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。     

变形历程对破碎岩体水沙渗流特性影响试验研究

为研究破碎岩体变形历程对其水沙渗流特性的影响,设计了一套水沙渗透系统,在MTS816系列电液伺服岩石力学试验机上进行了配径碎岩在2种不同变形历程下的渗透试验。研究表明:破碎岩石变形历程对其水渗流特性无明显影响;破碎岩石的孔隙率在一定范围时,水沙渗流过程中,其孔隙率会由于滤沙作用而降低,导致渗透率降低;有蠕变经历的破碎岩石在水沙渗流过程中更易于过滤沙粒,滤沙量较大,而溃沙量较小;破碎岩体初始孔隙率相同时,水压梯度的增加会导致滤沙量减少,溃沙量增加。给出了一个描述破碎岩体初始孔隙率与水压梯度对滤沙量综合影响的表达式,为破碎岩体突水溃沙的风险预测评估提供指导。     

西部矿区突水溃沙类型及机理研究

突水溃沙灾害是西部浅埋煤层开采常见问题之一,对矿井安全生产和当地脆弱的生态环境都有着极其不利的影响。在分析西部矿区突水溃沙主要类型的基础上,通过自主研制多孔介质水沙两相渗流试验系统,从多孔介质孔隙度、破碎岩石粒径、沙粒粒径3个方面对突水溃沙的机理进行了研究。结果表明:西部矿区突水溃沙主要类型可以分为切落裂缝型、冒落型、钻孔诱发型3类;孔隙度对发生突水溃沙灾害的影响与破碎岩石粒径有着密切关系,随着破碎岩石粒径增大,孔隙度改变对压力梯度和沙粒流失量的影响程度将降低。沙粒流失量随孔隙度的降低而减少,低孔隙度含水层发生溃沙的可能性将大大降低;同一孔隙度和沙粒粒径条件下,含水层砾石颗粒越小,发生突水溃沙灾害所需的压力梯度就越大,沙粒流失量也越小,越不容易发生突水溃沙灾害;同一孔隙度条件下,0.074~0.25 mm的细砂较之0.25~0.83 mm的中砂或者粗沙更易发生突水溃沙灾害,其所需的启动压力也较小,随着破碎岩石粒径增大,其沙粒流失量呈非线性显著增加。     

断层影响下煤层开采突水风险流固耦合数值模拟研究

断层引起的底板采动突水是煤矿防治水中的重要问题，研究因采动引起断层活化，以及对底板渗透性变化全程进行演化是解决此类问题的关键。在前人成果的基础上总结了采动过程中围岩渗透性变化规律及渗透系数-体积应变耦合方程，将其嵌入FLAC^3D流固耦合模型中。并以济宁二矿103_下03工作面八里铺断层为背景，模拟不同煤柱尺寸情况下底板断层突水演化规律。结果表明：八里铺断层对于103_下03工作面安全开采具有重要影响。防水煤柱尺寸为90 m时，奥灰水会沿导水通道进入采空区，引发突水事故；当其为100 m时，采动过程是安全的，且有效隔水层厚度约5 m。最终确定济宁二矿103_下03工作面八里铺断层防水煤柱留设宽度取100 m。     

陷落柱填隙物全应力-应变过程的渗流特性研究

岩溶陷落柱易导通含水层与煤层从而引发底板突水事故,已经成为我国华北地区下组煤开采的重要安全隐患。对于固结良好的陷落柱,其填隙物的渗透性直接影响着陷落柱的整体渗透性,且在采动压力的影响下,陷落柱填隙物的渗透性也在不断发生变化。为研究不同应力状态下填隙物渗透率的变化规律,对填隙物进行固结重塑,并利用MTS815.02渗流试验系统对重塑后不同初始含水率的填隙物试样进行了不同围压条件下的全应力-应变过程的渗流特性试验。试验结果表明:1)陷落柱填隙物全应力-应变过程渗透率的变化曲线可划分为压密段、破坏段和蠕变段,渗透率对应的呈现出减小-增大-减小的变化规律;2)填隙物的全应力-应变过程的渗透率峰值随围压的增大而减小,其峰值比与围压差存在指数函数关系;3)填隙物的初始渗透率和孔隙度随初始含水率的增大而增大,渗透率比和孔隙度比存在幂函数关系,在全应力-应变过程中渗透率峰值与初始值的差随初始含水率的增大而减小。     

