阶段性循环载荷对突出煤样渗透特性的影响

利用自行研制的“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流系统”,进行固定瓦斯压力及不同围压和循环载荷情况下突出煤煤样变形渗透特性试验研究。结果表明：加载路径对煤样的力学特性影响显著,循环载荷试验和全应力应变曲线总体趋势相同,循环荷载作用下煤样的峰值应力比全应力应变的低;煤样在周期性循环荷载作用下的卸载应力应变曲线与加载应力应变曲线不相重合,形成封闭的滞回环。渗透率与煤样的损伤变形进程密切相关,在循环荷载下,渗透率在卸载过程中逐渐增大,加载过程中逐渐减小;卸载时渗透率应变曲线和加载时渗透率应变曲线会围成封闭环,与煤样的轴向应力应变封闭滞回环相对应,其所围面积随着围压和应力水平增加而减小。     

应力加卸载作用下软硬原煤瓦斯渗透规律

使用自行改装的"瓦斯渗透模拟实验系统",在不同瓦斯压力条件下,对同一矿井的软硬原煤试件的瓦斯渗透特性进行研究。结果表明:应力加载阶段,随着应力的增加2种煤样试件的渗透率均呈减小趋势,且加载初期渗透率的降幅最大,当加载围压从0升到4 MPa时,硬煤与软煤的渗透率平均下降69.7%,73.3%;应力卸载阶段煤样渗透率随着应力的减小而增加,围压完全卸载后2种煤体的渗透率分别恢复到其初始值的22.6%,47.8%;同样的应力条件下,有效应力的增加对硬煤的影响作用大于煤基质收缩,渗透率随着其内部瓦斯压力的增大而增大,而对软煤则相反。实验结果可为煤体"卸压增透"效果最佳化提供参考,进一步完善低渗透率煤层的瓦斯抽采理论及方法体系。     

阜新盆地煤层气渗流规律实验

以阜新盆地王营煤矿采集加工的原煤煤样为研究对象,利用3轴渗透仪,对煤样的渗透率和有效应力之间的变化关系以及煤样中甲烷渗流规律进行了实验研究.实验结果表明,煤样渗透率具有应力敏感性,渗透率随有效应力的增加呈非线性递减关系,具有负指数规律,这与前人的研究结果吻合较好;在不同围压、含水率情况下,实验得到的甲烷渗流规律曲线具有明显的非线性特征,真实地反映了实验过程中煤体变形对甲烷渗流的作用.考虑有效应力对煤体变形的影响,建立了描述煤层甲烷非线性渗流特征的运动方程,且所建立的运动方程与实验数据具有很好的吻合性,拟合相关系数高达99.6%以上,说明实验方法和建立的运动方程是合理的.     

煤层原始含水率对煤与瓦斯突出危险程度的影响

运用自主研发的“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置”,进行了恒定瓦斯压力和围压条件下,不同原始含水率含瓦斯煤样全应力应变瓦斯渗流试验,结合现场实测煤层注水前后瓦斯涌出量的变化规律。研究结果表明：随着煤样原始含水率的增加,煤样的三轴抗压强度减小,弹性模量减小,三轴抗压强度处轴向应变增大、横向应变和体积应变的绝对值增大;在全应力应变整个过程中,煤样的甲烷有效渗透率都减小。从煤的力学特性和瓦斯在煤层中流动两个方面分析了煤层注水的防突作用。煤层原始含水率越高,发生煤与瓦斯突出的危险性越小。可将煤层的原始含水率作为判断煤与瓦斯突出危险程度的一个重要指标。     

温度对采动作用下含瓦斯原煤力学和变形的影响

以原煤为研究对象,利用"含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置",开展温度对采动作用下含瓦斯煤力学特性的影响研究.研究表明:1)在相同初始围压、气压和温度下,与恒定围压相比,卸围压煤样屈服段缩短,峰值应力和对应的轴向应变降低,横向应变速率增大,侧向膨胀系数和变形模量的演化进程加速;2)在相同初始围压和气压下,随温度升高,卸围压煤样强度降低,峰值应力处各应变均减小,侧向膨胀系数和变形模量均增大;3)高温环境下,煤岩发生失稳破坏和瓦斯突出的危险性变大,对采煤工作面巷道支护和瓦斯突出防治提出了更高的要求.     

多场耦合作用下煤层气的渗流特性与数值模拟

根据实验研究煤样在轴向应力、围压、气压、温度单一因素作用下的渗流规律.利用Ansys12.0数值模拟了单场与多场耦合作用下煤层气的渗流规律,煤体的变形、孔隙压力、渗流场的分布规律.数值模拟得出:单场作用下煤层气在煤体中的渗流规律实验与数值模拟结果基本相同;多场耦合作用下煤的渗透率与平均有效应力曲线呈负指数关系;对试件变形的影响应力场大于渗流场,轴向应力对试件的变形大于围压;围压对渗流场的影响大于轴向应力,轴向应力对孔隙压力的影响大于围压,多场作用下孔隙压力大于单场作用.多场作用下数值模拟的结果与实验研究是一致的,因此研究煤层气的渗流规律必须考虑气-固-热的同时作用.     

