煤岩孔裂隙结构分形特征及渗透率模型研究

为探究煤岩孔裂隙结构与渗透特性的联动关系,采用扫描电镜、偏光和分形等手段分析煤岩孔裂隙结构分布特征,利用自主研发的出口端正压三轴渗流装置,开展恒定有效应力条件下孔隙压力升高的渗流试验。基于分形理论,考虑煤岩表面孔隙分布情况对煤岩渗透率的影响机理,建立考虑孔裂隙分形特征的煤岩渗透率模型,通过试验验证其合理性,对煤岩孔裂隙下分形维数和渗透率耦合进行定量分析。研究结果表明:①六盘水矿区煤岩表面含有一定数量的孔隙和裂隙,其中四角田7号煤层孔裂隙发育情况最好,具有2条清晰的宽度较大的裂隙,并伴有大量交叉微裂隙及孔隙发育,煤岩结构破坏严重;②通过盒维数法可得煤岩孔裂隙分布具有明显的分形特征,且煤岩孔隙率与分形维数呈正相关关系;③恒定有效应力条件下,煤岩渗透率随孔隙压力升高呈现先急剧降低后趋于平缓的趋势,受孔裂隙结构影响,在相同的孔隙压力下煤岩渗透率存在明显差异。煤岩表面孔裂隙结构越复杂其分形维数越大,有助于瓦斯运移,渗透率呈上升趋势;④考虑孔裂隙分形特征的煤岩渗透率模型计算值与实测值吻合度较高,与前人研究成果相比,无论理论机理的适用性还是对试验点的匹配方面都更加适用,且能较好地反映孔隙压力与渗透率的联动关系。     

基于等效裂隙开度的层理煤岩渗透率模型研究

为了改进渗透率模型,定量描述层理煤岩在力学变形与渗透行为上的各向异性特征,将平行层理煤岩的裂隙开度作为基准,引入了等效裂隙开度系数,将非平行层理煤岩的裂隙开度等效,提出了一种基于等效裂隙开度系数的层理煤岩渗透率演化模型。结果表明：随着层理角度增大,层理煤岩的渗透率显著降低,且层理角度越大的煤岩,随着气体压力的变化其动态渗透率变化幅度越小;有效应力与吸附效应对于渗透率的演化有显著影响,但在不同的力学边界下,二者属于竞争关系,有效应力对于渗透率的影响在恒定围岩应力边界下处于优势地位,而吸附效应则在位移固定边界条件下占据主导地位;对于层理煤岩瓦斯抽采,顺层理方向抽采可极大的提高抽采效率。     

裂隙煤岩各向异性渗透率模型和煤层注气THM耦合行为

CO2煤层地质封存可以减少温室气体排放,同时可提高煤层气的采收率。注气开采过程涉及到温度场(T),多相多成分流场(H)和应力场(M)之间的相互耦合。煤层割理裂隙渗透率是影响CO2地质封存和煤层气开采率的重要参数。煤岩渗透性的关键性因素裂隙张开度同时受控于法向应力和剪胀效应。考虑基质和割理的共同作用,提出基于组合裂隙三向平板简化的各向异性渗透率模型。在此基础上,建立了注入CO2提高煤层气采收率的三维数值模型并利用耦合软件TOUGH-FLAC进行求解。模拟结果表明,气体注进采出的孔压作用会引起煤层膨胀或收缩。与孔压,吸附应力/应变以及温度相比,剪胀对裂隙渗透率的影响不明显。在注采过程中,渗透率表现出明显的各向异性,注入井附近的异向渗透率甚至可达30倍差异。此外,注气初期应适当控压,井口附近的高压损伤将带来不必要的裂隙气体泄漏,导致注气失败。     

基于裂隙几何特征的岩体渗透率预测

为了研究基于地表裂隙特征的三维岩体等效渗透率预测方法,建立了不同裂隙特征下三维裂隙岩体几何模型,分析了裂隙几何特征、基质渗透率与二维切面等效渗透率与岩体等效渗透率的内在联系,发现二维切面等效渗透率整体小于三维岩体等效渗透率,且三维岩体等效渗透率与裂隙长度、密度、基质渗透率呈线性关系。量化了裂隙几何参数及基质渗透系数对三维模型等效渗透率的影响,并通过回归分析建立了基于三维岩体裂隙长度、密度、基质渗透率与二维切面等效渗透率预测三维等效渗透率表达式,预测效果较好。     