沁水盆地南部高阶煤储层渗透率与孔裂隙发育的耦合分析

为分析高阶煤储层渗透率与孔裂隙发育的耦合关系,以沁水盆地南部3^#煤储层为研究对象,采用分形理论研究了孔隙的分形特征,利用几何分形模型计算了不同孔径孔隙对煤岩渗透率的贡献比例,线性拟合了渗透率与孔隙分形维数、体积百分比和镜质组最大反射率R_o,max等因素的相关关系。研究结果表明:孔裂体积以微、小孔为主,比表面积比以微孔最高;孔隙类型以半封闭孔为主;煤样孔隙度平均为4.652%,渗透率平均为8.68×10^-5μm²,大孔和裂隙对渗透率的贡献平均为99.809%,沁水盆地南部3^#煤储层渗透率主要来自于大孔与裂隙的贡献;渗透率、孔隙度与R_o,max之间具有较弱的相关性,随着变质程度的增加先上升再下降;渗透率与中孔、大孔和裂隙的分形维数呈正相关关系,与微小孔分形维数呈负相关关系。     

掘进扰动下断层带煤体瓦斯异常分布特征研究

断层带的结构异性会导致介质渗透性的非均质性和各向异性,这对煤体内瓦斯渗流过程有重要影响。通过建立受掘进应力影响下的煤体渗透率模型和横向各向同性断层渗透率模型,利用COMSOL数值模拟软件对其进行解算分析,得出受断层影响的掘进工作面前方应力场及渗透率的演化特征规律。结果表明：受掘进应力影响,暴露面前方出现明显应力分带现象,塑性变形延续到距暴露面5 m处,且出现塑性区阶跃现象;考虑非均质断层的裂隙及煤基质瓦斯压力梯度分别为0.043、0.042 MPa/m,明显大于考虑均质断层的裂隙及煤基质瓦斯压力梯度,而且断层区域内渗透出现骤降及突增的现象,在断层核区域内渗透率降至最低为6.438 3×10^-18m²,是煤层初始渗透率的1/7;断层影响区域瓦斯压力梯度大,透气性能低,验证了断层区域蕴育煤与瓦斯突出危险性高的合理性。     

颗粒流失对陷落柱充填物孔隙结构及突水行为的影响

陷落柱充填物的颗粒流失是诱发矿井突水事故的重要原因之一。为了研究陷落柱充填物在颗粒流失过程中初始级配与孔隙结构、粒度分布间的关系,利用变质量破碎岩体渗流试验系统,采用稳态渗流法得到分级加载条件下陷落柱充填物的颗粒演化规律和粒度分布特征,进而分析颗粒流失过程中的孔隙结构和水流突变规律。结果表明:(1)陷落柱充填物岩样普遍存在大量微观孔洞、裂缝和颗粒拼接等结构,颗粒流失在很大程度上取决于试样自身属性,外部荷载F和渗透压力P只起某种促进作用;(2)流失前后的充填物颗粒满足分形条件,具有分形特征,整个渗透流失过程中细小颗粒占比高达34.4%,试样颗粒的分形维数D随级配n值的增大而减小,流失颗粒中级配值n=0.3和n=0.9的试样更易于破坏,造成结构性失稳;(3)整个渗透历程中孔隙度存在2个骤减区段,其值分别出现在渗透历程的63 s和484 s左右,孔隙结构的调整与粒径级配有关,水流与试样间的往复作用会在进出水口形成稳定的导水通道,渗透后充填体内部存在孔洞、塌陷和空腔;(4)颗粒流失下的试样突水过程可分为初始渗流、灾变失稳和管流涌水3个阶段,各阶段下的流速和时间关系总体上趋近一致,突水过程一般会...     

半固结砂岩含水层下多煤层重复采动突水溃砂危险性分析

针对半固结砂岩含水层下的多煤层安全开采问题,分析了多重含水层分布特点、半固结砂岩力学参数,研究了多重煤层重复采动覆岩破坏高度,给出了相应安全煤岩柱的留设尺寸,分析了多煤层采动影响受多重含水层的充水溃砂影响。从导水通道、含水层水压力、工作面排水能力3个方面出发,提出“采前疏降、顶疏结合、疏采相辅”的控水采煤技术。研究发现半固结砂岩弱化了导水裂缝带发育程度,重复采动过程中导水裂缝逐渐波及Ⅱ_2a煤层采空区,即Ⅱ₃煤层顶板含水层水、Ⅱ_2a煤层采空区积水对工作面开采具有充水溃砂影响,一含与二含对工作面开采具有充水影响。     

中、高阶煤样甲烷吸附应变及渗透性实验分析

煤中气体吸附膨胀和解吸收缩应变是影响煤层气井排采中煤储层渗透率动态变化的重要因素。通过选取沁水盆地南部和鄂尔多斯盆地东缘二叠系山西组中、高阶煤样,通过煤的吸附变形-渗流模拟实验,测得了中、高阶煤样中甲烷吸附应变值,提出了采用12～24 h的吸附应变数据点拟合计算吸附应变的方法,分析了高、中阶煤中甲烷吸附应变及其渗透性的差异性,揭示了中、高阶煤吸附应变规律及其对渗透性的影响及控制机理。结果表明,中、高阶煤样甲烷吸附应变与吸附平衡压力之间的关系符合Langmuir等温吸附模型;中阶煤中吸附甲烷气体的Langmuir径向应变、轴向应变和体积应变分别为0.18×10^-2,0.09×10^-2和0.44×10^-2,其对应的Langmuir压力分别为5.26,6.93和5.42 MPa;而高阶煤吸附甲烷气体的Langmuir径向应变、轴向应变和体积应变分别为1.91×10^-2,0.22×10^-2和3.99×10^-2,其对应的Langmuir压力分别为7.87,4.57和...     

