不同形式载荷煤体渗透率及其损伤试验研究

通过试验测定煤体分别在不同轴压和围压加、卸载状态下的渗透率,并对试验结果进行拟合.结果表明,在加、卸载过程中,煤体渗透率随轴压呈负幂函数规律减小,随围压呈负指数规律减小;渗透率随围压的变化幅度远大于轴压,围压卸载后煤体渗透率恢复程度远小于轴压;轴压和围压加、卸压过程煤体渗透率不可逆,出现渗透率损伤.     

松软煤体力学特征的含水率效应试验研究

为获得含水率对松软煤体力学特征的影响规律,以淮南矿业集团新庄孜煤矿66207工作面松软煤体为研究对象,开展不同含水率条件下松软煤体的单轴和三轴压缩试验研究。研究结果表明:松软煤体的强度和变形特征呈现明显的含水率效应。随含水率的增大,其强度、弹性模量和内聚力均呈先增后减的变化趋势,且极高点含水率均在3.072%左右,而内摩擦角变化不大;煤体泊松比与含水率正相关;随围压、含水率的增大,煤体偏应力-应变曲线由软化型向硬化型过渡,破坏类型由脆性逐渐转变为延性。与坚硬煤体遇水弱化的水理性不同,松软煤体合理注水后呈现出强化的特性,其力学本质为:松软煤体块度极小,含有大量的细微颗粒,水能促使煤颗粒团聚、胶结,提高煤体强度,强化煤体。研究成果对实施松软煤层的安全高效开采具有重要的理论意义和实用价值。     

液氮冻结含水煤体能量耗散动态变化规律的试验研究

为研究液氮冻结含水煤体过程能量动态变化规律，利用自主研发的液氮冻结煤体全过程声发射试验系统，分析了不同含水率煤体液氮冻结全过程的声发射能量耗散特征及变化规律。结果表明：液氮冻结煤体过程中声发射能量在时间域上，分为陡增期、波动期、平静期，能量一次、二次峰值均与含水率呈正线性关系，含水率5.96%煤体能量一次、二次峰值是干燥煤体的1.66、2.26倍；液氮冻结煤体累计能量与时间关系分为陡增、缓慢增长及稳定等3个阶段，累计能量与含水率呈正线性关系，含水率5.96%煤体是干燥煤体的2.88倍；不同含水率煤体幅值绝大部分集中在40～50 dB之间，占比为94.39%～99.11%，且随着煤体含水率的增加呈线性减小；液氮冻结煤体声发射振铃计数时间序列存在混沌分形特征，陡增阶段、缓慢增长阶段、稳定阶段的关联维数分别与含水率呈正指数、正线性、正线性相关，含水率5.96%煤体陡增阶段关联维数分别是缓慢增长阶段、稳定阶段的2.00、5.78倍；液氮冻结煤体产生裂隙类型以拉伸裂隙为主，其占比随含水率增加呈负指数减小，剪切裂隙占比随含水率增加呈正线性增大。煤体水分增加，增大了液氮冻结过程中水-冰相变产生的冻胀...     

含瓦斯煤体破裂过程围压效应研究

为了研究围压对淮北矿区含瓦斯煤体力学性质的影响,对含瓦斯煤体进行了三轴试验分析,并利用岩石破裂过程分析(RFPA2D-Flow)系统,模拟3种不同围压下含瓦斯煤体强度、变形和破坏的情况。研究表明:煤体极限抗压强度、残余强度和弹性模量随围压的增大而增大;煤体的残余变形和试验的围压及自身的强度有关,围压越大,残余变形就越小;加载过程中,含瓦斯煤体从弹性变形阶段逐渐软化,而后软化减弱表现出一定塑性特征;随着围压的不断变化,含瓦斯煤体的破裂形式也随之变化,含瓦斯煤体的宏观破裂面与最大主应力方向的夹角随围压增加而逐渐增大。     

CO2置换CH4试验中煤体应变及渗透率的变化

为研究煤层注CO2置换CH4过程中煤体应变及渗透率的变化特征,采用沁水煤田屯留矿3号煤层圆柱体原煤试样,在不同围压(8～20 MPa)及注入压力(1～6 MPa)条件下,进行注CO2置换煤层CH4试验。研究表明：置换试验中,煤样的轴向、径向及体积应变随有效应力的增加呈指数关系降低,随围压的增加而降低;同时随围压的增加,相同压降范围内的轴向、径向、体积应变降幅呈增大趋势;且相同围压条件下,径向应变大于轴向应变。试验同时发现,同一围压下,受有效应力效应、基质收缩效应及滑脱效应等作用影响,煤体渗透率随着有效应力的增加呈现先降低后增加的变化关系;相同有效应力条件下,渗透率随着围压的增大而减小;且在试验压力范围内,有效应力增加后期渗透率相对初期提高了8.53%~22.45%。     

