目和宽度的减少,最终导致渗透率急剧降低;③ 通过计算各个阶段的Forchheimer数Fo,得到Fo与渗流速度v符合二次曲线规律增长,且随着Fo的增加非Darcy渗流效应也越来越显著,说明裂隙煤样渗透性的增强是导致发生高速非Darcy渗流的根本原因。结合以上结论,可在煤层瓦斯预抽工作中,依据钻孔孔周煤体瓦斯流动规律准确确定抽采钻孔影响范围,从而为钻孔布孔方式的设计提供重要的理论依据。     

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。     

两种典型受载含瓦斯煤样渗透特性的对比

利用自主研发的含瓦斯煤岩三轴压缩实验系统,进行了受载含瓦斯煤的渗透特性实验,对比分析了受载含瓦斯型煤与原煤两种典型煤样的渗透特性之间的异同。研究结果表明,控制煤体渗透率大小的直接原因是有效孔隙度而非总孔隙度,有效孔隙度大,则渗透率大。在恒定瓦斯压力条件下,型煤与原煤的渗透率随围压的增大而减小,均服从负指数函数变化规律;相同实验条件下,型煤渗透率普遍远大于原煤渗透率,且型煤渗透率随围压下降的速度比原煤的快。在恒定围压条件下,型煤与原煤的渗透率呈现先减小后增加的趋势,在瓦斯压力p<1.0 MPa范围内均具有明显的Klinkenberg效应。全应力-应变条件下,瓦斯渗流规律与煤样的破坏形式相关,煤样渗透率都表现出先减小后增大的现象,并且具有一般的“V”字型变化规律。     

构造煤的瓦斯放散特征

通过对构造煤与非构造煤在微观结构上差异的分析,进行了构造煤瓦斯放散的微观与宏观数学模型理论研究.通过研制的自动化瓦斯放散速度测试仪器,在实验室测定了最小突出压力吸附下煤的瓦斯放散速度,并结合构造煤瓦斯放散的数学模型,得出构造煤的瓦斯放散特征.认为构造煤在应力降低或解除时,瓦斯运移规律用菲克定律描述比达西定律更合理;构造煤前60 s的瓦斯放散速度规律更符合文特式V=V₁t^-a,且第1秒时的瓦斯放散速度V₁、衰减系数、Q_0-60、Δp值均与非构造煤有很大的差异.     

考虑孔径分布的低渗透煤层气体渗透率计算模型

渗透率是影响煤层气开发的关键参数之一,采用测井方法可以较为全面的获取储层渗透率,但测井方法求取的渗透率的准确度主要依赖于建立孔隙结构与渗透率关系计算模型。目前渗透率计算模型大都是基于平均孔径所建立的,忽略了孔隙分布特征对渗透率的影响。对于孔隙分布较为均匀的常规储层而言,孔隙分布对渗透率的影响不大,但对于孔隙结构复杂的低渗透煤层而言,孔隙分布对渗透率(尤其是气体渗透率)的影响不容忽视。采用上海纽迈公司生产的MesoMR23-060H-Ⅰ型核磁共振仪及太原理工大学自主研发的气体渗透率测试仪对山西西山煤田古交区块8号煤孔径分布特征与气体渗透率的关系进行研究,建立了考虑孔径分布的气体渗透率计算模型;比较新模型、基于平均孔径模型所计算的气体渗透率与实测气体渗透率的差异;以孔径分布符合高斯分布为例,研究了孔隙分布特征对气体渗透率的影响。研究结果表明:在考虑孔径分布的影响后,考虑孔径分布气体渗透率计算模型计算结果与实测值符合度较基于平均孔径计算结果符合度更好;当孔隙分布满足高斯分布时,孔隙率、气体压力和分布期望相同的低渗透煤样,标准差越大,孔隙结构越复杂,气体渗透率越大,与基于平均孔径所计算的气体渗透率差异越大,当标准差从0.05增加到0. 18时考虑孔径分布计算的气体渗透率由3.97×10~(-15)m~2变为4.2×10~(-15)m~2,变化幅度达10. 7%,考虑孔径分布模型与基于平均孔径模型计算气体渗透率结果的差异率由0. 97%变为11.78%;孔隙率、气体压力和标准差相同的低渗透煤样,分布期望值越大,气体渗透率越大,与基于平均孔径所计算的气测渗透率差异越小,当期望由0.35变为0.55时,考虑孔径分布计算的气体渗透率由2. 18×10~(-15)m~2变为4. 86×10~(-15)m~2,变化幅度达123%;在计算孔隙结构较为复杂的低渗透煤储层渗透率时,新模型可以更为准确的计算低渗透煤储层气体渗透率。     

