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。     

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。     

加卸载煤体损伤-渗透特性影响因素实验研究

深部煤层开采过程中,多重因素影响着煤体损伤-渗透特性.为揭示采动煤体损伤-渗透特性演化规律,开展了不同工程条件代表的恒围压加轴压(路径1)、恒轴压卸围压(路径2)和同时加轴压卸围压(路径3)3种力学路径下煤体损伤-渗透实验,分析加卸载方式、轴压加载速率、围压卸荷速率以及围压等因素对型煤煤体损伤-渗透特性的影响规律.结果...     

循环载荷作用下煤体渗透率演化的实验分析

多期次载荷作用下的煤体,其孔隙结构会发生复杂变化,渗透率也随之改变。然而,不同加卸载速率与循环周期决定着煤体渗透率变化路径,影响其应力敏感性,开展循环载荷控制下煤体渗透率演化规律研究,对于解释复杂应力场下煤层渗透率的各向异性特征有理论支撑作用。借助于煤层渗透率应力敏感模型分析,研究了影响煤体渗透率变化的关键表征参数及其函数关系;为验证关键参数对煤体渗透率影响,采用预定轴压和气压、加卸载围压的方式开展煤体三轴循环变载气体渗流实验,分析在不同围压(2.0～12.0 MPa)下煤体渗透率和体应变的演化规律;为研究煤体孔隙结构变化对渗透率的影响,通过低温氮气吸附实验和荧光显微镜煤样观测统计,完成了循环载荷加卸载前后煤体孔隙结构变化对比。研究结果表明,煤体加载/卸载过程中渗透率变化趋势与围压变化负相关,总体可以分为线性段、指数段和稳定段等3个阶段;随循环加载次数的增加煤体应变逐步增大,而渗透率却随之降低;相同条件下,煤体渗透率随体应变增加而升高,增幅在16.79%以上,而渗透率恢复率逐步降低,且与围压变化负相关;3次循环加卸载实验导致煤体孔隙结构发生了显著变化,微孔体积提高71.79%,比表面积增加52.19%,而平均孔径降低32.06%,但循环载荷没有改变煤体的最可几孔径;孔隙结构变化的数据表明,微孔体积增加是煤体渗透率劣化的重要标志之一。对比循环载荷作用前后的孔隙结构实验数据发现,影响气体吸附-解吸的孔隙结构变化,决定了"迟滞环"面积,而决定"迟滞环"形状的关键因素是由煤体最可几孔径控制的突变压力。另外,煤体应变包括裂隙体积变化和孔隙体积变化两部分,其中裂隙影响重要度指标(χ)反映了裂隙体积变化在煤体应变中的权重关系,χ变化随围压升高而降低。     

塑性流动下砂岩渗透率演化试验研究

为了研究剪切屈服后煤层顶板岩体在开采过程中渗透率的演化规律,进行了不同轴向应变下的围压循环加卸载渗透试验。当达到峰后轴向应力的90%时开始循环加卸载围压,分析剪切屈服后砂岩渗透率随围压、轴向应变的变化规律。结果表明:(1)随着围压、轴向应变的增大,砂岩的渗透率均呈现降低趋势;(2)随循环次数的增多,围压对渗透率的影响越来越小,渗透率恢复率升高;(3)随着轴向应变的增大,砂岩产生的塑性变形越大,由此围压对渗透率的影响减小,渗透率恢复到初始值的能力降低。最终得到剪切屈服后围压和渗透率的理论关系式,为预测巷道开挖过程中的涌水量提供一定的参考。     

含瓦斯煤渗透率对轴向循环荷载响应特征的试验研究

利用自行研制改造的含瓦斯煤热流固耦合三轴渗流实验装置,以典型豫西"三软"构造煤原煤样为研究对象,轴向等应力循环加卸载作用下含瓦斯构造煤渗透率的影响。结果表明:煤样渗透率在轴向应力加载过程中减小,卸载过程中增大,渗透率与轴向应力在加卸载过程中符合负指数函数分布;渗透率无因次量与有效应力关系表明,渗透率无因次量对有效应力较为敏感,有效应力变大,渗透率无因次量降低速率变大,有效应力减小,渗透率无因次量会有所恢复;循环加载过程中,渗透率对于首次加载敏感性较强,渗透率损失较大。卸载过程中,渗透率恢复不到初始值。同时,循环加卸载过程使煤样塑性变形进一步增加,也使得渗透率对于有效应力的敏感度降低。     

