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。     

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。     

基于CT三维重建的煤层气非达西渗流数值模拟

为了探究煤层气非达西渗流中各参数对渗流的影响,通过CT三维重建技术,建立了从现场采集到的6种煤样的真实模型。基于建立的真实模型,进行了在30种不同压力梯度下的煤层气渗流数值模拟试验。模拟试验结果表明：（1）在微观尺度下(<100 μm),模拟得到的渗流速度与压力梯度符合Forchheimer高速非线性渗流规律;（2）渗透率随有效孔隙率的增长并不是绝对的,在有效孔隙率较大时会出现局部波折的情况,在相同压力梯度下,渗流速度总的趋势随有效孔隙率、渗透率、非达西系数的增大而增大;（3）非达西系数随着有效孔隙率和渗透率的增大而减小。幂函数拟合和多元回归分析结果表明有效孔隙率对非达西系数的影响最为显著,仅考虑有效孔隙率的经验公式可更加精确的估算非达西系数。由数值模拟结果得到的非达西经验常数为0.003 171,有效孔隙率幂次为-5.387 45。     

级配饱和破碎岩石压缩变形与分形特性试验研究

综合利用MTS816.03试验系统与自制的破碎岩石压缩装置进行了不同岩性饱和破碎岩石的压缩试验,分析了岩性、轴向应力、粒径配比和加载速率4种影响因素下试样的压缩变形与分形特性。得出以下结论:1)矸石、泥岩和砂岩试样的压缩过程相似且可分为2个阶段,即为0~4MPa的快速变形阶段和4 MPa后的缓慢变形阶段;而灰岩试样的压缩过程变形速率均匀。2)在相同粒径配比条件下,随着轴向应力的增大,砂岩分形维数单调增大,岩石颗粒破碎程度加剧。轴向应力与分形维数之间关系可用指数函数拟合。3)在试样压缩过程中,Talbol幂指数越大,试样轴向位移越大;加载速率越大,试样轴向位移越小。4)在12 MPa轴向应力下,Talbol幂指数越大,试样压缩后的分形维数增量越大,被压碎的岩石颗粒越多;加载速率越大,试样分形维数越大,破碎程度越低。     

小纪汗井田地层介质渗透特性及煤层为主含水层成因机制

以陕北榆横矿区特殊地质背景为基础,通过瞬态渗透试验研究小纪汗煤矿煤系地层的渗透力学特性,基于采集的岩样两端孔隙压差时间序列,通过差分得到渗流速度及其变化率的时间序列,基于最小二乘法计算得到了各层岩样在不同围压下全应力应变过程中的渗透率、非达西流因子及加速度系数,比较了不同岩层的最大渗透率及最小渗透率。研究表明：① 随着压缩应变的增加,煤样应力峰值滞后于渗透率峰值;② 应力峰后阶段,煤样非达西流因子及加速度系数先急剧增加后显著下降,两者峰值滞后于应力峰值;③ 洛河组中粒长石砂岩与2号煤层岩样峰后的最高渗透率显著高于其他岩层;④ 煤样的渗透率峰后约为1×10-15 m2量级,普遍高于一般煤矿煤层的渗透率;⑤ 所有岩层中,富县组砂质泥岩的渗透率最低,可视为隔水层。     

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。     

变质量破碎岩体非线性渗流试验研究

为了更进一步研究陷落柱的突水机理,完善陷落柱突水的试验基础,通过自制的一套变质量破碎岩体渗流试验系统,对变质量破碎岩体非Darcy流渗透特性进行试验,并对破碎泥岩在渗流过程中质量流失量、孔隙度、渗透率、非Darcy流β因子及加速度系数的时变规律进行了研究。研究表明:泥岩试样在渗流过程中渗流形式发生了巨大的变化。在渗流开始时,流失质量迅速增加,引起试样内部孔隙结构变化,孔隙度增加,试样的渗透性能增强,试样压得越密实,质量流失量越多,孔隙度变化越快,渗透性能越强。质量流失量与渗透性是相互影响的,由于试验中质量流失具有时变性特征,渗透性能也具有时变性。最后,陷落柱突水过程可以描述为,在其底部承压水压力作用下,大量细小颗粒随水流一起迁移流失,引起柱体内孔隙度变大,渗透性加强,导致渗流剧变,引发突水。     