岩体裂隙网络串并组合渗透率预测模型

由三次方定理表达形式的转变,提出新的基于两端水头差的裂隙本征渗透率概念,分别探讨了裂隙在并联和串联情况下的等效本征渗透率。继而由岩体裂隙网络中裂隙的串并联关系,提出了岩体裂隙网络串并组合渗透率预测模型,首次提出了裂隙网络岩体本征渗透率概念。分别应用UDEC软件和所提出的串并组合渗透率预测模型对简单“人”字形裂隙进行了分析计算,得到了完全相同的结果。对两种理论的对比分析表明,二者在解决问题时是互逆的过程。所提出的裂隙网络岩体串并组合渗透率预测模型在实际应用中较为方便简单,也为煤矿突水的预测及防治打下了基础。     

考虑含水率影响的煤岩变形及渗透率模型

煤矿开采深度不断增加,煤层瓦斯含量升高导致动力灾害逐渐增多,给煤矿安全开采带来严峻考验。对于瓦斯在煤层中流动的研究一直以来都备受关注,其中渗透率正是影响煤层中瓦斯流动的关键参数之一。因此,为准确模拟开采环境变化导致的煤岩变形及渗透特性变化,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,开展不同含水条件下孔隙压力升高过程中煤岩渗透特性的试验研究,建立考虑含水率的吸附方程和吸附-渗透率模型,探讨含水率和孔隙压力共同作用对煤岩变形及渗透特性的影响。研究结果表明:①孔隙压力升高过程中,径向应变及轴向应变随孔隙压力的升高均呈降低趋势,瓦斯流量的变化呈上升趋势,煤基质由于吸附瓦斯产生膨胀变形,体积应变逐渐减小。②当含水率恒定时,随着孔隙压力的升高,瓦斯吸附量随孔隙压力增大先增大而后趋于平缓,产生的吸附变形的变化趋势与其相同;当孔隙压力恒定时,煤岩的吸附量和吸附变形均随着含水率的增大而减小。③在恒定含水率条件下,煤岩渗透率曲线随孔隙压力的升高先减小后趋于平缓;而在相同的孔隙压力条件下,随含水率的增加,煤岩渗透率整体逐渐减小,而且含水率越大孔隙压力对渗透率的影响越弱,水分子对渗透率的影响越强。④构建了考虑含水率的吸附量计算方程,并在此基础上进一步构建考虑含水率煤岩吸附-渗透率模型,其中所计算的渗透率值与试验所测结果基本一致,反映了煤岩渗透率变化规律。     

煤岩裂隙扩展及破坏的演化规律分析

煤岩的破坏失稳是煤岩体损伤不断累积和断裂逐渐发展的结果。分析了煤岩裂隙的扩展演化规律,总结了裂隙破坏的主要特征和本构关系。用UDEC4.0软件,对无瓦斯参与情况下掘进巷道临空面煤体在顶板逐渐加压过程中的破坏失稳过程进行了模拟研究,结果证明,煤岩介质在缓慢加载将发生以剪切破坏为主的失稳过程。     

考虑水分影响的煤岩渗透率模型及演化规律

在开采环境的不断变化过程中,煤岩通常处于气-水共存的状态。为了探究水分与煤岩渗透率之间的反应机制,利用等温吸附装置和含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,分别进行不同含水条件下的等温吸附试验和孔隙压力升高的渗流试验。基于水膜与孔裂隙表面的相互作用及水膜之间分离压的影响,并且考虑压缩变形及滑脱效应对煤岩渗流的贡献率,构建考虑水分影响的渗透率模型,进而分析不同含水条件下煤岩吸附与渗流变化规律。研究结果表明:① 在不同含水条件下,煤岩瓦斯吸附量随孔隙压力增大而增大,而随含水率增大,瓦斯吸附量呈减小趋势。同时,吸附变形随着煤岩的吸附作用而变化。② 煤岩中的水分易在孔裂隙表面形成吸附性水膜占据气体渗流的通道,并且气态和液态水分子会制约瓦斯流动,因而瓦斯流量随含水率增大而减小。当煤岩含水率恒定时,渗透率随孔隙压增大先减小后趋于平缓;恒定孔隙压力条件下,渗透率随含水率增大显著减小。③ 考虑压缩变形、吸附变形、水分和孔裂隙间水膜对裂隙宽度的影响,构建了考虑瓦斯和水分耦合作用的渗透率模型,而且煤岩渗透率计算值与实测数据基本保持一致,可以较好的表征含水煤岩的渗透率变化规律。     