煤体应变对渗透率的影响分析

煤的渗透率受到骨架应力与孔隙压力的共同作用,并与煤的吸附变形有关。通过实验方法研究了煤体渗透率与变形之间的关系,结果表明:相同气体组分相同围压条件下,应变与渗透率的变化关系呈"V"字形曲线,应变有一临界范围,大于这一范围随应变的增大渗透率变化不大,而小于这一值时,渗透率变化很大;气体组分不同时,高应变条件下,CO2的渗透率略微大于N2的渗透率,这与孔隙压力与渗透率的变化关系是有区别的。     

不同围压和气压下煤体渗透特性的试验研究

为探究不同地应力及气体压力下瓦斯气体在煤层中的渗流规律,进而为瓦斯抽采及瓦斯事故防治技术提供技术支持,以科学试验为手段,对不同围压及气体压力条件下煤样渗透率的演化规律进行了深入研究.得出如下结论:煤样渗透率在全应力-应变过程中可被划分为3个阶段,即逐渐减小阶段、基本稳定阶段、显著增加阶段;当煤样所处气压与轴压恒定不变时...     

考虑尺度效应的煤样渗透率对围压敏感性试验研究

通过试验研究了不同尺度(d=2.5,3.8,10 cm）煤样在围压加、卸载条件下的渗透率变化.对试验结果进行非线性拟合分析,得出煤样的渗透率与围压之间存在负指数关系.煤样渗透率对围压敏感性存在着尺度效应,即小尺度煤样在围压加卸载条件下(d=2.5 cm）渗透率变化比大尺度煤样（d=10 cm）更为敏感.煤样渗透率对围压敏感性的尺度效应在围压加、卸载过程中呈现出不同的特点.在围压加载初期,尺度效应明显.随着围压增大,尺度效应减弱,卸载过程与此相反.推导了基于尺度效应的煤样渗透率对围压敏感性的计算公式,并对公式应用范围进行界定.     

不同损伤状态下煤岩渗透特性的试验研究

对不同围压状态下不同损伤程度煤岩的渗透特性进行了试验研究,研究结果表明:煤岩渗透性与损伤程度关系密切,其渗透性演化规律与损伤演化规律一致;围压对煤岩的渗透率影响较大,损伤程度相同时,围压越大煤岩渗透率越小。     

双向静载约束条件下动力冲击对煤岩的损伤影响

利用自行研制的约束式摆锤冲击动力加载装置,对煤样进行双向静载约束条件下动力冲击试验,在不同静载约束条件下,研究了恒定冲量循环冲击与递增冲量循环冲击对煤样损伤演化的影响规律.基于超声波检测对不同静载约束条件下试样受冲击作用的损伤程度定量化表征,并对不同静载约束条件下煤岩表面的裂纹扩展规律进行了分析.研究发现在不同静载约束...     

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。     

冲击载荷作用下煤岩破碎与耗能规律实验研究

为了探索煤岩在冲击过程中的破坏特征和能量耗散规律,利用Φ75 mm霍普金森压杆(SHPB)实验装置,对煤岩试件进行不同应变率条件下的冲击压缩实验,分析了冲击加载速率对煤岩破碎耗能和块度分布的影响。实验结果表明:在实验应变率范围内,随着子弹速度的提高,应变率和应力波携带的能量均呈线性增长,而煤岩破碎耗散能则呈指数上升。通过对实验碎块进行块度分维,发现随着应变率的提高,试件的耗散能密度快速增大,煤岩碎块的分形维数就越大,块度越细,破坏的程度越剧烈。分形维数与应变率及耗散能密度之间呈对数增长的关系,即分形维数增大的趋势变缓。     