抽采钻孔孔周煤体渗流阻力分布特征试验研究

瓦斯抽采钻孔孔周煤体的孔隙结构变化是影响其渗流阻力的重要因素之一。为研究钻孔孔周粉碎区和裂隙区煤体渗流阻力的演化特征,采用稳态渗流法,研究了三轴压实状态下初始孔径大小对破碎煤样内部孔隙压力的影响规律,并对渗透过程中试样分层界面对孔隙结构属性参数的影响进行了分析。结果表明：单一孔径试样在同一渗流速度下,随着孔径的增加,渗透状态逐渐由层流过渡到紊流,渗流阻力由黏滞阻力为主发展成惯性阻力为主,双重孔径组合试样最小孔径大小是影响孔压梯度变化的先决条件;双重孔径组合煤体平均颗粒粒径介于0.1～1.025 mm,孔喉比分布在2～4,且渗透压降随孔喉比的增加呈二次曲线规律增长;孔径大小的变化对渗透率的影响较大,随着初始孔径的增大,其影响瓦斯通过煤体的能力增强;单一孔径试样与双重孔径组合试样非达西流因子分别与粒径的倒数和粒径差的倒数呈线性关系,且随着非达西流因子的增加,非达西渗流效应越来越明显,说明非达西流β因子增长趋势受孔径大小的影响,且孔径大小突增导致流体与渗透骨架的相对接触面积减小,非达西流β因子进一步增加;可见,在瓦斯运移过程中,钻孔孔周煤体的破碎程度与煤层渗透性具有良好的一致性,结合渗透率与...     

断层破碎带岩体孔隙结构表征与非线性渗流特性

为揭示煤矿开采断层破碎带突水灾害发生机理，有必要深入研究断层破碎带岩体的孔隙结构和渗透特性。研制了破碎岩体渗流-应力耦合试验装置，提出了应力作用下级配破碎岩体孔隙结构测试和渗流试验方法，研究了应力和级配对破碎岩体孔径分布特征、孔隙分形特征和非线性渗流行为的影响规律，构建了基于核磁共振的承压破碎岩体渗透率预测模型。试验结果表明：(1)颗粒分形维数为2.6的连续级配和间断级配破碎岩体的孔径分布均为三峰结构，级配破碎岩体中小颗粒的缺失会导致孔隙率和最大孔径增大，降低破碎岩体的压缩性，增大应力可促使渗流孔向束缚孔转变，降低破碎岩体的压缩性。(2)渗流孔隙率对级配破碎岩体渗透率起主导作用，束缚孔隙率对渗透率的影响较小，增大应力会降低破碎岩体渗透性，大颗粒的缺失会导致级配破碎岩体渗透率减小。(3)连续级配和间断级配破碎岩体的非线性渗流特性均可用Forchheimer方程描述，应力影响下破碎岩体的渗透率和非Darcy流β因子变化趋势相反，小颗粒的缺失会导致级配破碎岩体非Darcy流β因子减小。(4)构建了基于核磁共振的级配破碎岩体渗透率预测模型，通过剔除束缚孔的影响并引入渗流孔的加权贡献，可显著提高...     

煤层气藏单相气体渗流特征实验研究

本文利用低速渗流实验装置,研究了煤层气藏的应力敏感性和滑脱效应,比较了煤层气藏岩心和砂岩试样结果的差异.研究结果表明:裂缝发育的煤岩属于强应力敏感性介质,随着有效应力的增大,岩心渗透率下降,当围压增加到10MPa时,岩心无因次渗透率低于10%;煤层气藏单相气体渗流具有滑脱效应,并且确定了滑脱系数与渗透率关系式,但在渗透率相差不大的情况下,其滑脱效应弱于低渗透砂岩气藏.     