液氮冻融-微波注热急速冷热冲击下饱水煤力学及渗流特征研究

为研究饱水、冻融与温度因素耦合作用下煤岩力学及渗流特征,以王庄煤矿9105工作面原煤为研究对象,采用非接触式数字图像处理技术开展液氮冻融与微波注热条件下煤岩三轴加载实验。研究结果表明：原始煤岩经液氮冻融、液氮饱水冻融、液氮饱水冻融不同温度处理后,煤岩抗压强度、弹性模量降低,泊松比升高,剪切应变值增大;原始煤岩在压密、弹性、屈服和破坏4阶段应力集中现象无明显变化,但经3种条件处理后,煤岩局部应力集中在破坏阶段出现明显扩增现象;相比于原始煤岩初始渗透率,经冻融处理后煤岩初始渗透率为1.44×10^-3μm²,增幅较小;经饱水冻融、饱水冻融后50℃、100℃温度处理,煤岩初始渗透率增幅较为明显;经饱水冻融后150℃温度处理后煤岩初始渗透率为7.40×10^-3μm²,增幅显著提高。研究结果可为深部低渗透煤层瓦斯增透提供指导,对提高井下瓦斯抽采效率具有参考意义。     

条状缺陷倾角对砂岩力学特性影响的模拟研究

为探究不同倾角条状缺陷对砂岩强度及其破坏演化过程的影响,利用PFC^2D离散元模拟软件,设置倾角φ为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°的7种方案,对含有条状缺陷砂岩的裂纹扩展过程、损伤演化特征和强度特征进行了研究。结果表明：条状缺陷对试样起裂位置及裂纹扩展路径均有影响,并在一定程度上决定试样最终破坏形式;条状缺陷倾角φ=30°时试样初始损伤应变最小,φ=45°时试样初始损伤应变最大,φ=90°时试样损伤应变范围最大,φ=60°时试样脆性破坏程度最高;条状缺陷对砂岩的峰值强度、峰值应变及弹性模量均有明显劣化作用,不同倾角条件下砂岩劣化程度不同,破坏时缺陷结构上端部峰值应力相对较高。     

海相煤系气成藏特征及其有利开发层段——以黔北威宁龙参1井下石炭统祥摆组为例

黔北下石炭统祥摆组是一套海相煤系沉积地层,是页岩气勘探开发的重要层系之一。以黔北威宁龙街向斜龙参1井为例,评价了其煤系气成藏特征及其有利开发层段。结果显示:海相煤系地层祥摆组储层空间展布具有分段性:下段薄煤层发育,煤层层数较多,煤-泥岩-砂岩互层发育;上段泥页岩发育,单层连续厚度大。泥页岩TOC含量在0.77%～8.94%,平均2.01%,随层位埋深增大而增大。祥摆组上段有机质类型主要为Ⅱ₁型,下段主要为Ⅱ₂型,R_{o, max}平均为2.54%。矿物组分主要以黏土矿物和石英为主,石英平均质量分数38.52%,黏土平均质量分数48.99%,脆性指数高,平均为48.02%,整体上随层位埋深增大而增大;泥页岩孔隙度平均为4.77%,渗透率平均为0.002×10^-15 m²,属于低渗储层;泥页岩储层物性接近于非含煤海相地层,优于含煤海陆过渡相地层。泥页岩含气量介于0.27～1.48 m³/t,平均0.57 m³/t。气体组分结果显示860 m以...     

钱营孜煤矿W3233工作面充水因素及涌水量预测分析

钱营孜煤矿W3₂33工作面内褶曲和断层构造较发育,水文地质条件复杂。针对该矿存在的工作面充水因素多样、涌水量变化复杂的问题,基于矿井地质条件分析了W3₂33工作面水文地质特征以及工作面充水的相关因素,采用现场踏勘、理论分析得出了充水水源、新生界松散层、顶底板含水层、断层富水等充水因素对工作面涌水的影响,其中顶底含水层含水性复杂多变,存在含水性较强区域,最大涌水量达68.7 m³/h且大部分涌水发生在工作面揭露的断层附近,该因素为重点监测方向,而其余因素对工作面涌水影响较小。同时采用“大井”法与水文比拟法综合分析了工作面涌水量,得出W3₂33工作面顶底板进入工作面最大涌水量为53.3 m³/h。     

