加卸载应力条件下原煤力学与渗透特性的实验研究

以川煤集团芙蓉公司某煤矿C1煤层的煤样为研究对象,利用煤岩热流固耦合三轴伺服渗流实验装置(THM-2),进行加卸载应力条件下原煤力学及渗透特性实验。研究结果表明:同一加卸载控制点下,原煤破坏时的体应变随加卸载速率比的增大而减小,破坏时的径向应变和轴向应变随加卸载速率比的增大而增大,随加卸载速率比增大,原煤破坏形态逐渐由多宏观断裂面向单一宏观断裂面发展。同一加卸载速率比下,原煤强度随加卸载控制点的增大而增大,原煤的破坏角随加卸载控制点的增大而减小。原煤在加卸载应力条件下,随着加卸载速率比增大,屈服阶段的渗透率响应变化量呈线性关系降低,加卸载控制点到原煤产生渗透率变化的应变响应变化量呈线性关系增大。     

真三轴加卸载应力路径对原煤力学特性及渗透率影响

深部煤炭资源开采过程中,由于地应力和工程扰动的影响,煤岩体常处于三向不等压的真三轴应力状态(σ1>σ2>σ3),而采用常规三轴(σ1>σ2=σ3)的加载应力路径难以反映煤岩体的实际受力状态。为此,利用自行研制的“多功能真三轴流固耦合试验系统”,研究了真三轴加卸载应力路径下原煤力学特性及渗透率演化规律。结果表明:真三轴加卸载应力路径对原煤的变形、强度特性及渗透率演化规律有重要影响。与CCT加载应力路径相比,LUT,LUUT应力路径下原煤峰值强度降低;真三轴加卸载应力路径下原煤八面体剪应力与有效平均正应力之间存在线性关系。真三轴加卸载应力路径下的原煤破坏方式均为拉-剪复合破坏。此外,真三轴加卸载应力路径对原煤渗透率演化规律有显著影响。     

交替加卸载条件下原煤的变形及渗透特性研究

采用热流固耦合伺服实验系统,开展了变轴压加载速率条件下交替加卸载过程中原煤的变形及渗透性实验,分析了交替增轴压、卸围压过程中含瓦斯原体的变形及渗透特性。结果表明：增轴压、卸围压过程中试样轴向呈压缩变形、径向呈膨胀变形,轴向压缩变形量和径向膨胀变形量随围压应力水平的降低均逐渐增大;增轴压过程中试样渗透率缓慢降低,卸围压过程中试样渗透率缓慢增大,满足二次函数关系;采用单位应力条件下试样轴向应变、径向应变和渗透率的变化率分析轴压和围压对试样变形参数的影响特征,采用单位时间内试样轴向应变、径向应变和渗透率的变化速率分析变轴压加载速率对试样变形参数的影响特性;随着轴向荷载强度和轴压加载速率的增大,试样轴向应变和径向应变变化速率的绝对值逐渐增大,渗透率变化速率的绝对值先增大后减小;相反,随着轴压加载速率的减小试样轴向应变、径向应变和渗透率的变化速率的绝对值均先增大后减小;卸围压过程中2个试样轴向应变和径向应变变化速率的绝对值均逐渐增大,而渗透率变化速率的变化规律相反。     

不同含水状态下含瓦斯原煤加卸载试验研究

以南川宏能煤业(原半溪矿)矿井西翼K1煤层为研究对象,利用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置,进行了不同含水状态下的含瓦斯煤加卸载试验研究。研究结果表明:(1)随含水率增加,加卸载煤样的承载强度、残余强度、变形模量都呈现降低趋势,而轴向应变、径向应变、体积应变及侧向膨胀率均呈增加趋势。(2)加卸载过程中煤样甲烷有效渗透率变化与煤样损伤变形演化相对应,但存在明显的滞后现象;煤样破坏前,含水率越高,甲烷有效渗透率越小;煤样破坏后,含水率越高,甲烷有效渗透率反而越大。(3)随含水率增加,加卸载煤样破坏程度增大,裂隙发育增多,形变量增大,煤样加卸载过程中的总能量和耗散能也增加,而弹性能却减小。     

加卸载条件下煤岩变形特性与渗透特征的试验研究

以原煤为研究对象,利用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验系统,采用加轴压、卸围压的应力控制方式开展煤岩加卸载试验,分析加卸载条件下煤岩变形特性和渗透特征的演化规律。研究结果表明:①加卸载试验峰值强度明显低于常规三轴压缩试验峰值强度,在加卸载过程中,主应力差有一个明显增加趋势,卸载第2阶段速率越大,其曲线斜率也越大,但峰值强度越小,对应的径向应变ε3、体积应变εV增加速率也越快,而到峰值后破坏阶段,均呈下降趋势。②加卸载过程中,煤岩渗透率、应力差与应变关系可以分为3个阶段,初始压密和屈服阶段、屈服后阶段、破坏失稳阶段。试件达到峰值后瓦斯渗透率出现突然小幅度上升,持续一段时间后,渗透率出现急剧陡增趋势。③煤岩渗透率的变化与煤岩的变形损伤演化过程密切相关,渗透率随变形的增大均呈二次多项式函数递增。     

