混合粒径散体岩石非线性渗流的试验研究

由于渗流引起的动力灾害多发生在破碎岩体中,因此研究破碎岩体的渗流特性是非常必要的。利用MTS815.02岩石力学试验系统及破碎岩石渗透仪,采用稳态渗透法和轴向位移控制法测定了混合粒径的煤、煤矸石及灰岩在承压过程中非Darcy流的渗透特性,得到了渗透特性随孔隙率的变化规律。研究结果表明:混合粒径破碎岩体中的渗流为非达西渗流,混合粒径岩石在压实过程中随孔隙率φ的减小渗透率k逐渐减小、非达西流β因子变大,渗透率的量级为10-14～10-13 m2,而非达西流β因子的量级为1010～1011m-1,该研究可为解决破碎岩石渗流的工程问题提供一定的参考。     

三轴应力作用下破碎煤体渗透特性演化规律

深部破碎煤岩体受地应力和开采扰动常处于三向应力状态,其渗透特性是影响矿井突水灾害预防和瓦斯抽放的重要因素之一。为研究深部破碎煤体的渗透性能,采用自主研发的破碎岩石三轴渗流试验系统,并设计一套破碎煤体三轴渗流试验方案,进行三轴应力作用下破碎煤体渗流试验,得到破碎煤体渗透特性随围压及孔隙率的演化规律。试验结果表明:①三轴应力作用下破碎煤样渗流雷诺数最大值为47. 58,渗流速度与孔压梯度两者之间符合Forchheimer关系;②三轴应力作用下破碎煤样的孔隙率与围压的变化规律呈负相关,各级轴向位移下,两者服从对数函数关系;③随着有效应力的增大,各粒径下的破碎煤样孔隙率逐渐减小,破碎煤样孔隙率的理论计算值与试验结果较为吻合,表明文中给出的孔隙率计算方法可行;④各级轴向位移下,破碎煤样的渗透率随围压增大而减小,不同粒径的破碎煤样渗透率随围压的演化规律可用k=me~(nσ3)公式表示,颗粒粒径越大,破碎煤样的渗透率随围压的变化越敏感;⑤颗粒粒径及孔隙排列方式影响破碎煤样渗透性能,不同粒径破碎煤样随孔隙率的减小,渗透率整体减小,非Darcy流β因子呈增大趋势,其中渗透率的量级为10~(-14)～10~(-10) m~2,非Darcy流β因子的量级为10~7～10~(11)m~(-1)。所得研究结论有助于增强深部破碎煤岩体渗透特性演化规律的认识。     

断层破碎带岩体孔隙结构表征与非线性渗流特性

为揭示煤矿开采断层破碎带突水灾害发生机理，有必要深入研究断层破碎带岩体的孔隙结构和渗透特性。研制了破碎岩体渗流-应力耦合试验装置，提出了应力作用下级配破碎岩体孔隙结构测试和渗流试验方法，研究了应力和级配对破碎岩体孔径分布特征、孔隙分形特征和非线性渗流行为的影响规律，构建了基于核磁共振的承压破碎岩体渗透率预测模型。试验结果表明：(1)颗粒分形维数为2.6的连续级配和间断级配破碎岩体的孔径分布均为三峰结构，级配破碎岩体中小颗粒的缺失会导致孔隙率和最大孔径增大，降低破碎岩体的压缩性，增大应力可促使渗流孔向束缚孔转变，降低破碎岩体的压缩性。(2)渗流孔隙率对级配破碎岩体渗透率起主导作用，束缚孔隙率对渗透率的影响较小，增大应力会降低破碎岩体渗透性，大颗粒的缺失会导致级配破碎岩体渗透率减小。(3)连续级配和间断级配破碎岩体的非线性渗流特性均可用Forchheimer方程描述，应力影响下破碎岩体的渗透率和非Darcy流β因子变化趋势相反，小颗粒的缺失会导致级配破碎岩体非Darcy流β因子减小。(4)构建了基于核磁共振的级配破碎岩体渗透率预测模型，通过剔除束缚孔的影响并引入渗流孔的加权贡献，可显著提高...     