冲击载荷下三轴煤体动力学分析及损伤本构方程

为研究冲击载荷下三轴煤体的动力学特征,建立了三轴分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,开展了轴向静载、围压和冲击载荷随机组合的动态冲击试验,研究了三轴煤体在冲击载荷下的动力学特性。实验结果表明:冲击载荷下三轴煤体动态应力应变曲线无压密阶段,轴向预静载有助于使煤体原生裂隙闭合,初始加载就表现出完整弹性体的特征;当应力达到峰值强度的60%～85%阶段时,应力应变曲线呈现"跃进"现象,可能与碳在晶体微破裂中的作用有关;当应力超过煤体动态强度,试样破坏,应力降低。冲击载荷下三轴煤体动态强度和破坏应变与平均应变率高度线性相关,应变率效应明显,应变率效应使得不同轴向静载、围压和冲击载荷因素对煤体动态强度和破坏应变的影响具有可比性。基于岩石力学强度理论和统计损伤理论,建立了冲击载荷下三轴煤体动态损伤本构模型,该模型综合考虑了轴向静载、围压和冲击载荷等因素,明确地反映了3种因素对煤体动力学特征的影响,轴向静载会劣化煤体,造成动态强度降低,围压和冲击载荷有助于提高煤体的动态强度,理论模型反映的特征与试验结果相吻合,并通过建立的本构模型和试验应力应变数据拟合了理论应力应变曲线,其与试验应力应变曲线基本重合,且应变率越高,一致性越好。     

含瓦斯煤多级式卸围压变形破坏及渗透率演化规律实验

以重庆松藻煤电有限责任公司的典型煤与瓦斯突出矿井--打通一矿7号煤层为研究对象,利用自行研制的“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置”,进行了不同初始围压和不同瓦斯压力组合条件下,含瓦斯煤多级式卸围压变形破坏及渗透率演化规律实验研究。研究结果表明：开始卸围压后,煤岩并不是立即被破坏失稳,而是维持在σu1一段时间,经历n级卸围压作用后才会失稳;在煤样失稳前,每一级卸围压过程中煤样的变形和渗透率变化速度都是不一样的,均呈加速增大的趋势;在每一级围压恒定阶段,随着围压的降低,煤岩的蠕变速度和渗透率也均是加速增大的;卸围压阶段比围压恒定阶段变形和渗透率增大速度快得多;无论是卸围压过程还是恒定围压阶段,围压降低引起的横向变形的变化速度均大于轴向变形的变化速度。     

脉动孔隙水压下低透性松软煤岩损伤变形的实验分析

为了研究脉动水压作用下低透气性松软煤岩损伤变形特征,采用RLW-2000M微机控制煤岩流变仪对标准原煤样进行了不同上限水压实验。结果表明:在脉动水压作用下,煤样疲劳破坏应变曲线具有三阶段特征:压密耦合阶段应变曲线在初期循环加、卸载过程中将产生较大变形,不容易形成滞回环曲线;弹性耦合阶段应变曲线呈现出稳定的滞回环曲线进行变化;屈服变形阶段经历几次较大的变形以后,煤样将产生疲劳破坏。采用能量耗散的观点对弹性耦合阶段的变形状态进行了判定,判定结果表明该阶段煤体单元在脉动水压的每次循环作用下都将产生一定的塑形变形和损伤。最后基于Logistic方程建立了煤岩损伤破坏数学模型,并采用最小二乘法进行拟合分析确定了未知参数。     

不同瓦斯压力原煤全应力应变过程中渗透特性研究

煤炭地下开采过程中,常会遇到不同瓦斯赋存压力和三维受力状态等复杂条件下的煤岩体瓦斯渗透问题,为系统探究其瓦斯渗透规律,利用改进的MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统,开展了原煤三轴压缩全过程渗透试验,对不同瓦斯压力原煤三轴压缩全过程中渗透特性进行了探讨,分析了煤岩变形破坏过程中其瓦斯渗透特性,以及不同瓦斯压力下煤岩的瓦斯渗透特性。结果表明：煤岩瓦斯渗透率-应变曲线与煤岩三轴压缩全应力-应变曲线具有很好的对应关系,其瓦斯渗透率随加载变形破坏呈先减小后增大趋势,在峰前70%~85%应力水平时达到最小值,煤岩瓦斯渗透率在应力峰值附近时均有不同程度的急剧上升;另一方面,煤岩瓦斯渗透率和瓦斯流量随瓦斯压力的升高呈先增加后减小的趋势,瓦斯压力为1 MPa时达到最大值,在1~3 MPa时,煤岩具有较好的渗透能力,针对现场实际情况,通过类似分析,设定合理的抽采负压区间,从而保证煤与瓦斯共采安全高效进行。