砾石含水层中质量流失对孔隙渗透率的影响

突水溃沙灾害发生过程中砾石含水层内部沙粒流失是导致其渗透性改变的重要原因。为研究质量流失过程中砾石含水层的渗透性演化规律,采用轴向压缩位移控制法,研究了不同初始孔隙度试样在不同初始水压梯度下沙粒流失规律,并对变质量渗透过程中初始孔隙度对渗透率的演化敏感性进行分析。结果表明：（1）在沙粒流失过程中水压梯度与流量首先由初始值开始缓慢变化,随后渗透状态发生突变,水压梯度骤降,流量剧增,最终2者稳定于某一数值,增大初始孔隙度和初始水压梯度均会使突变时刻提前;（2）渗透过程中沙粒的流失受水压梯度、孔隙度、沙粒径等因素的综合影响,相同条件下细沙更易流失,根据初始孔隙度φ₀与初始水压梯度G_p0对沙粒流失量的影响给出了孔隙度变化量E的表达式,能够对渗透过程中孔隙结构的变化给出定量描述;（3）渗透状态经历突变后,各试样渗透率由10^-13增至10^-11m²量级,随初始水压梯度的增大,孔隙度敏感系数下降,其中φ₀=0.404的孔隙度敏感系数曲线峰值一度由550下降至200左右,...     

三轴应力下胶结破碎煤岩体渗流稳定性

岩块间胶结结构的破坏是陷落柱诱发煤矿突水事故的重要因素之一。为研究胶结破碎煤岩体在三轴承压下的渗流稳定性,分别制作10组含有不同级配结构的煤样,利用自主设计的三轴渗流试验系统对胶结破碎煤岩体的渗透率k、非Darcy流β因子和失稳临界值进行试验测定。结果表明:1)不同Talbot指数n所对应的胶结破碎煤岩体孔隙结构不同,承压变形时其渗透率与有效应力满足函数关系:k=ae~(bσ_c),说明快速压密阶段主要影响的是初始孔隙率,后续结构重调整阶段骨架颗粒发生了剥落、破碎;2)当渗透率k下降到10~(-10)m~2以下、或非Darcy流β增加到10~6 m~(-1)时,都会引起渗流系统失稳,说明两者数量级的改变可诱发β因子突变到负值,其符号的变化可作为煤岩体渗流失稳的临界条件;3)高应力水平状态下,60%的级配结构在渗流过程中均出现失稳阶段,说明渗流参数是否满足βk~23.90×10~(-12)m~3,可作为预测煤矿突水事故的重要依据。     

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...     

不同环境湿度下承压破碎煤岩蠕变分形特征研究

承压破碎煤岩在不同环境湿度下的变形及破碎量不同,为探究不同环境湿度下承压破碎煤岩变形与破坏过程中的分形特征,利用自制破碎岩石压实装置,结合DDL600电子万能试验机和计算机采集系统,对不同环境湿度下的破碎煤岩进行侧限压实试验,分析不同环境湿度下承压破碎煤岩蠕变分形特征。结果表明:1)随着轴向应力的增大,破碎煤岩的分形维数从2.38增加到2.64,逐渐接近分形破碎极限,其变化过程可分为6 MPa以前的迅速增加阶段和6 MPa以后的缓慢增加阶段;2)分形维数随环境湿度的增加而增大,且在高应力下增幅较大,但增速逐渐减缓;3)蠕变时间从30 min增加到160 min,分形维数仅增加了0.06,说明时间效应对分形维数影响较小;4)相对破碎率Bg随轴向应力变化呈对数增长,与分形维数之间具有线性关系。可见,随着环境湿度的增长,破碎煤岩的承载能力有所下降,该结论为进一步研究巷道围岩稳定性和地表沉陷提供依据。     

基于雷诺数的级配结构破碎 煤样渗流失稳特征研究

为获得不同级配结构下破碎煤岩体渗流失稳特征,本文采用自主研发的破碎样渗流试验系统,研究了位移与渗透压改变时不同级配结构下破碎煤样的渗流参量及雷诺数变化规律,通过两者变化规律分析得出渗流失稳临界特征值。结果表明:1)试验过程中4组破碎煤样的渗流速度与压力梯度关系均呈现非线性特征,骨架密实结构破碎煤样渗透率最大,非达西因子最小,悬浮密实结构破碎煤样渗透率最小,非达西因子最大,骨架空隙结构破碎煤样渗透参量受孔隙率影响变化较大;2)各组破碎煤样的雷诺数最小为0.1,最大为12.66,其中以悬浮密实结构破碎煤样雷诺数最大,骨架密实结构破碎煤样雷诺数最小,骨架空隙结构破碎煤样雷诺数变化小。研究可见,破碎煤样发生渗流失稳时存在临界特征值,悬浮密实结构以及骨架孔隙结构破碎煤样渗流失稳临界雷诺数为3,骨架密实结构破碎煤样临界雷诺数为5。     