破碎矸石分级加载蠕变过程中的渗流试验研究

为研究破碎矸石变形后的渗流规律,利用渗透仪、液压泵等组成的渗流系统,在DDL600电子万能试验机上采用分级加载方式,对5种不同粒径破碎矸石进行了蠕变过程中的渗流试验,得到了各级应力水平下岩样的渗透参数,及其Kelvin-Volgt蠕变模型中的各特征参数E0,E1,η1,并对其变化规律进行了分析。结果表明:1)不同粒径岩样随着应力水平的变化,其孔隙度大小差异逐渐减小,同一应力水平下,颗粒间的相互调整随时间推移逐渐停止;2)破碎岩样的蠕变参数E0,E1,η1均随应力水平的提高而增大,小粒径矸石的比面较大,在压缩过程中与其他粒径岩样相比其轴向变形小、蠕变参数E0大,大粒径矸石颗粒间的充填效果明显且其变形大,孔隙连通性减弱,渗流时黏滞阻力大;3)随着孔隙度减小,岩样的渗透率与非Darcy流β因子的绝对值两者近似呈反比关系。破碎矸石密实度越大非Darcy流特性越显著,当颗粒细化程度较大时,破碎矸石渗流过程中易发生渗流失稳。     

分级加载下破碎砂岩渗透特性试验及其稳定性分析

煤岩体的渗透特性与孔压梯度满足渗流失稳条件时,易引发突水和瓦斯突出灾害。破碎岩体长时间缓慢变形过程中,其渗透特性将随孔隙率的变化而发生改变,且破碎岩体不同粒径的配比会影响其渗透特性。采用Talbol级配理论,利用DDL600电子万能试验机、渗透仪等试验设备,设置五级轴向恒载加压,每级恒载加压下对应4种不同渗透压进行试验,探究不同粒径配比下的破碎砂岩渗透特性。试验结果表明：① 轴向荷载从第1级加载至第5级,随着缸筒内破碎砂岩有效应力的增大,描述渗流速度变化的参数Dv均呈减小趋势;② 恒载变形后期,破碎砂岩随孔隙率减小,其渗透率总体呈减小趋势,而非Darcy流β因子的绝对值增加;③ 不同Talbol幂指数的破碎砂岩,渗透率与非Darcy流β因子的大小存在差异,n=0.5时,破碎砂岩渗透率最小,非Darcy流β因子最大,n=1.0时,破碎砂岩渗透率最大,非Darcy流β因子整体较小。研究可见,破碎砂岩颗粒粒径很小或颗粒破碎细化非常严重时,非Darcy流β因子较容易出现负值,破碎砂岩发生渗流失稳。     

侧限压缩条件下砂岩/泥岩颗粒混合物的渗流特性

在地下采矿活动期间很容易形成具有高渗透性的塌陷区,引起地下水的蓄积和渗流,进而导致突水灾害,严重威胁地下开采的安全。为探讨砂岩/泥岩颗粒混合物(GSMM)在塌陷区中的危害机理,本文采用岩石颗粒渗流实验装置,对砂岩/泥岩颗粒混合物的渗流特性(渗透率κ和非达西系数ζ)进行了一系列实验研究。实验结果表明:试样的孔隙率随着侧限压缩位移的增加(试样高度的降低)而逐渐减小。由于加载过程中裂缝和空隙的减少,砂岩/泥岩颗粒混合物的渗透率降低,非达西系数升高。渗流特性的变化趋势会发生局部波折,且泥岩比重更高的试样渗流特性波动更加明显,说明砂岩/泥岩颗粒混合物的渗流特性与侧限压缩位移、颗粒混合物成分、颗粒粒径、孔隙结构等有关。     

有效应力对孔周破裂煤体渗透率演化规律的影响

有效应力是影响煤体渗流特性的主要原因。为研究瓦斯预抽过程中钻孔周围破裂煤体的渗透特性演化，基于Ergun方程，利用多孔介质有效应力理论，开展4种不同级配混合粒径破碎煤体的渗流试验，研究了在三轴应力作用下不同孔隙结构煤体孔隙结构特征，得到了有效应力对孔隙结构煤体渗流的作用机制。研究结果表明：(1)在三轴应力下破碎煤体内部渗流状态贴近于非Darcy渗流，当围压一定时，轴向压力越大，其非线性拟合的现象更加显著。(2)粒径级配和孔隙率等骨架状态参数影响破碎煤体渗透性能，基于Ergun方程推导出孔隙率与渗透率和非Darcy流因子之间的函数关系式，得到破裂煤样孔隙结构变化与渗透率和非达西流因子的变化规律符合指数函数拟合。(3)在三轴作用下，在有效应力加载到0.55～0.75 MPa区间情况下，煤样的渗透率急剧减小，特别是在n=0.8的情况下，渗透率减小幅度最大，而在有效应力加载超过0.75 MPa的情况下，渗透率减小速度越来越小，渗透率随有效应力演化的规律可用k=ae^bσe+c公式表示。综合以上结果，在孔周煤体受到外部应力(地应力)和内部应力(孔隙压力)共同作用时，破裂煤体的...     