含水率对煤层瓦斯渗流特性影响的试验研究

针对煤层注水软化或水力增透技术造成的煤体含水率高,进而影响煤层瓦斯的渗流特性的问题,利用自主研发的MCQ-Ⅱ型煤层瓦斯渗流试验设备,对原煤试件进行了25℃、31 MPa恒定温压条件下含水率(质量分数)分别为0%,2%,4%,6%,8%的瓦斯渗透性试验。研究发现,在恒定温压条件下,煤样渗透率随渗透压的增加而增加,且含水率越高,渗透率随渗透压升高增加越快;瓦斯的启动压力随含水率的增加而增加,在不同的含水率条件下,可测到渗透率的最低瓦斯渗透压力为2 MPa,由于渗透压力较大,渗透过程中的Klinkenberg效应不明显;瓦斯渗透率随含水率的增加呈指数降低,当含水率低于6%时渗透率随含水率增加降低较快,当含水率高于6%时含水率对渗透率的影响程度减弱;在煤体注水过程中,煤体弹性模量会降低,使得煤体在轴向和径向的压缩应变增大,当含水率超过6%后,含水率对于煤体变形的影响减弱,且煤体变形过程中表现出各向异性,轴向应变始终大于径向应变。该结论对于煤层注水或水力压裂后,煤层中瓦斯运移规律变化研究有一定的指导意义。     

含瓦斯软弱煤三轴力学特性试验

以由具有突出倾向的软弱煤制备的型煤试件为研究对象,对围压、瓦斯压力二因素对含瓦斯软弱煤的力学特性影响进行了系统研究.试验结果表明:围压对含瓦斯软弱煤的力学性质具有明显影响,随着围压的增大,含瓦斯软弱煤的压密阶段不明显且三轴强度逐渐增加;围压对含瓦斯软弱煤弹性模量影响不明显,对应力应变曲线形状影响亦不明显.随着瓦斯压力的增加,煤样强度呈减小趋势;围压较小时,含瓦斯软弱煤强度受瓦斯压力影响较显著,而围压较大时影响较小;瓦斯压力对含瓦斯软弱煤的杨氏模量影响不明显,且对煤样进入屈服阶段的变形量影响亦不明显;瓦斯压力对煤样具有显著的力学影响,而且也存在明显的化学作用;含瓦斯软弱煤的应力应变曲线可由二次曲线表征,并认为瓦斯压力影响可归结为等效围压效应.     

含瓦斯煤体破坏过程中AE序列关联维数演化分析

利用分形理论对无瓦斯和含瓦斯煤体失稳破坏中的声发射序列关联维数演化特征进行了分析。结果表明,单轴载荷条件下煤体的声发射时间序列在各变形阶段具有明显的分形特征,各变形阶段的声发射过程具有不同的自相似性,其关联维数可描述煤样力学状态;三轴加载过程中,无瓦斯和含瓦斯煤样的声发射时间序列随应力水平的变化趋势和声发射关联维数变化趋势相似;弹性阶段后,煤样的声发射时间序列关联维数的突降,可以作为破坏的“前兆”,这一特征不随围压变化、瓦斯压力的存在与否而发生变化。     

低饱和度含瓦斯水合物突出煤体三轴压缩实验研究

为探索防治煤与瓦斯突出的有效途径,利用自主研制的含瓦斯水合固化-三轴力学压缩一体化装置,开展低饱和度含瓦斯水合物突出煤体三轴压缩实验,研究不同围压下低饱和度含瓦斯水合物突出煤体应力-应变关系。结果表明:不同围压下,低饱和度含瓦斯水合物突出煤体应力-应变曲线为软化型,其峰值强度随围压增加而增加;通过摩尔库伦强度准则,计算低饱和度含瓦斯水合物突出煤体黏聚力和内摩擦角。两者均低于高饱和度条件该参数数值,可见饱和度对含瓦斯水合物突出煤体强度影响较大。     

含氮气煤体超声各向异性特征实验研究

探讨含气煤体超声响应特征可为利用超声技术在煤岩物性特征测试中的应用提供依据。利用自主研发的煤储层物性特征实验系统,选取平煤八矿己_16-17煤层煤样,制备平行层理与面割理（x）、平行层理垂直面割理（y）和垂直层理（z）等3类煤样,对含氮气煤体在不同气体压力及不同吸附时间下的超声特征进行测试。实验结果表明：（1）轴压恒定时,随着围压增加,煤的弹性波速度不断增加,煤体抽真空状态下的纵、横波速度略大于常压下的波速;（2）煤柱从负压状态到注气吸附状态,随着注气时间的延长,波速先下降,然后缓慢升高;（3）轴压和围压不变时,随着气体压力的变化,纵波和横波速度均有所增加;（4）平行层理与面割理、平行层理垂直面割理和垂直层理方向各向异性明显,但超声响应规律基本一致;（5）煤样纵波和横波垂直、平行层理方向各向异性程度与吸附时间的关系差异明显,纵波各向异性程度对吸附时间更加敏感。     