破碎煤岩体瓦斯-水相对渗透特性试验研究

为探究瓦斯抽采钻孔孔周破碎煤岩体中瓦斯-水相对渗透特性,利用自主研发的破碎岩体气液耦合渗透试验系统,采用稳态渗透法开展了瓦斯-水耦合渗透试验,得到了煤样渗透参数随渗透压和轴向压力的变化特征,并分析了渗透参数间的相互影响关系。结果表明：承压破碎煤岩体孔隙度随轴向压力的增加呈快速下降、缓慢下降和趋于稳定的阶段性特征;随着含水饱和度的增加,煤样气体相对渗透率快速下降,水相对渗透率线性上升,气体和水相对渗透率表现出竞争关系,且气体渗透率对于含水饱和度的敏感程度更高;气体和水的总渗透率随有效应力的增加而减小,服从指数函数关系,有效应力会影响破碎煤岩体孔隙结构的变形过程,随孔隙度的减小,气体有效渗透率降低,相对渗透率增加;渗透压对于水和气体相对渗透率的影响可分为气体占优阶段、等渗阶段和水占优阶段,临界渗透压取值范围为0.4～0.6 MPa。     

不同产状裂隙煤样三轴承压下非Darcy渗流特性

裂隙产状是影响瓦斯抽采钻孔孔周煤体渗流状态的重要因素之一。为探究裂隙的不同产状对煤体渗流特性的影响,分别制作了含有1,2,3条裂隙共5种产状的煤样;利用自主设计的三轴渗流试验系统,采用稳态渗透法对煤样进行渗流试验研究,得到了三轴应力下裂隙煤体的渗流雷诺数、渗透率和Forchheimer数变化趋势,并分析了裂隙煤体非Darcy渗流的演化规律。结果表明:① 渗流试验过程中,42%的渗流雷诺数分布在10~100,且渗流趋势符合非线性渗流特点;说明随着裂隙面面积的增大,流动过程中黏滞阻力和惯性力对流速的影响越来越大,其发生非Darcy渗流的可能性就越高;② 通过分析裂隙煤体受力状况,得到裂隙煤样渗透率k随着有效应力σ的增加呈下降趋势,且符合k=aσ-b关系;说明随着应力水平的增加,煤样内部部分裂隙发生闭合、渗流通道数目和宽度的减少,最终导致渗透率急剧降低;③ 通过计算各个阶段的Forchheimer数Fo,得到Fo与渗流速度v符合二次曲线规律增长,且随着Fo的增加非Darcy渗流效应也越来越显著,说明裂隙煤样渗透性的增强是导致发生高速非Darcy渗流的根本原因。结合以上结论,可在煤层瓦斯预抽工作中,依据钻孔孔周煤体瓦斯流动规律准确确定抽采钻孔影响范围,从而为钻孔布孔方式的设计提供重要的理论依据。     

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...     

孟村煤矿坚硬顶板工作面冲击地压防治技术应用

为获取强冲击危险工作面的防冲关键数据,针对孟村煤矿401101首采工作面具有的坚硬顶板、大断层、大向斜等地质构造特点,在回采期间对工作面回风巷开展水力压裂弱化坚硬顶板技术试验,同时布设微震监测系统对试验期间的冲击地压能量事件进行监测,以考察压裂的实际效果。试验结果表明,工作面推采至压裂区域后,日均总能量及频次都降低了17%;回顺范围内的每日微震事件总能量和频次普遍比运顺低,尤其在受F1断层影响的区域更为明显;进入压裂区后,回顺侧大能量事件随即有所降低,运顺侧较为滞后,且发生在工作面前方的微震事件占比逐渐增大,微震事件逐渐由工作面后方向工作面前方转移,同时,微震事件位置在工作面前方范围内基本呈均匀分布。     

级配破碎煤岩体压实过程中再破碎特征研究

为研究承压破碎煤岩体压实与再破碎特征,根据破碎煤岩体的力学特征与孔隙结构的稳定性将破碎煤岩体的压实变形过程分为塑性失稳、应力恢复与类原岩应力3个阶段,再通过获有专利权带侧限的破碎煤岩体压缩实验系统以分级加载的方式对不同Talbol指数n的破碎煤样进行压实试验.研究表明:在整个压实过程中,由煤样颗粒位移重组引起的变形大于...