破碎岩体水沙两相渗透特性研究进展

为了研究西部矿区浅埋煤层采动破碎岩体诱发的突水溃沙灾害机理,根据两相流相关理论,分析了破碎岩体水沙两相渗流的特征及适用理论模型,提出了破碎岩体水沙两相渗流主要渗透特性参量,研究了破碎岩体水沙两相渗透特性参数的提取方法及不同粒径破碎岩体渗透特性参数变化规律。研究结果表明:(1)破碎岩体水沙两相渗流为典型的非Darcy渗流、非Newton流体,适宜采用双流体连续介质模型;(2)破碎岩体水沙两相渗流特性主要参数为流度、非Darcy流β因子和加速度系数;(3)在沙相压力梯度构造时间序列和渗流速度时间序列基础上,结合数值分析等方法可以有效提取水沙两相渗透特性参数;(4)随着破碎岩体粒径增大,水沙两相非Darcy流β因子和加速度系数随之减小,流度随之增加。     

煤矸石非Darcy渗流的渗透特性试验研究

利用自行设计的岩石渗透试验系统,采用稳态渗透法测试了10件标准煤矸石试样非Darcy渗流时的渗透特性。通过最小二乘法对渗流速度和压力梯度进行回归分析,得到煤矸石的Darcy流渗透率、非Darcy流渗透率和非Darcy流β因子。研究结果可为工程中煤矸石做充填材料提供参考。     

破碎泥岩三轴渗流试验及其稳定性分析

为了探究破碎泥岩微观结构和渗流参数的实时变化对渗流系统结构稳定性的影响,采用自主研制的破碎岩石三轴渗透试验系统并结合稳态渗透法和轴向位移控制法,对级配破碎泥岩进行三轴渗流试验。结果表明:有效孔隙度、渗透率、非Darcy流β因子的变化均与轴向载荷和围压有密切关系,且得到了渗流失稳时渗透率和非Darcy流β因子之间的关系和发生渗流失稳的主要条件。     

基于CT扫描的饱和破碎灰岩侧限压缩下微观结构演化特征

为探求破碎岩体在压实过程中微观结构的演化规律,对饱和破碎灰岩进行侧向受限压缩试验,进行了试样内部微观结构形态的显微CT扫描;定量描述了压实过程中灰岩颗粒的破碎程度,分析了孔隙度与颗粒平均粒径之间的关系;基于图像处理技术,定量分析了颗粒表面形貌的演化规律。试验结果表明：在饱和破碎灰岩压实过程中,颗粒破碎现象普遍存在,试样内部孔隙被压缩或充填,孔隙间连通性变弱。颗粒的初始配比影响试样孔隙度,相同轴向应力下,随着Talbot指数的增大,试样孔隙度单调增大。孔隙度与颗粒平均粒径之间满足线性关系,孔隙度的变化可以作为描述颗粒破碎程度的一个有效参量。随着轴向应力的增大,颗粒的圆形度单调减小,颗粒表面形貌越来越规则,圆形度与轴向应力之间满足指数关系。该研究有助于深入了解破碎岩体的变形机制。     

Experimental study on the type change of liquid flow in broken coal samples

A test system of the permeability of broken coal samples mainly consists of a CMT5305 electronic universal test machine, crushed rock compaction containing cylinder and a self-designed seepage circuit, which is composed of a gear pump, a reversing valve, a relief valve and other components. By using the steady penetration method, the permeability and non-Darcy flow β factor of broken coal samples under five different porosity levels were measured, the grain diameters of the coal samples were selected as 2.5–5 mm, 5–10 mm, 10–15 mm, 15–20 mm, 20–25 mm and 2.5–25 mm, respectively. After measuring the permeability under each porosity, the overfall pressure of the relief valve continuously increased until the coal sample was broken down. In this way, the flow type of liquid inside the broken coal samples changed from seepage to pipe flow. The correlation between breakdown pressure gradient (BPG) and porosity was analyzed, and the BPG was compared with the pressure gradient when seepage instability occurred. The results show that, ① the non-Darcy flow β factor was negative before broken coal samples with six kinds of diameters were broken down; ② the BPG of coal samples with a grain size of 2.5–25 mm was lower than that of the others; ③ the BPG of coal samples with a single diameter under the same porosity increased as the grain size increased; ④ the BPG could be fitted by an exponential function with porosity, and the exponent decreased as the grain size increased for coal samples with a single diameter; ⑤ the BPG was slightly less than the seepage instability pressure gradient. The change in liquid flow type from seepage to pipe flow could be regarded as the performance of the seepage instability.     

