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。     

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。     

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。     

溶蚀作用对破碎泥岩渗透特性的影响

为研究溶蚀作用对破碎岩石渗透特性的影响,研制一种可测量质量流失条件下破碎岩石渗透特性的试验系统.在破碎泥岩的渗透试验中掺入岩盐模拟自然条件下存在的溶蚀现象,加速溶蚀过程.讨论溶蚀作用下破碎泥岩渗透特性的演化规律,分析溶蚀作用下渗透压力、岩盐质量和泥岩颗粒粒径对破碎泥岩渗透特性的影响.结果表明:溶蚀作用导致破碎岩石内易溶物质和细小颗粒的流失极易破坏岩样内部的孔隙结构和骨架结构,由此造成结构内部导水通道的扩大和渗透参数的突增.其渗透参数基本与渗透压力、岩盐质量和泥岩颗粒粒径呈正相关关系.且对于渗透压力较大、岩盐质量较高和泥岩颗粒粒径较大的岩样,由于溶蚀作用的存在容易发生更明显的导水通道扩大现象.此外,在岩样的渗流过程中,也存在由于颗粒迁移导致的导水通道堵塞造成的渗透参数逐渐减小的现象.     

峰后砂岩非Darcy流渗透特性的试验研究

研究高应力状态下，尤其是峰后低围压下岩石的渗透性具有十分重要的现实意义。利用获得专利权的岩石渗透试验装置与MTS815．02岩石力学伺服试验系统相配套，用来测试单轴峰后给定应变状态下岩样的非Darcy流渗透特性。在阐述岩石Darcy流渗透性的测试原理及误差的基础上，介绍了峰后岩石非Darcy流渗透特性的测试原理、试验系统与测试方案，并给出峰后中砂岩非Darcy渗透特性的试验结果。试验数据表明，单轴峰后应力状态下中砂岩的渗透率k与峰前比较有量级增加，峰后k值随轴向应变ε增长呈二次抛物线关系。     

岩石渗透试验瞬态法的水动力学分析

压力脉冲瞬态法是一种专门进行岩石渗透率测试的新方法。对多孔介质渗流的水动力学分析表明,在岩石渗透试验的瞬态法中,水流动量方程可以不考虑流速的变化率。对于致密岩石,出现高速非Darcy流的特征不显著,在一般条件下Darcy定律仍然有效。给出压力脉冲瞬态法的物理模型和数学模型,采用等梯度假设简化连续性方程,针对上下游压力容器的不同控制条件,推导各种情况下压力测试曲线的解译公式。这些解译公式为分析不同控制方式下的试验过程和计算岩石渗透率提供了方便。实例表明,基于等梯度假设的解译公式对压力脉冲瞬态法所产生的渗透率测试曲线基本适用。     

英格索兰透平空压机喘振原因分析

稀硝(Ⅱ硝)装置英格索兰透平空压机喘振现象原因分析及防范措施探索。     

饱和破碎砂岩压实过程中粒度分布及能量耗散

分别对不同级配(Talbot指数为0.2,0.4,0.6和0.8)侧向受限饱和破碎砂岩进行压缩,利用显微CT观察了试样内部孔隙结构的变化规律;基于分形理论,定量研究了粒度分布特征;通过计算应变能密度,分析了能量耗散特征。结果表明,在16 MPa轴向应力下,轴向应变为0.304 5~0.324 1;在压实初期,试样结构松散,颗粒间接触不稳定,孔隙尺寸较大且联通性好;而在压实后期,试样密实,孔隙形状多为稳定的三角形。粒度分布具有分形特征,分形维数范围为1.733 1~2.561 0。当轴向应力为0~4 MPa时,颗粒破碎发生急剧,分形维数快速增大;而在4 MPa后,颗粒破碎发生较少,分形维数缓慢增大。变形引起的能量耗散随着轴向应变和分形维数的增大而加速增大,当轴向应变大于0.17或分形维数大于2.1后,应变能密度急剧增大。初始粒径配比对粒度分布和能量耗散均有影响,相同轴向应力下,Talbot指数越大,分形维数越小;相同轴向应变下,Talbot指数越大,应变能密度越小。     

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。     

岩石力学参数计算方法优化及试验验证

利用数学分析手段,提出了一种适用于单一岩石试样变形参数(包括弹性模量、剪切模量、泊松比)的计算方法。根据蒙特卡洛优化思想对岩样Lame系数和内摩擦角进行构型优化,利用Fortran语言编程实现了优化算法。对岩石试样进行了2、4、6、8、10 MPa围压级别下三轴压缩试验,求得了岩样变形参数和强度参数的平均值。利用计算方法和优化算法对6 MPa围压下某单一岩样的力学参数重新进行计算,结果表明:计算方法和优化算法都是可行的,可供设计计算使用。