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...     

两种典型受载含瓦斯煤样渗透特性的对比

利用自主研发的含瓦斯煤岩三轴压缩实验系统,进行了受载含瓦斯煤的渗透特性实验,对比分析了受载含瓦斯型煤与原煤两种典型煤样的渗透特性之间的异同。研究结果表明,控制煤体渗透率大小的直接原因是有效孔隙度而非总孔隙度,有效孔隙度大,则渗透率大。在恒定瓦斯压力条件下,型煤与原煤的渗透率随围压的增大而减小,均服从负指数函数变化规律;相同实验条件下,型煤渗透率普遍远大于原煤渗透率,且型煤渗透率随围压下降的速度比原煤的快。在恒定围压条件下,型煤与原煤的渗透率呈现先减小后增加的趋势,在瓦斯压力p<1.0 MPa范围内均具有明显的Klinkenberg效应。全应力-应变条件下,瓦斯渗流规律与煤样的破坏形式相关,煤样渗透率都表现出先减小后增大的现象,并且具有一般的“V”字型变化规律。     

加卸载应力条件下原煤力学与渗透特性的实验研究

以川煤集团芙蓉公司某煤矿C1煤层的煤样为研究对象,利用煤岩热流固耦合三轴伺服渗流实验装置(THM-2),进行加卸载应力条件下原煤力学及渗透特性实验。研究结果表明:同一加卸载控制点下,原煤破坏时的体应变随加卸载速率比的增大而减小,破坏时的径向应变和轴向应变随加卸载速率比的增大而增大,随加卸载速率比增大,原煤破坏形态逐渐由多宏观断裂面向单一宏观断裂面发展。同一加卸载速率比下,原煤强度随加卸载控制点的增大而增大,原煤的破坏角随加卸载控制点的增大而减小。原煤在加卸载应力条件下,随着加卸载速率比增大,屈服阶段的渗透率响应变化量呈线性关系降低,加卸载控制点到原煤产生渗透率变化的应变响应变化量呈线性关系增大。     

煤岩渗流-蠕变耦合试验研究

岩石在渗流作用下的蠕变为工程的长期稳定带来了诸多不利影响。研制一种可实现围压加载、轴压加载和空隙水压加载的岩石渗流-蠕变耦合试验装置,进行岩石渗流与蠕变的耦合试验,探讨岩石在渗流作用下的蠕变特性。试验得出：在固定水压和围压的情况下,煤岩轴压对试件弹性形变作用随轴压增加而降低;轴向的瞬时变形随轴压增大而增大;渗流量随轴压升高而降低。在轴压和围压固定的情况下,渗流量和蠕变量随水压的增大而增大,渗流对试件蠕变会产生一定的影响,蠕变也影响渗流量。     

孔隙压力及温度对含瓦斯原煤渗透率影响的试验研究

以贵州矿区林华煤矿9号煤层的原煤试件为研究对象,借助自主研发出口压力可调的三轴渗流装置,开展了不同孔隙压力及温度作用下的三轴渗流试验。研究表明:当进口瓦斯压力恒定,孔隙压力在1.8~2.4 MPa之间变化时,含瓦斯原煤渗透率随孔隙压力变化呈递增的指数函数关系;当孔隙压力不变时,含瓦斯原煤渗透率随温度升高而下降,但下降幅度随温度而异,两者服从乘幂函数分布;若压差不变时,含瓦斯原煤渗透率随温度升高而下降;温度恒定时,含瓦斯原煤渗透率则随压差增大而减小。借助上述试验结果,推导了含瓦斯原煤渗透率受孔隙压力和温度耦合作用的函数关系式。     

应力场、温度场、声场作用下煤层气的渗流方程

采用自制的可控声震法煤层气渗流实验系统,研究了不加声场和加声场作用下煤样的渗透特性,研究得出：在不加声场作用下,当矿压、孔隙压力、温度一定时,在煤样应力应变曲线的初始压密阶段和弹性阶段,渗透率随轴向有效应力的增大而减小。在应变硬化阶段,渗透率随轴向有效应力的增大而增大,临近试件破坏时,渗透率骤增;在不加声场作用下,当轴向应力、孔隙压力、温度一定时,煤样渗透率随有效矿压的增大而减小,且呈负指数关系;在声场作用下,当轴向应力、矿压、孔隙压力、温度一定时,声场作用能提高煤样的渗透率,且渗透率随作用时间的增长而增大。在实验研究成果的基础上,建立了应力场、温度场、声场作用下煤层气的渗流方程     