破碎岩体流固耦合渗流的分岔

利用承压破碎岩石非Darcy渗流的渗透特性试验规律,对破碎岩体渗流动力系统进行了应力场与渗流场耦合的分岔行为研究.根据多孔介质的有效应力原理建立了含有孔隙度及孔隙压力等渗流物理量的应力场控制方程;考虑流体与固体骨架各自的运动速度,分别建立了流体非Darcy渗流的运动方程以及固体骨架和流体的连续性方程,推导出含有应力场体积应变的渗流场控制方程;得到了垮落破碎岩体由自然堆放状态过渡到压实状态时的弹性流固耦合一维非Darcy渗流的非线性动力学方程组,分析并求解了渗流系统的平衡态,利用逐次亚松弛迭代法分析了平衡态的稳定性,得到了无量纲化孔隙压力、渗流速度随参数变化的动力学响应,指出破碎岩体渗流动力系统存在鞍结分岔.在分岔点处任意微小的扰动易诱发渗流失稳,引发突水等动力学灾害.     

基于非达西渗流的采空区自然发火数值模拟

为了研究非达西渗流下的采空区自然发火情况,对4种不同平均粒度的破碎岩样分别进行了稳态渗流实验,再对得到的数据按非达西方程处理,然后进行二元拟合得到非达西渗透系数 K 与孔隙率 n 和粒度 d 的关系式以及非达西流因子 β 与 n 和 d 的关系式。依据流体动力相似准则的雷诺准则将这些关系式推广应用到实际采空区,结合采空区动态移动的特点,建立了移动坐标下的采空区漏风流场、氧浓度场和温度场相耦合的自然发火数学模型,利用有限体积法编制了数值解算程序。以河东矿31005工作面的采空区为例,解算得到了不同推进速度下的氧浓度场和垮落煤岩温度场的分布情况,比较分析后得出加快推进速度能显著降低该采空区自然发火危险。     

孔隙率对煤矸石混凝土力学特性的影响

探究煤矸石混凝土在不同孔隙率条件下的力学特性,采用EPS颗粒模拟煤矸石混凝土中的孔结构,制作四种不同孔隙率的试件。通过单轴压缩试验、劈裂抗拉试验、静力抗压弹性模量试验测得试件的力学参数,并分析孔隙率对其力学特性的影响。结果表明:孔隙率的大小对煤矸石混凝土的力学特性有明显的影响,随着孔隙率的增加,试件的抗压强度、抗拉强度和弹性模量随之减小。而3种力学参数的减少率随着孔隙率的增加而增加。     

散体充填材料压实力学特性的宏细观研究

为提高西部矿区散体充填材料的抗压性能,采用扫描电子显微镜技术、图像处理技术以及颗粒流数值模拟相结合的方法,研究散体充填材料的细观参数与宏观应变量之间的关系。通过选取颗粒等效粒径、颗粒形状系数、颗粒定向度、表观孔隙率、连通率和颗粒接触关系等6个指标对散体充填材料的形态特征、孔隙特征、接触特征进行了细观量化分析;通过PFC数值模拟对散体充填材料细观参数与宏观压实力学特性的相关性进行了模拟研究,结果表明：颗粒摩擦因数和颗粒孔隙率是散体充填材料宏观应变量的主控参数。基于西部矿区散体充填材料的细观结构,从减少充填材料孔隙率和增大充填材料摩擦性两方面出发,对其进行优化,并将优化后的散体充填材料在陕北常兴煤矿3101工作面进行工业性试验,实测地表最大下沉量为15 mm,最大水平变形为0.8 mm/m,地表沉陷得到有效控制。     

破碎岩石渗流特性及其应用研究

根据采空区岩石的特征,制配破碎岩石岩样,利用MTS815.02岩石力学伺服试验系统及渗透仪完成了破碎岩石的渗流试验,利用1stOpt(First Optimization)软件分别对渗透率和非达西流因子与孔隙率、粒径的关系进行了二元统计分析,分别给出了三者之间的关系式。研究表明,渗透率与孔隙率呈幂次关系,相同孔隙率下,渗透率受粒径影响。根据采空区孔隙率分布情况和试验结果,推出采空区渗透率和非达西流因子的表达式,用VB编程并利用Tecplot9.0软件对数据进行处理,给出了采空区渗透率和非达西流因子的分布图。这对采空区漏风及自燃发火的防治研究具有重要的意义。