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。     

不同加卸载路径下煤岩渗透性变化特征分析

查明不同加卸载路径下煤岩渗透率变化特征是进行采、掘过程中煤岩裂隙变化规律研究的基础。利用RMT-150B型岩石力学伺服实验系统对不同煤样进行了不同应力、不同变形阶段的多次加-卸载下的渗透性测试试验,基于孔裂缝的演化机理对渗透性变化规律进行总结,并对变化机理进行了分析。结果表明:峰值前进行加卸载时,渗透性变化幅度较小;应变-渗透性曲线较应力-应变曲线滞后性不明显。其变化主要取决于弹性变形;峰值后进行加卸载时,渗透性发生质的变化,增加幅度较大,并且应变-渗透性曲线较应力-应变曲线滞后性明显,其变化主要取决于塑性变形。同时随着循环加卸载次数的增加,渗透性均是逐渐变大,尤其是同一加卸载过程中相同应变所对应的加载与卸载时渗透性的差值。     

加卸载条件下含瓦斯水合物煤体应变及渗透率试验研究

为探究瓦斯水合固化及加卸载条件下含瓦斯水合物煤体应变及渗透率变化规律,采用自主设计的应力–渗流–化学耦合作用煤体三轴试验装置,测量瓦斯水合物生成前后煤体渗透率及升轴压卸围压条件下煤体(3种粒径：0.425～0.850(20～40目)、0.250～0.425(40～60目)、0.180～0.250 mm(60～80目);3种饱和度：40%、60%、80%)应变及渗透率,获取加卸载条件下应力–应变曲线确定煤体变形特征,分析瓦斯水合物生成、水合物饱和度及偏应力对煤体渗透率的影响规律,通过渗透率损失率、变形角公式对煤体渗透率影响程度、体积膨胀效应进行量化表征,基于渗透率模型初步探讨水合物分布模式对煤体渗透率的影响机制。研究表明：① 饱和度对煤体渗透率变化规律影响较为复杂,总体而言,随着饱和度增加,渗透率降低百分比越大,堵塞程度越显著。瓦斯水合物生成后,煤体渗透率明显降低,降低幅度为58.3%～83.3%(20～40目)、61.5%～95.0%(40～60目)、81.8%～90.9%(60～80目),随着饱和度增加,煤体渗透率整体呈降低趋势,下降幅度为55.6%～86.1%。② 煤体轴向应变随着时间增加呈现出稳定增大、缓慢增大和快速增大3个阶段,煤体渗透率与应变具有一定相关性,并随着偏应力增加呈二项式函数增大、先减小后增大、先增大后减小3种趋势,二项式函数可较好预测采掘应力扰动下瓦斯水合固化后煤体渗透率变化规律。③ 引入渗透率损失率,在相同水合物饱和度下,随着偏应力增加,煤体渗透率损失率整体呈增大趋势。④ 引入体积膨胀变形角,在相同偏应力差下,随着饱和度增加,煤体体积膨胀变形角由19.0°～63.9°降至0.2°～38.2°,说明水合物饱和度越低,煤体体积膨胀效应越显著。     

不同加卸载下层理裂隙煤体的渗透特性研究

为获取不同载荷条件层理裂隙煤体渗透演化规律,采用煤岩渗透-力学试验系统,在加载、卸载过程中对含层理原煤试件进行渗透实验研究。实验结果表明:加载阶段,随着有效应力的增大,层理面间隙宽变小,渗透率降低,加载初期的渗透率急剧降低,当有效应力从1 MPa升高到7MPa时,渗透率下降近81%,随后渗透率的变化趋于平缓;卸载阶段,随着围压的不断卸除,受压的层理裂隙得以逐渐恢复,渗透率逐渐增大,但最终渗透率只恢复到初始值的14%,即加载过程煤体层理裂隙变形、闭合对裂隙面造成永久性的损伤,使得在卸载过程中难以恢复而造成渗透率损失;并结合实验条件建立了层理裂隙煤体渗透率与有效应力之间的理论模型,与实验结果对比分析,具有较好的吻合度。     