吸附作用对原煤渗透特性的影响

为了解吸附作用对原煤渗透特性的影响,利用自制的煤岩三轴渗透仪,在不同轴压和围压组合条件下,对以打通一矿低渗透突出煤层的原煤试样,采用稳态渗流法进行CO2和N2渗流试验。从渗流力学的观点,分析不同吸附性气体对原煤渗透率的影响。试验结果表明:气体吸附作用越强,气体吸附量越多,则煤样渗透率越低;气体吸附性越强,煤样受围压影响越小,煤样对气体吸附量增加幅度越大;气体压力与原煤渗透率呈乘幂函数关系。同时,给出了吸附膨胀应力与渗透率的关系表达式。研究结果对探索煤层真实的瓦斯运移规律具有一定的参考价值。     

渗透-应力耦合作用下灰岩压缩破坏及声发射特性分析

富水隧道围岩体挖掘过程中,复杂的渗透-应力耦合作用经常导致岩体内部结构演化具有不稳定性,进而诱发围岩体的劣化与失稳,这对地下渗流岩体稳定性的研究提出了更高的要求。为研究贵阳下麦西隧道进口区灰岩的宏观力学和声发射特性,利用自主研发的渗透-应力耦合试验装置进行了不同渗透水压下的单轴压缩破坏、声发射和压汞试验,分析了灰岩的应力-应变、峰值强度、特征应力、破裂和声发射特性以及劣化机制等。研究结果表明:随渗透水压力增大,灰岩压密阶段延长而弹性阶段相对缩短,峰值应力为指数衰减;闭合应力和损伤应力均随渗透水压力增加呈线性减小,而随峰值应力增大而增加,表明溶蚀作用增加了灰岩损伤敏感程度;渗透水压力对灰岩破裂形式未造成较大影响,以劈裂破坏为主,且碎块均匀度与渗透水压力、峰值应力均为指数关系;不同渗透水压力下,灰岩声发射振铃计数大致经历了"平静-发展-突增-跌落"过程,水岩作用弱化了灰岩结构稳定性,导致应变能提前释放;渗透水对灰岩具有溶蚀和引裂作用,随渗透水压力增加,单位质量孔隙体积呈指数增加,起裂应力呈线性衰减。研究结果可为地下富水岩体的开挖的稳定性及减防灾分析提供理论基础。     

低应力下原煤各向异性渗透特性试验研究

为了探究低应力下原煤的各向异性渗透特性，以漳村煤矿、亭南煤矿、新景煤矿煤样为研究对象，利用改进的三轴渗流试验装置，开展了沿同一试样面割理、端割理和垂直层理方向，恒围压轴压、变孔隙压力下的渗透试验。结果表明：在恒围压轴压下，通过煤样的流量随着渗透压差的增大而增大，在相同的渗透压差下，流量大小与渗流的方向紧密相关；在相同平均孔隙压力下，面割理方向渗透率略大于端割理方向而远大于垂直层理方向；低应力下面割理、端割理方向的渗透率相差不大，平行层理面内渗透率相近并非偶然，煤的渗透具有横观各向同性特征；煤体应力增大是导致端割理和面割理方向渗透率产生差异的主要原因。     

不同层理方向对原煤变形及渗流特性的影响

利用自行研制的含瓦斯煤热流固耦合伺服渗流试验装置,以平行和垂直层理2种不同的原煤试样为研究对象,进行相同有效应力、瓦斯压力条件下,不同轴压、围压组合;相同瓦斯压力、静水压力条件下,不同有效应力的渗流试验,探究其变形及渗透率的差异。研究结果表明：平行层理试样沿z方向的裂隙度φz大于垂直层理试样,垂直层理试样的总裂隙度φ大于平行层理试样;煤体中平行层理方向的裂隙度大于垂直层理方向;在静水压力下,平行层理试样渗透率大于垂直层理试样,煤体平行层理方向渗透性高于垂直层理方向;基于平板流体理论,得出了渗透率与径向应变呈二次函数关系,在煤体中平行层理方向的初始裂隙度系数β是垂直层理方向的1.5~2.0倍;当考虑渗流通道为贯通裂隙时,平行层理方向的初始裂隙度φ0与初始裂隙开度平方d20的乘积是垂直层理方向的1.5~2.0倍。     