煤层气渗流特征实验研究

采用实验方法,研究煤层气的渗流特征,包括有效覆压、气体压力、气体性质、温度等因素对煤层气渗透能力的影响,比较了甲烷在煤层试样、砂岩试样和煤粉试样中渗流性能的差异。研究表明,煤层试样的渗透率受有效覆压的影响很大,其应力敏感性程度超过砂岩岩样。模拟实验表明在煤层气开采过程中,试样渗透率能保持在原始渗透率的70％以上;温度升高,渗透能力提高。     

破碎泥岩三轴渗流试验及其稳定性分析

为了探究破碎泥岩微观结构和渗流参数的实时变化对渗流系统结构稳定性的影响,采用自主研制的破碎岩石三轴渗透试验系统并结合稳态渗透法和轴向位移控制法,对级配破碎泥岩进行三轴渗流试验。结果表明:有效孔隙度、渗透率、非Darcy流β因子的变化均与轴向载荷和围压有密切关系,且得到了渗流失稳时渗透率和非Darcy流β因子之间的关系和发生渗流失稳的主要条件。     

渗透率应力敏感性对煤层气井产能的影响

为了得到煤层气井产能方程,并对其敏感参数进行分析,基于煤层流体渗流规律,推导了在达西渗流和非达西渗流下考虑渗透率应力敏感性的产能方程,研究了韩城WLl井某煤层的煤层气井流入动态。结果表明：不管是达西渗流还是非达西渗流,考虑应力敏感性后煤层气井的产能明显减少,无阻流量最多可以减少12．4％;当改变渗透率应力敏感系数后,发现敏感系数越大,煤层气井的产能下降越多;如果生产压差较小,虽然应力敏感性影响不明显,但是产气量较低,生产压差过大又会浪费地层能量。因此,开发时制定合理生产压差是非常重要的。     

承压状态下破碎砂岩气体渗透率试验研究

考虑破碎岩体中气体渗流的非达西效应,依据气体渗流的非线性动力学方程,推导了破碎岩体中的一维稳态气体渗流的压力场分布规律,即沿着渗流方向,气体压力的平方呈线性下降。结合气体渗流试验数据,计算了不同粒径、荷载条件下的破碎砂岩气体渗透率。结果表明:岩石破碎程度越高,其对气体的传输能力就越弱,气体渗透率越低。     

含水压倾斜裂隙砂岩力学与渗流特性研究

为研究带压开采过程中煤层底板断层突水问题,利用三轴应力-渗流耦合试验系统对45°倾斜裂隙砂岩进行0、0.5、1、1.5、2 MPa裂隙水压条件下的三轴压缩渗流试验,研究不同水压条件下裂隙岩体力学特性与渗流特性的变化规律。结果表明：不同水压作用下,裂隙砂岩在三轴压缩下发生的破坏均为剪切滑移破坏,试件经历了裂隙压密、弹性变形、塑性破坏、剪切错动、残余强度等阶段;水压作用更容易造成试样发生剪切滑移,并且水压对岩体强度具有弱化作用,当水压从0增加到2 MPa,试件的三轴抗压强度从32.82 MPa降低为13.54 MPa,降幅58.74%。拟合分析表明,试件的弹性模量、峰值强度以及残余强度均随着水压的增大近似线性减小。裂隙渗流方面,渗透率随着水压的增大而增大;在峰前变形阶段,渗透率随着应变的增加呈指数函数关系递减;应力达到峰值强度后试件逐渐发生剪切错动,渗透率急剧增加;到残余强度阶段,渗透率发生微小波动但基本保持稳定。     

泥岩非Darcy流渗透特性指标正负号探讨

Forchheimer关系是非Darcy渗流研究中经常使用的一种经验关系,一般认为非Darcy流β因子和加速度系数这两个渗透特性指标(参量)总是正值.在泥岩和砂质泥岩试样全应力-应变过程的渗透试验中出现其中一个参量为负或者两者均为负值的情况,这究竟是有价值的试验现象,还是测试方法不够合理?指出一些文献在引用Forchheimer关系时出现的非Darcy流β因子前正负号的错误,给出了非Darcy流β因子和加速度系数出现负值的泥岩和砂质泥岩试样全应力-应变过程中渗透特性试验结果,并对其原因进行了粗浅的分析.     