综采工作面基本顶厚跨比对其初次断裂失稳影响规律

综采工作面基本顶初次断裂失稳机理对工作面支架选型及采场围岩稳定性控制至关重要。通过建立顶板力学模型分析得出:综采工作面基本顶初次断裂前,基本顶厚跨比从初始状态减小趋近极限状态时,其内部最大主应力σ1与最大剪应力τmax均逐渐增加;当厚跨比接近02时,σ1与τmax均出现陡增,但σ1增加速率大于τmax,易在基本顶两端顶部发生断裂,且基本顶初次断裂时极限厚跨比n1一般大于02。在不发生滑落失稳条件下,基本顶极限厚跨比n1随回转角θ的增大近似呈线性增加;证明了基本顶铰接结构回转初期(θ为0°～3°)易发生滑落失稳。在仅考虑厚跨比影响的条件下,基本顶铰接结构发生回转失稳的临界条件为极限厚跨比n1=0624。然而,当n1<0624时,回转极限平衡角大于岩块回转平衡角所允许的最小值时,亦会造成铰接结构回转失稳。同时,在考虑支架弹性变形的基础上,建立了基本顶铰接结构滑落失稳对工作面支架动载系数计算方法,当直接顶与基本顶离层量Δh为0时,动载系数Fsd取最小值;Δh不为0时,Fsd随Δh增加而增大,但随直接顶与支架刚度之比、直接顶自重与基本顶传递载荷之比增加而减少。最后,通过对不同综采工作面初次来压时支架工作阻力与动载系数进行计算,验证了理论分析的有效性。     

考虑两侧煤柱与弹性煤体基础的基本顶板初次破断特征

建立考虑两侧煤柱支撑与实体煤作为弹性基础的基本顶板初次断裂力学模型,采用差分算法及主弯矩破断准则计算研究得到如下结论。① 基本顶初始断裂位置为偏较弱煤柱侧悬顶区中部下表面(弹性基础系数k较小,基本顶厚度h、弹模E较大时),反之为偏较弱煤柱侧的长边实体煤区上表面;② 两侧煤柱的宽度L1,L2及支撑系数km1,km2改变时,基本顶中部区与实体煤区的主弯矩及位置几乎不改变,而两侧煤柱区的主弯矩及位置变化显著;③ E,h大,而L1,km1,L2,km2小时,基本顶在两侧煤柱区不断裂,破断顺序为:偏较弱煤柱侧的悬顶区中部下表面→偏较弱煤柱侧长边实体煤区上表面,断裂特征为非对称“=-X”型;反之基本顶在煤柱区会断裂,破断顺序为:偏较弱煤柱侧长边实体煤区上表面→偏较弱煤柱侧悬顶区中部下表面→较强煤柱区上表面→较弱煤柱区上表面,断裂特征为非对称“O-X”型;而L1,km1较小,L2,km2较大时,只较弱煤柱侧基本顶不破断,最终断裂形态为非对称“U-X”型;④ 比值k/E或k/(Eh3)不变(k,E,h改变时,km1及km2与k保持某个任意比值不变),基本顶破断规律不变。     

地应力对瓦斯渗流特性影响的试验研究

以重庆南桐煤矿突出煤层中的原煤试样为研究对象,利用三轴渗透仪实验模拟了煤层围压、瓦斯压力、轴向应力等参数变化对煤层瓦斯渗透特性的影响及煤层破坏后其渗透特性的变化情况,并拟合了部分关系的表达式,验证和揭示了相应的瓦斯渗流特性规律。     

强矿震临界破裂阶段的岩体弹性波场

为探索井田范围较大尺度岩体破裂失稳的危险性预测,以抚顺老虎台井田为工程背景,反演连续12个月矿震弹性波的传播速度比（v_P/v_S）和质点振动振幅比（A _S/A _P）,分析强矿震临界发生阶段的弹性波场变异特征。结果显示,M_L≥1.5矿震的波场信息较敏感,在M L≥3.0（E≥1.8×10⁸J弹性能）矿震前,波速比和振幅比绝大多数存在显著的低值异常,预测M _L≥3.0矿震的信度分别为0.79和0.93,虚假异常和缺失异常较少,具有良好的应用前景。波速比和振幅比在强矿震临界破裂前存在的降低和恢复过程,可能指示能量核心区岩体的张性破裂扩容和裂隙闭合过程。     

峰后破裂岩石加、卸载围压过程渗流特性的试验

针对岩石裂隙面因加、卸载围压环境而引起渗流特性的改变,采用自行研制的温度-应力-渗流多场耦合岩石三轴试验系统,开展峰后破裂岩石加、卸载围压过程的渗流试验,研究峰后岩石裂隙在不同围压加、卸载路径下的非线性渗流特征。为了量化裂隙岩石非线性渗流过程,采用Forchheimer公式对水力梯度与渗流流量之间的关系进行拟合分析,将峰后破裂岩石渗流过程划分为线性Darcy流阶段与非线性Darcy流阶段,引入非线性影响因子E,作为区分达西流与非达西流的临界点。对比加、卸载围压过程中相同渗透压力下的裂隙渗流流量与裂隙渗透性,分析产生渗流差异性的发生机制。研究表明:峰后破裂岩石在围压的加载过程中,其渗流主要表现为非线性特征,裂隙的渗透性随围压增大而逐渐减小。在高围压作用下,虽然裂隙面会产生一定程度的压缩闭合,但存在的少量张拉裂隙会逐渐扩展和连通,可能会引起峰后破裂岩石的渗透性发生改变。当围压从较高水平卸荷后,且裂隙面渗透压力处于较低水平下时,裂隙渗透性没有增加反而减小,表明裂隙面在加、卸载围压和过流冲刷的共同影响下发生了不可逆的变形,导致裂隙面开度的逐步降低。当围压卸载到与加载过程同一水平时,各级渗透压力下的渗流流量均大幅下降,表明裂隙面的渗流能力的恢复存在明显的滞后效应。