煤岩渗透率与有效应力耦合关系及控制机理

以沁水盆地南部寺河矿3#煤为研究对象,通过煤样的有效应力敏感性实验,分析了煤岩渗透率与应力的相关关系,并对煤储层渗透率与应力的耦合计算模型进行验证。研究结果表明:煤岩渗透率与有效应力具有明显相关性,随着有效应力的增加,煤岩渗透率呈负指数衰减;裂隙是影响煤储层渗透率对有效应力敏感性的重要原因,且在有效应力大于9.45 MPa以后裂隙基本闭合,导致渗透率对应力不敏感。煤岩储层应力的变化会对煤岩及其孔裂隙结构产生塑性(破坏性)变形,致使煤储层渗透率发生不可逆下降,不可逆程度多高于50%。孔裂隙塑性变形主要发生在应力敏感区和过渡区,且由应力敏感区向过渡区过渡时,衰减无因次渗透率值会出现1个"波谷";由应力过渡区向不敏感区过渡时,衰减无因次渗透率值会出现1个"波峰"。     

采动裂隙煤岩破裂能量耗散特性及机理

乌鲁木齐矿区主采水平已进入深部开采,高应力强卸荷下动力破坏现象频发。为建立裂隙煤岩耗散能与声发射能量参数的定量关系,更好地了解煤岩体受载破裂特征,揭示高应力下裂隙煤岩破裂能量耗散及其灾变机制,本文采用实验手段分析单轴压缩荷载作用下裂隙煤岩体损伤直至破裂的阶段性特征及其能量释放规律,结果表明:裂隙煤岩物性特征一致性较好,其力学参数离散性大,裂隙煤岩的力学响应特征为非线性本构关系,峰后的应变值应只考虑屈服弱化区域的塑性应变;煤岩样破裂过程可划分为4个阶段:初始受载阶段、弹性阶段、微破裂阶段与峰后破裂阶段;给出了基于声发射能量参数的裂隙煤岩破裂耗散能的理论计算模型,确定了裂隙煤岩破裂应变能与弹性应变能及E_(AE-Ⅱ)/ΣE_(AE)间的关系,研究结果表明裂隙煤岩破裂所耗散的能量随着E_(AE-Ⅱ)/ΣE_(AE)的增加而减少。     

煤岩裂隙发育诱导采空区漏风及自燃防治研究

为了防治采空区漏风及浮煤自燃,结合阳泉矿区近距离上覆岩层冒落特点和U+Ⅱ型通风方式,在分析采空区煤岩裂隙的发育特征和大煤堆实验的基础上,提出:1)系统制定防灭火技术措施的必要性;2)增阻控制漏风技术措施;3)阻化剂的优选实验,及防灭火工艺的设计.结果表明,上覆岩层裂隙发育诱导采空区漏风是浮煤自燃的原因之一,14#煤层自燃倾向为Ⅰ类,采空区后部增阻有利于减少漏风量,MEA阻化性能优越,实现了15108工作面的安全回采.本文研究,对阳泉矿区U+Ⅱ型近距离煤层采空区浮煤自燃防治,提供了技术指导,具有重要的现实意义和经济价值.     

煤岩采动裂隙场的成因及其特征分析

煤层开采后将引起上覆岩层的移动与破断,从而在覆岩中形成采动裂隙。本文把随着工作面的推进,在上覆岩层中形成的一个动态的三维裂隙存在的空间叫裂隙场,分析了煤岩采动裂隙场的成因及其基本情况与特征。为研究煤岩瓦斯耦合、瓦斯突出区域预测及瓦斯的防治奠定了基础,为探索适合在裂隙场抽取利用瓦斯技术、早日实现煤与瓦斯安全共采,提供了科学依据。     

灌浆充填裂隙对煤岩强度及破坏模式的影响

为了探究灌浆充填裂隙对煤岩强度及破坏模式的影响,基于室内充填裂隙岩样的测试结果,借助颗粒流平行黏结模型进行一系列模拟研究。结果表明:随着岩桥角度增加,砂岩峰值应力与其对应的峰值应变均呈现出先降低后增加的趋势;此外,随着裂隙倾角增加,同一岩桥角度下裂隙煤岩的应变能和滑移摩擦能均有不同程度的增加;试样的破坏模式主要为拉伸破坏、剪切破坏以及拉剪混合破坏等。     