煤体吸附过程中的变形-渗透特性试验研究

采用自主研制的煤岩三轴变形—渗透试验台,针对取自山西沁水煤田3#煤层的试验煤样进行煤体吸附过程中的应力应变和渗透特性试验研究。结果表明:自由状态和外部压力加载状态下,煤体的变形均随吸附瓦斯压力的增加而分阶段地逐渐增加,直至较高压力时变形趋于平衡;煤体变形量随吸附量的增加而有规律地增加,表现为开始阶段增长趋势较慢,后期变化较快;在同等的瓦斯吸附压力状态下,吸附量及其对应的煤体渗透率随轴压和围压的上升而逐渐下降,下降规律接近线性;在相同的轴压和围压的组合下,吸附瓦斯的煤体渗透率随瓦斯压力的增加而逐渐增加,规律是线性的。     

循环加卸载下含瓦斯煤能耗与渗流特性研究

以马兰矿8#煤层煤样为研究对象,进行不同围压下的采动轴向循环加卸载实验,研究煤体渗流特性及能耗损伤特征。结果表明:随着轴向应力的循环加卸载,σ1-ε1曲线呈现螺旋式上升,卸载曲线与下一次的加载曲线之间形成明显的滞回环,加卸载渗透率-应变曲线逐渐变为细长的"条带状"曲线,并在较低围压下出现交叉;随着加卸载次数的增加,渗透率绝对恢复率减小,最大降低率达20%左右,围压越大渗透率恢复越困难。随着加卸载上限应力的增大,煤体在加卸载过程中吸收的总能量、弹性能和耗散能均随着循环次数的增加而增加,煤体的损伤变量也在增大,但增加速率较缓;在循环加卸载结束至煤体屈服点阶段,渗透率随损伤增加呈对数函数减小,直至达到渗透率最低点;在屈服点至煤体破坏阶段,煤体损伤变量增加速率变快,渗透率随损伤的增加呈指数函数增大,煤体开始加速破坏。     

煤岩渗流-蠕变耦合试验研究

岩石在渗流作用下的蠕变为工程的长期稳定带来了诸多不利影响。研制一种可实现围压加载、轴压加载和空隙水压加载的岩石渗流-蠕变耦合试验装置,进行岩石渗流与蠕变的耦合试验,探讨岩石在渗流作用下的蠕变特性。试验得出：在固定水压和围压的情况下,煤岩轴压对试件弹性形变作用随轴压增加而降低;轴向的瞬时变形随轴压增大而增大;渗流量随轴压升高而降低。在轴压和围压固定的情况下,渗流量和蠕变量随水压的增大而增大,渗流对试件蠕变会产生一定的影响,蠕变也影响渗流量。     

清水钻井液作用下煤岩声学特性试验研究

为了研究钻井过程中煤岩性质变化,测量并分析了不同围压下煤岩浸泡前后纵波、横波速度与首波幅值特征。试验结果表明:煤岩的纵波速度及首波幅值随浸泡时间增长而增大,横波速度及首波幅值随浸泡时间增长而减小;煤岩浸泡清水钻井液后弹性模量变小、泊松比变大,且随浸泡时间增长而愈加明显;煤岩纵波、横波速度与首波幅值均随围压增大而增大;浸泡后纵波速度及首波幅值明显变大,浸泡前后的速度差值随围压的增大而减小,而首波幅值差值随围压的增大而增大;浸泡后横波速度及首波幅值均小于浸泡前,且二者的差值随围压的增大而增大。根据煤岩失效结构、吸水量及弹性参数变化特征,分析认为:钻井液渗入煤岩层理面,其润滑及支撑作用会降低层理面结构强度,导致煤岩沿层理弱面破裂失效。     

含瓦斯煤渗透率影响因素敏感性试验研究

利用三轴瓦斯渗流试验装置对不同含水率的含瓦斯煤进行渗流试验,揭示了受多因素影响的含瓦斯煤渗透率的一些新的认识:不同条件下含瓦斯煤的渗透率均随着轴压的增加而呈现出先减小后增加的趋势,同时发现,含水率越低的煤样,其渗透率随轴压变化的敏感性越强;温度对含瓦斯煤渗透率的影响与外围约束应力(围压)有关,外围约束应力较小时,温度所产生的热应力占主导地位,煤体外膨胀,其渗透率随温度的升高而增加;反之,外围约束应力占主导地位,煤体向内挤压密实,其渗透率随温度的升高而减小。并且发现在外围约束应力较小时,含水率越高的煤样,其渗透率随温度变化的敏感性越强。     

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%。     

含瓦斯煤渗透性影响分析

以屯兰矿8#煤层低渗透含瓦斯煤为研究对象,采用电液伺服渗流装置进行了轴压、围压与瓦斯压力的交叉试验,以分析含瓦斯煤渗透性影响因素及其重要程度.结果表明,在恒定的应力场中,含水率的变化对于煤体渗流特性影响很大,渗透率的变化与含水率呈现负指数函数形式,与轴压、围压也呈现负指数函数变化;通过比较拟合函数中的拟合系数a发现在含...     