空心岩样径向渗流-轴向应力特征与巷道围岩渗透突变机理

为了探究承压水下巷道围岩的渗透突变机理，针对空心岩样的渗流-应力特征开展了一系列室内试验和渗透突变表征模型研究。自主研制了一套空心岩样径向渗流-轴向应力试验系统，突破了仅开展轴向渗流的传统试验条件限制，实现了径向渗流及轴向应力同步进行。采用该新型试验系统，以孔径(5～20 mm)和水压(0.5～2.5 MPa)为变量开展多组空心红砂岩渗流-应力试验，得到空心岩样径向渗流-轴向应力特征。试验结果表明径向渗流的蚀损作用引起岩样黏聚力、内摩擦角等力学参数衰减，增大水压，渗流的蚀损作用变强，岩样内部裂隙贯通通道形成时间缩短，渗透突变现象提前发生。大孔径岩样对轴向应力敏感度更高，内部结构受径向渗流蚀损作用易破坏，渗透突变发生时间缩短。岩样渗透率在试验过程中存在3种状态：(1)以孔隙结构为主要渗流介质的孔隙渗流状态；(2)以局部裂隙结构为主要渗流介质的非稳定渗流状态；(3)以贯通裂隙结构为主要渗流介质的渗透突变状态。渗透率达到峰值的试样渗流介质为受水压影响产生的贯通裂隙结构，峰值渗透率随水压增大呈线性增长，与孔径没有明显关系。以裂隙体积变化为纽带建立空心岩样渗透突变表征模型，模型计算值与实验结果吻...     

三轴相似材料“固-气”耦合特性测试实验台研发与应用

开展对煤岩瓦斯渗流实验的研究,为实现煤与瓦斯安全共采提供理论基础,研制出相似材料固-气耦合常规三轴实验系统。该实验系统可以完整、独立地控制并加载围压和轴压,利用流量计监测相似材料试件在三维应力下的渗透率变化过程。通过对不同进气压力条件下试件的常规三轴加载实验,研究轴向应力加载梯度对试件渗透特性的影响规律,实验结果能够很好地反映出相似材料的固-气耦合特性。     

水力耦合作用下煤岩渗流动态演化规律

为探究煤层注水时水在煤体中的渗流演化规律,采用实验室试验与数值模拟结合的方法,开展了地应力及孔隙水压力耦合作用下煤体结构变形及渗透率演化规律试验,并建立了水力耦合下体积变形演化数学模型,基于UDF二次开发进行了煤岩注水渗流动态演化数值模拟。研究结果表明:煤岩孔隙率变化受应力与水压共同作用的影响;煤岩轴向变形量与水压分布由上至下呈递减式传递,体积变形与轴向力、孔隙水压大小成正相关;孔隙水压为赋存于孔裂隙的自由水提供渗透动力,并对煤岩基质骨架产生力学作用,水压越大,煤岩基质骨架越容易破坏;采用UDF程序加载渗透性试验结果对孔隙率随孔隙水压变化进行拟合的结果更接近试验结果,误差较小,对于研究煤岩渗流规律可以提供一定的参考。     

加卸载条件下原煤渗透率与有效应力的规律

为研究采动过程中有效应力的变化对渗透率的动态演化的影响,基于自行研制的"含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置",进行了单调加载和不同初始应力状态加卸载条件下原煤渗流特性的试验研究。考虑瓦斯力学作用和瓦斯吸附作用两个方面对有效应力系数的影响,得到了加卸载条件下原煤的有效应力计算公式及渗透率与有效应力关系的公式,根据初始孔隙率、吸附常数等试验数据和不同条件下渗流试验数据对建立的渗透率与有效应力表达式进行验证。研究结果表明,理论计算值和试验结果吻合度比较高,单调加载与加卸载条件下原煤的渗透率随着有效应力的增加呈负指数关系下降。     