基于启动压力梯度测定实验数据的储层孔渗下限研究

海上S油田处于勘探评价阶段,储层物性下限尚无统一标准,给评价工作的进展及钻采工艺技术的应用带来困难。以S油田沙二段、沙三段为研究对象,基于启动压力测定实验数据,创新性地研究出了一种以启动压力梯度测定实验数据为基础的极限井距确定方法及储层开发下限的确定方法,并得到不同有效厚度、不同生产压差下的渗透率下限及孔隙度下限的理论图版。结果表明:当压差一定时,有效厚度越大,孔渗下限越小;有效厚度一定时,压差越大,孔渗下限越小。沙二段、沙三段在不同有效厚度、不同生产压差下对应的孔渗下限范围分别为14.33%~21.64%、1.00×10^-3~185.78×10^-3 μm²,12.60%~29.33%、1.01×10^-3~6 238.53×10^-3 μm²。孔渗下限图版的确定为该油藏开发技术政策的制定以及油井配产具有一定的指导意义。     

新安矿区二1煤煤层气分布特征及资源潜力

以新安矿区二₁煤层为研究对象,基于区内煤田地质勘查、煤炭资源开发资料,结合区内煤矿井观察,分析了煤储层和煤层气分布特征,估算煤层气总资源量347.80×10⁸ m³,资源丰度0.614 4×10⁸ m³/km²。选取地质构造、埋深、煤厚、渗透率、储层压力、资源丰度6个要素对该区煤层气资源潜力进行评价,综合评价认为KD₁、KD₃属较有利区,其他属潜力区。     

水力耦合下节理砂岩三轴压缩渗透性能试验研究

为了研究节理砂岩在高地应力、高水压耦合环境下性能发展情况,利用配有渗流装置的岩石三轴伺服试验机,开展不同围压与渗透水压下节理砂岩三轴压缩渗透性能试验.结果表明:节理砂岩三轴压缩渗透峰值强度随着围压增加而增大、随着渗透水压增加而减少,围压对峰值强度的积极影响要大于渗透水压对峰值强度的消极影响;初始渗透率受试件所处力学环境...     

综放工作面矿压突变机理及应对措施

针对黄玉川煤矿226_上02综放工作面出现的矿压突变现象,利用理论分析、数值模拟及现场实测的方法,在上煤层已采并有断层影响的情况下,对综放工作面矿压突变机理及应对措施展开研究。结果表明：226_上02综放工作面位于上煤层采后应力影响区内,开采过程中上部采空区顶板活化,主关键层二次失稳,覆岩大范围的台阶式下沉导致226_上02综放工作面出现矿压突变现象。据此,利用降低采高的方法来控制矿压突变现象的发生,在现场应用后工作面来压剧烈程度明显降低,确保了黄玉川226_上02综放工作面的安全高效开采。     

蒙陕矿区深埋工作面顶板水可疏降性及预疏放标准研究

在分析蒙陕矿区深埋煤田区地貌特征、水文地质条件、工作面钻孔涌水和采空区涌水特征等基础上,开展了顶板水可疏降性和预疏放标准研究,结果表明:研究区包括基岩台地、沙地、黄土沟壑3类地貌,其中沙地区第四系富水性强,煤层顶板含水层丰富的充水水源,导致直罗组一段渗透系数和单位涌水量均远大于基岩台地区和黄土沟壑区。不同矿井首采工作面探放水钻孔初始水量和累计放水量分为3类,水量较小矿井,初始水量q₀≤10.0 m³/h,累计疏放水量<5.0×10⁴m³;水量中等矿井,初始水量q₀≤60.0 m³/h,累计疏放水量10.0～100.0×10⁴m³;水量较大矿井,大部分钻孔的初始水量q₀>100.0 m³/h,累计预疏放水量>100.0×10⁴m³;所有矿井首采工作面经预疏放后,可以实现绝大部分钻孔水量<10.0 m     

注水压裂技术在焦作大水矿区煤层气开发中的应用

河南焦作矿区是我国著名的大水矿区,主采的二₁煤层含气量较高,一般在10~ 20 m³/t,是开发煤层气的理想区块。但煤岩本身渗透率普遍较低并且具有很强的压缩性,进而导致难以自然开采。为了探索矿区压裂抽采试验成功与失败的原因,通过对二₁煤层与底板的力学特征、构造特征、水文地质特征以及抽采试验的工艺数据的实例分析,阐明了水文地质作用对煤层气赋存及压裂抽采井产能的影响机理,即强烈的地下水径流作用,使原先游离于储层空隙中的煤层气逸散殆尽,孔隙水压也使得大量吸附于裂隙中的煤层气难以解吸,因而无法形成长期稳定的单井规模产量。