注浆-钢衬联合堵水立井围岩非达西渗流场与有效应力场分析

高水压条件下采矿深立井围岩的饱和渗流一般处于非达西渗流状态，以此状态下深立井注浆防水与钢衬联合支护方案为研究对象，基于Izbash非达西渗流模型、厚壁圆筒理论以及连续介质弹性力学理论，借助计算机符号运算软件，对注浆-钢衬支护作用下的井周位移场和应力场完成解析求解，通过有限元软件ABAQUS将解析解和数值解进行了对比，两者结果基本一致；基于所得解析解进一步研究了非达西渗流系数变化和注浆-钢衬联合支护参数变化对支护效果的影响；提出了以控制涌水量来对注浆-钢衬联合支护优化设计方法并进行了算例计算。研究结果表明：非达西渗流系数越大，钢材井壁处环向应力随着钢衬厚度、注浆半径增大而减小的幅度也越大，增大非达西渗流系数对与提升注浆-钢衬联合支护的支护效果具有积极作用。     

低渗透油藏油水渗流特性研究

通过油水实验,分析了陕西某油田低渗透砂岩储层微观孔隙结构特征及油水两相渗流规律。根据核磁共振扫描分析表明,储层具有较强的微观非均质性,局部大通道体积小,但对渗透率有很大的影响。相对渗透率曲线表明,随着含水饱和度的增加,油相相对渗透率迅速降低,砂砾岩、含砾砂岩和粗砂岩的水相相对渗透率略有增加。中细砂岩水相相对渗透率增加,含水率快速增加,剩余油饱和度高。在岩心驱替过程中,在水驱前缘突破之前,沿程含油饱和度大幅度降低。在水驱前沿突破后,含水量迅速增加,直接进入超高含水阶段。研究成果为油水渗流特性的研究提供了依据。     

露天矿排放矸石三轴压缩宏-细观力学特性研究

露天矿排放的矸石目前被广泛应用于井下固体充填采煤中。针对固体充填采煤中破碎矸石在采空区的受压状态及矸石块体形状不规则、块体间咬合作用突出的特点,采用PFC3D数值软件,通过编写边界面程序,选用Clump模型生成形状不规则的凸面几何块体以模拟矸石块体,对破碎矸石在三轴压缩条件下的宏观力学响应及微观运动特性进行研究。研究结果表明:破碎矸石在侧限压缩条件下所产生的侧压力与其所受轴压成正比;破碎矸石承载能力随围压的增加而增加;围压效应下块体轴向位移呈上凹型层状分布,试样顶部存在明显的轴向位移三角区,试样两侧中部存在明显的侧向位移三角区;且粒径越小颗粒转动越活跃,大颗粒自身具备"运动惰性";随围压增加,试样内部力链间相互贯通程度逐渐增强,接触力链总数及颗粒间最大接触力逐渐增大,且相同轴向应力状态下侧限压缩条件时试样内部接触力链总数及最大接触力均高于围压条件。     

断层物质级配特征对渗流状态和非Darcy渗流参数影响研究

预防断层突水引发的矿井灾害至关重要。该文针对这一问题利用一维非Darcy渗流试验系统和数值仿真软件COMSOL研究断层物质级配特征对非Darcy渗流参数的影响规律,分析了产生非Darcy流的临界条件,揭示了断层突水机制,为预防突水灾害提供了理论基础。研究结果表明:断层物质的级配特征对非Darcy渗流参数会产生重要影响,试样中颗粒尺寸越大或粗颗粒占比越大,介质渗透率和非Darcy影响因子越大;当混合试样中粗颗粒占比达到75%以上时,在一定渗流速度下会产生质量流失,这是引发突水的重要原因;在颗粒粒径大于0. 5mm的单一试样或粒径大于0. 5mm的颗粒占到20%以上的混合试样中,当渗流速度大于0. 03m/s时会产生非Darcy流。考虑断层物质颗粒的级配关系对研究矿山突水问题具有非常重要的现实意义。