三轴循环加卸载下煤岩损伤的能量机制分析

由于煤岩的变形破坏是一个十分复杂的损伤演化过程,因此有必要深入研究各种加载模式下煤岩损伤演化过程的能量转化机制。通过岩石三轴循环加卸载试验,分析了不同围压作用下煤岩的损伤演化行为。实验研究表明,在循环加卸载情况下,煤岩表现出明显的循环滞后环,且随应力的增大煤岩的损伤耗散能增大。在低围压下及单轴压缩下,煤岩的弹性模量随循环应力增大而下降,但在高围压下煤岩的弹性模量没有随循环应力增大而下降。这表明围压的作用引起了煤岩损伤机制的变化。为此给出了基于能量分析的损伤变量定义及其演化规律,克服了传统的基于弹性模量定义的损伤变量的不足,可以较好地描述不同围压作用下的煤岩损伤演化程度。     

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。     

煤体渗透性试验研究

针对水压力对煤体渗透性的影响问题,采用相对渗透系数Kr作为主要参照量,运用实验方法,研究了煤体在不同水压力下的渗透系数Kr,以及轴向应力σ与水压力H的关系。实验结果表明:在静水压低压注水过程中,试验各煤样的渗透系数Kr均较小,煤层注水压力H对煤注水渗透性Kr有显著影响;在注水压力H从低压到高压的连续加载过程中,各组煤样的渗透系数Kr随之呈现连续增加的趋势,煤样轴向压力σ在减小,并且存在临界注水压力H临界;煤体破坏时,临界水压力H临界大于轴向围压,试件出现拉伸破坏,发生裂隙扩展导通泄水现象;以水压力H为基本变量的指数函数σ=a2H+b2和多项式函数Kr对渗透系数σ及轴向应力的变化有较好的拟合性。     

基于煤的孔隙特性与润湿性的煤层注水压力的确定

以望云煤矿3#煤层为例,应用临界孔隙尺度这一概念来分析加压水可以进入的最小孔径范围,并用实验验证加压注水可以提高煤体润湿性,最后在临界孔隙尺度的基础上提出合理的煤层注水压力,为煤层注水提供参数。     

淮南矿区典型煤岩体全应力—应变渗透性表征试验

煤岩体是一种多孔介质,地下开挖使岩体的应力状态发生改变,导致岩体的力学性质和渗透性质发生改变,围岩应力状态和渗流场特性是获取储层瓦斯气、评价或计算矿井涌水量、防突水危害等具体工程问题的理论基础和科学依据。通过对淮南矿区煤岩进行三轴压缩全过程渗透性试验,分析了煤岩变形破坏全过程以及不同围压和瓦斯压力下的瓦斯渗透特性。得出煤岩全应力—应变曲线与煤岩瓦斯渗透率—全应力应变曲线之间的对应关系。结果表明:在微型裂隙闭合和弹性变形阶段,煤样渗透率随应力增大而减小,进入屈服阶段后,渗透率达到最小值并在峰值后呈持续增大之势;固定瓦斯压力作用下,煤样应力峰值随着围压的增加而逐渐增大,煤样渗透性与围压关系呈指数函数变化规律,且表现出应变滞后的特点;固定围压作用下,渗透率与瓦斯压力关系呈“V”字型走势,即在扩容阶段煤岩样渗透性达到最佳。     

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。     

分阶段卸载条件下突出煤变形特征与渗流特性

为研究下保护层开采过程中采动应力作用下含瓦斯突出煤的渗流特性,利用自制的三轴渗流试验机,进行了恒定轴压卸围压、增大轴压卸围压、轴压围压同时卸载等3种不同加卸载条件下的分阶段卸围压煤样瓦斯渗流试验。试验结果表明:试验中煤样的变形具有明显的阶梯状特性,煤样未破坏时,应变增量随着围压卸载速率的增大而增大。随着围压的卸载,恒定轴压卸围压组和增大轴压卸围压组煤样的偏应力不断增大,其渗透率则呈现出先减小后增大的趋势,而轴压和围压同时卸载组煤样的渗透率则随着围压的卸载,呈现出不断增大的趋势。煤样体积应变变化量较大时,渗透率变化量也大。从能量的角度分析渗透率的变化,发现煤样渗透率均随能量耗散率的增大而呈指数增大。