激发矿井瓦斯突出的力学机理的探讨

综合分析了激发煤与瓦斯突出的力学机理,认为煤体所受约束应力的突然解除以及煤层中的瓦斯压力梯度是激发突出的主要原因。通过对煤层瓦斯渗流的数学分析,说明了工作面的推进速率、煤层瓦斯压力、煤的物理力学性质以及地质条件等因素对激发突出所产生的影响。     

煤样初始内部结构对瓦斯流动特性的影响

以组成不同的3种煤样为研究对象,采用密度计算法、扫描电镜等对其内部结构进行了研究,并采用自行研制的三轴瓦斯渗流仪对其内部的瓦斯流动特性进行了试验研究。结果表明:相同条件下由不同煤粉制备的型煤试件内部结构不同,但煤粉颗粒直径对煤样内部结构影响并非线性;煤样全应力应变过程中瓦斯流动特性复杂,总体呈先减小后增加趋势,且煤样初始瓦斯流动速度小于煤样破坏后的流动速度,瓦斯流动特性表现出明显的滞后性;煤样内部结构对其内的瓦斯流动特性影响呈非线性;煤样组成对其内瓦斯流动影响的应力状态的敏感性很强,煤样初始结构越复杂,对轴向载荷敏感性越差,而对围压的敏感性越强。     

考虑水-力耦合和不同应力路径的砂岩卸荷力学特性试验

为研究不同渗透压力条件下的岩石卸荷力学特性,选取砂岩为研究对象,开展了不同渗透压力和不同应力路径下的三轴卸荷试验,并与常规三轴试验进行对比,比较了不同应力路径下的岩石强度特性,分析了渗透压力对岩石变形和强度参数的影响。试验结果表明：渗透压力的增大会弱化岩石强度,岩石的峰值强度随渗透压力的增大而降低,而轴向变形随渗透压力增大而增加,渗透压力越大,岩石的压密段特征越明显;针对两种不同的卸荷应力路径,恒轴压卸围压路径条件下,岩石的黏聚力不断降低,内摩擦角不断增加,而加轴压卸围压路径条件下,岩石的黏聚力不断增加,内摩擦角逐渐降低。     

结构异性煤体渗透率特性

 煤渗透率是研究瓦斯渗流特性及运移规律的关键参数, 而煤体结构各向异性导致渗透率具有明显的方向性。利用煤岩瓦斯渗流试验系统, 对不同变质程度煤样试件在面割理和端割理方向上, 进行不同瓦斯压力下的渗透率测试, 并根据等效驱替原理, 建立各向异性煤体渗透率的计算模型, 数值分析了煤体渗流的定向性特征。结果表明:在煤体面割理和端割理方向, 渗透率均随瓦斯压力增大成负指数减小;面割理方向的瓦斯渗透率与端割理方向相差可超过1 个量级, 且煤的变质程度越高, 差别越明显。随瓦斯压力增大, 煤的瓦斯渗流定向性系数峰值增大, 煤层瓦斯渗透定向性增强。在相同瓦斯压力下, 煤的变质程度越低, 煤层瓦斯渗透定向性越弱。     

应力对煤岩渗透率的影响

本文对煤、多孔岩石(砂岩)及裂隙岩石(石灰岩)在不同外载下的渗透率进行了实验研究,得出了不同类型试样的指数型渗透率曲线。本文所做的工作,对于了解煤岩渗流特性,渗流计算,瓦斯涌出量预测以及矿井瓦斯抽放系统设计具有一定参考价值。     

煤层层理对瓦斯渗流影响理论分析与实验研究

为了探讨原煤层理对瓦斯渗流的影响,先从理论上分析瓦斯沿平行和垂直煤层层理面这2种极端情况的渗流特性,经对渗透系数比较分析,得到平行煤层层理面瓦斯渗透系数大于垂直煤层层理面瓦斯渗透系数.再对原煤进行实验室实验,通过对实验数据分析,得到沿煤层层理方向瓦斯渗流速度与应力、应变关系曲线近似光滑曲线,而垂直煤层层理面瓦斯渗流速度与应力、应变关系曲呈突变曲折曲线;垂直原煤层理方向瓦斯渗流速度增长趋势大于平行煤层层理方向,但平行原煤层理方向瓦斯渗流速度明显大于垂直原煤层理方向,这一结果与理论分析结果相吻合.