煤岩水力压裂后裂缝形态及增透效果实验研究

以圆柱型原煤试件为研究对象开展水力压裂以及渗流实验研究,研究结果表明:原煤水力压裂过程中裂缝扩展方向由层理方向以及应力差共同决定,并且压裂后煤样的渗透率与有效应力之间依然存在着负指数函数关系。此外,在没有形成贯穿裂缝的前提下,原煤水力压裂前后渗透率的增幅与水压裂缝和煤体层理面间的夹角直接相关。     

节理剪胀耦合的岩体渗透特性数值研究与经验公式

利用UDEC软件,建立岩石节理剪胀导致岩体渗透特性改变的离散元数值模型,探讨节理剪胀效应对岩体等效渗透系数的影响。数值研究表明,在节理法向闭合和节理剪胀两种机制的共同作用下,随偏应力系数的增加,岩体等效渗透系数遵循先减小后增加的变化规律。当偏应力系数较小时,节理法向闭合机制占主导因素,导致等效渗透系数随偏应力系数的增大而减小;当偏应力系数较大时,节理剪胀机制占主导因素,导致等效渗透系数呈数量级增加。在岩体等效渗透系数的流固耦合方程中必须体现节理剪胀因素。提出的裂隙岩体等效渗透系数经验公式考虑了节理法向闭合和节理剪胀对等效渗透系数的贡献,且物理意义明确;最后参考J.ZHANG的实验研究成果验证了经验公式的合理性。     

瓦斯在煤体中的非线性渗透模型及求解

考虑到外力引起的孔隙结构改变,将导致煤体渗透性发生显著变化,利用原煤试件的三轴渗透实验数据建立反应瓦斯非线性渗流规律的数学模型,采用基于改进遗传算法赋初值的拟牛顿法求解建立的模型,对瓦斯在原煤试件中的非线性渗流规律进行了求解和分析。结果表明,改进的遗传算法大幅提高了初值寻找的速度和精度,为利用拟牛顿法进行模型最终求解提供保障,从而使得新型优化算法可以有效解决非线性最小二乘问题。采用该方法研究煤体的非线性渗流规律发现,在一定压力范围内,煤体的渗透系数随孔隙压力增加而增加,随体积应力的增加而减小,渗透系数是孔隙压力的二次函数与体积应力的负指数函数的乘积。     

结构异性煤层顺层钻孔方位对有效抽采半径的影响

为了提高煤层顺层钻孔瓦斯抽采效率,有效抽采半径的确定是关键。基于各向异性煤层瓦斯渗透率测试结果,建立了煤层瓦斯各向渗透异性的气-固耦合渗流模型,数值模拟了不同钻孔方位时瓦斯抽采有效半径的时变规律,分析了钻孔方位对抽采效果的影响。研究结果表明：煤层面割理和端割理方向渗透率均大于垂直层理方向渗透率;钻孔有效抽采半径随抽采时间增加呈幂指数增大;煤层有效抽采区域是以抽采钻孔为中心,最大抽采距离(平行层理方向)为长轴,最小抽采距离(垂直层理方向)为短轴的椭圆。平行层理沿端割理方向抽采孔的瓦斯抽采效果优于平行层理沿面割理方向的抽采孔。     

渗压作用下非贯通节理岩体损伤变量计算方法

为了研究渗压环境下节理引起的岩体损伤变量,首先基于损伤力学损伤应变能释放率与断裂力学附加应变能增量相关联的原理,推导了渗压环境下节理岩体损伤变量计算公式;其次,根据断裂力学理论推导了渗压作用下非贯通节理尖端Ⅰ、Ⅱ型应力强度因子计算方法,进而建立了渗压作用下非贯通节理岩体损伤变量的计算方法。最后对该计算公式进行了验证分析,渗压环境下损伤变量随节理半长的增大逐渐增大;随渗透水压的增大,损伤变量逐渐增大;随节理内摩擦角及节理面软化系数的增大,损伤变量逐渐减小。     

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。