不同应力路径下脆性岩石的加卸载响应比研究

加卸载响应比（LURR）理论是研究非线性力学系统稳定性的一种代表性方法。通过3种应力路径研究了冬瓜山典型脆性岩石包括砂岩、大理岩和蛇纹岩的LURR特征。以轴向应力为系统输入参数,单轴压缩轴向加卸载条件下,随着荷载增加,轴向应变的LURR值开始保持稳定,接近峰值时出现突增-回落现象,环向应变的LURR值在荷载中期出现反常突增情况。三轴压缩条件下保持围压恒定,轴向加卸载的轴向应变和环向应变的LURR值存在与单轴压缩类似的特征。研究了轴压不变围压加卸载的简单加卸载定义,轴向应变和环向应变的LURR值在逐级加卸载围压过程中保持稳定,然后在接近破坏时呈现较大幅度的增长。最后分析了不同应力路径下岩石的破坏特征。     

载荷作用下煤体变形与渗透性的相关性研究

利用含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置,进行了不同气体压力作用下煤样全应力应变过程的瓦斯渗流实验。实验结果显示,煤样渗透率与变形之间存在内在关联,渗透率变化呈现阶段性特点。基于考虑气体吸附性的含瓦斯煤有效应力,建立了加载煤样变形与渗透率的相关性模型,研究受荷煤样变形与瓦斯渗流的相互关系。理论分析表明：当应力控制边界条件时,渗透率与煤样变形密切相关;煤样渗透率的变化受到有效应力、煤样变形模量、孔隙率和气体吸附性的共同作用;有效应力系数是联系煤样变形和渗透率的关键参量。由于理论计算结果与实验曲线较为接近,因此模型反映了不同瓦斯压力下加载煤样变形与渗透率变化的基本特征。     

地应力场和地温场对型煤渗透率影响的实验研究

以贵州玉舍煤矿1号煤层煤样为研究对象,利用自主研发的三轴渗透仪,进行了温度和平均有效应力条件下的三轴渗流实验,分析了两者对渗透率的综合作用,得出随温度的升高,渗透率呈减小趋势,但下降梯度不大;随着平均有效应力的增大,渗透率急剧下降,下降的梯度较大。     

煤样渗透率围压敏感性试验研究

根据采掘工作面前方煤体的复杂受载状态,利用自主研发的受载煤岩瓦斯渗流试验系统,研究了不同含水率煤样在2次加、卸载围压过程中的渗透率变化特性。研究结果表明:随着围压的增加,煤样的无因次渗透率及渗透率损害系数减小,且减小幅度逐渐趋于平缓;第1次加载过程的应力敏感性要大于第2次加载过程,应力敏感系数随着煤样含水率的增加而增加;围压升降过程中煤样渗透率的变化是不完全可逆过程;第1次围压加、卸载过程中,渗透率损害很大,且随着含水率的增加而增大,第2次加、卸载过程中渗透率损害率较小。研究结果可为深入认识煤层瓦斯运移规律提供试验基础,也可为煤层瓦斯抽采和煤矿瓦斯灾害防治提供理论支撑。     

煤渗透特性及其气体压力敏感性试验研究

为探索煤中孔隙流体压力的变化导致渗透率的改变,引发煤渗透率压力敏感性现象,利用自主研发的出口端压力可调的三轴渗流装置,对贵州3个矿区的煤开展不同吸附性气体与不同气体压力下煤的敏感性试验研究。研究结果表明:在较低气压范围内(0~0.6 MPa),随气体压力的增加,煤渗透率下降明显,当气体压力继续上升煤的吸附作用逐渐趋于平衡,煤体骨架的吸附膨胀变形也越来越小,渗透率的下降速率逐渐减少并趋于平缓。在气体压力小于1.0 MPa时,煤渗透率损害率Dp变化较大,且随气体压力增加快速增大,表现出较强的压力敏感性。不同吸附性气体条件下,气体压力指数关系敏感系数Cp均随气体压力的增加而逐渐减小,煤渗透率对气体压力的敏感性降低。对于同一煤,在相同的条件下,CH4的气体压力乘幂关系敏感系数Sp的值最小,煤对气压的敏感性越差。乘幂关系的气体压力敏感系数Sp与渗透率损害率Dp有很好的线性相关性。     

不同瓦斯压力条件下含瓦斯煤的渗透特性试验研究

为探讨瓦斯压力对含瓦斯煤渗透特性的影响,通过含瓦斯煤的三轴剪切试验,获得试件在进行三轴渗流试验时始终处于稳定应力状态的轴向应力和围压的合理取值,在此基础上,以贵州松河煤矿8号煤为剖析对象,利用自主研制的出口压力可调的三轴渗透仪进行了有效应力和温度恒定、不同瓦斯压力条件下的三轴渗流试验。结果表明:当瓦斯压力恒定时,含瓦斯煤试件的抗剪强度随着围压的增加而增加;当有效应力、温度和试件两端压差恒定时,渗透率以指数关系随着间隙气压的增加而下降;当有效应力、温度和间隙气压恒定时,渗透率随着两端压差的增大而减少。试验结果为地面煤层气开发和井下瓦斯抽采提供了有力的技术支撑。     