应力作用下含水煤岩渗透率及水膜动态演化机制

为探究应力-吸附-水与滑脱效应多因素综合作用下煤岩渗透率演化机制,考虑应力-吸附诱导煤岩变形的影响,修正水膜厚度表达式,并分析煤岩孔隙的动态变化。基于此,进一步量化含水煤岩气体滑脱效应的强度,建立考虑应力-吸附-水与滑脱效应多因素综合作用的煤岩渗透率模型。此外,结合煤岩渗透率试验研究,通过试验数据验证渗透率模型的可靠性,以揭示应力-吸附-水多因素综合作用下煤岩渗透率、动态水膜及滑脱因子的演化机制。研究结果表明：同一含水饱和度条件下,煤岩渗透率随有效应力增大先急剧减小后趋于平缓;同一有效应力条件下,煤岩渗透率随含水饱和度增大逐渐减小。水膜厚度在应力-吸附-水作用下动态变化,水膜厚度与应力、吸附呈负相关趋势,而与含水饱和度呈正相关趋势;随含水饱和度增大,滑脱因子逐渐增大,但在低应力条件下,增大趋势平缓,高应力条件下增大趋势急剧。此外,基于气-液-固表面分离压,推导应力-吸附作用下正方形、正三角形内动态水膜表达式,并分析不同几何形态孔隙的煤岩渗透率、动态水膜及滑脱因子演化机制的差异。其中,因角孔存在,不同几何形态孔隙内水膜厚度从大至小排序为圆形、正方形、正三角形,煤岩渗透率排序与其相反;圆形...     

焦作煤田煤层渗透率控制因素及预测

结合焦作煤田煤层渗透率的现场测试结果和实验室测试结果,分析了煤体结构、煤层裂隙、构造作用、煤化程度、煤岩组分和煤层埋深6个控制因素对煤层渗透率的影响,预测了焦作煤田的煤层渗透性。     

基于CT成像的煤岩孔裂隙结构重建及渗流模拟研究

为了探索煤层压力注水在不同渗透率裂隙条件下的渗流特性,采用CT成像技术对煤样扫描,获得原始图像,利用MATLAB软件中值滤波函数对其噪声点进行滤除,获得二值化孔隙骨架图像,最后采用COMSOL数值分析软件中的插值函数重构煤体二维模型,建立煤体渗流过程的液体流动模型,数值模拟分析压力水的渗流演化过程。研究结果表明:利用MATLAB分析软件处理CT扫描图像,可准确的描述煤岩的孔隙结构;经过COMSOL插值函数对煤的二维模型做出精细表征;水在煤体中流动主要受孔隙结构的影响,在主裂隙水流动衰减速度很小,而在煤基质和次裂隙夹杂区域部分流动,在基质部分基本不流动。     

煤岩破裂电磁辐射预测临界值的选取及应用

本文阐述了非接触电磁辐射法预测煤与瓦斯突出、岩爆、冲击地压等动力灾害现象的基本原理 ,系统地分析了电磁辐射预测指标临界值的影响因素 ;研究了临界值确定的具体方法。煤与瓦斯突出电磁辐射方法预测的实际应用效果表明 ,该方法是有效可行的     

基于赵固二矿煤岩损伤程度范围确定及渗透率演化规律研究

我国东部矿区深埋薄基岩厚煤层的开采面临着许多技术难题。受工作面开挖卸荷效应的影响,覆岩将发生大变形非连续破坏,而上覆岩层的非线性破坏是导致厚冲积层中水沙涌入工作面的根本原因。为了确定煤层及覆岩的损伤程度范围以及渗透率的演化规律,采用现场实测与数值模拟手段,以超声波波速的分布规律定量表征煤壁的损伤程度范围,以覆岩塑性区的高度和体积表征覆岩的损伤程度范围,并对FLAC^3D的渗流模式进行二次开发,分析工作面推进过程中覆岩及采空区渗透率的演化规律。研究结果表明：煤壁的损伤范围与超前支承压力峰值范围一致,6～7 m;覆岩塑性区的高度以及损伤程度随着工作面推进距离的增大而增大,当工作面推进至130 m时,覆岩达到充分采动,塑性区形状呈“马鞍”形分布;隔水层未破坏前岩体的渗透率与垂直应力呈负指数分布,隔水层破坏后高渗透率区域呈明显的分区现象,采空区岩体的渗透率随着冒落矸石的逐渐压实而降低。通过覆岩高渗透率范围的分布确定水沙渗流的主要区域,为赵固二矿14030工作面顶板突水溃沙的防治提供理论依据。     

裂隙网络及地下水网络流数值方法的研究

本文在阐明裂隙网络及地下水网络流的基础上,用数学方法将裂隙系统的实际空间展布及其几何结构形象地表出,并根据地下水在裂隙中的运移规律,建立了新的裂隙水网络流数值模型,这是反映裂隙水流的一个真实水文地质模型。