CO2致裂钻孔瓦斯径向non-Darcy渗流影响因素研究

CO₂致裂作为提升低透煤层瓦斯抽采效率的关键技术手段,其核心机制在于通过将高压CO₂注入煤层,诱导煤体内部产生裂隙网络,从而大幅度提升煤层的透气性。CO₂致裂技术实施后,致裂孔孔周煤体内形成了大量的宏观扩展裂隙,形成特殊的“环状”孔/裂隙结构,这些孔/裂隙网络构成了孔周瓦斯流动的主要通道。为了深入研究此类“环状”孔/裂隙结构煤体的瓦斯渗流特性,设计构建了LFTD1812−3型瓦斯径向渗流试验系统,以不同粒径组合的“环状”煤样为研究对象,开展了系列瓦斯渗流试验。试验结果表明：① 初始阶段,孔周煤体渗透率随着瓦斯压力的增加有所下降,随后逐渐趋于稳定,在此过程中,破碎区的渗透率普遍高于裂隙区,且随着煤体破坏程度的加深,煤体内流体流动通道持续增多和改善,进一步验证了CO₂致裂技术的有效性。② 非达西流因子β与煤体渗透率存在显著的关联性,随着β的增大,渗透率降低,这与非达西流因子β与煤体孔隙/裂隙结构复杂性的正相关关系一致。原因在于,孔隙度变化较小的情况下(φ≤0.01),由较小粒径(d≤0.4 mm)煤颗粒组成的煤样,其非Darcy流因子从1.28×10⁵最终减小到1.4×10⁴;而由较大粒径(0.6≤d≤1.0 mm)煤颗粒组成的煤样,非Darcy流因子从2.6×10⁴最终减小到7.5×10³,表明由较小粒径煤颗粒所组成试样的非Darcy流现象更为显著。③ 试样粒径的组合方式对其渗透率具有显著影响,粒径越大导致其孔隙空间越大,组合试样渗透率越大。在“环状”组合试样中,当外环粒径保持不变而内环粒径增大时,渗透率呈上升趋势。由较小粒径(0～0.2 mm)煤颗粒组成的外环与由较大粒径(0.4～0.6 mm)煤颗粒组成的外环相比,后者的渗透率显著大于前者,且增长趋势更为显著。④ 随着有效应力的增加,钻孔周围煤体的渗透率呈现下降趋势,且遵循负指数规律,这种关系可以表示为$k = {a_1}{sigma ^{ - {b_1}}} $,对于钻孔破碎区,随着有效应力的增大,渗透率的下降趋势相对缓和。此外,有效应力的变化同时会影响到煤体内部的应力平衡状态,进而促使孔周煤体裂隙扩展,煤层透气性将得到进一步提升。基于以上结论,在CO₂致裂技术实施过程中,可依据致裂钻孔孔周煤体的瓦斯渗流特征参数,精准确定钻孔的致裂半径,并据此为CO₂致裂钻孔间距的合理布置提供理论指导,进而实现低透煤层瓦斯的高效抽采。     

反复加卸荷煤体氧化特性研究

为研究采动载荷煤体因力学特性和孔裂隙变化发生初期氧化的演化规律,采用煤岩三轴蠕变、程序升温实验和FTIR、AFM技术对易自燃原煤样、反复加卸荷煤样进行氧化宏微观参数对比分析。研究表明,加卸荷煤样升温氧化过程中耗氧量和CO产生速率均较前一实验条件增加,低温阶段,指标性气体参数值“骤降”和“陡升”点对应的临界温度值逐渐减小,加卸荷3次和加卸荷2次煤样较前一实验条件煤样增幅减小。随着加卸荷次数增加,氧化煤样中芳香烃含量逐渐增多,脂肪烃含量逐渐减少,羟基先减少后增多,羧基—COOH和羰基—C=O波峰呈“马鞍”状,由此判断出煤样氧化进程加快。煤体BJH比表面积、孔容值和吸附—脱附差量逐渐增大,可表征加卸荷作用致煤样中微孔增加,中孔、大孔塌陷裂变。加卸荷前3次较前一实验条件煤样的微观孔隙结构参数值增幅先增大后减小最终趋为0,综合加卸荷4次实验分析结果,推断出,随着加卸荷次数的增加,煤体的微观孔隙结构参数值有减小的趋势,可证实存在最优的加卸荷次数(≥3次)和BJH比表面积(≥27.002 m²/g)使煤体氧化自燃能力最强。采掘工作面前方、煤层保护层及相邻近煤层受重复采动的影响,煤体孔裂隙再发育贯通性增强,破碎程度升高,氧化自燃的潜在危险性增大。