胶结剂对“固-气”耦合相似材料特性的影响

实验室开展"固-气"耦合相似模拟实验,是研究卸压瓦斯运移规律的主要方法之一,煤岩瓦斯"固-气"耦合相似模拟材料的开发是"固-气"耦合相似模拟实验的基础。借助正交实验方法,将已选胶结材料石蜡和油作为影响相似材料的主要因素,对试件在改变胶结剂材料含量的条件下开展正交实验,分析石蜡和油对试件弹性模量E及渗流速度v的影响。从抗压强度σc、抗拉强度σt、弹性模量E、脆性参数E/λ及渗透性等方面,对不同配比条件下的相似材料试件开展实验研究。通过对实验数据的拟合,并结合渗透率计算公式,得到了渗透率随石蜡含量变化的方程,表明相似材料渗透率随着石蜡含量的增加,呈负指数函数变化。从而研制出能够应用于"固-气"耦合物理相似模拟实验的相似材料,为"固-气"耦合物理相似模拟实验的开展奠定了基础。     

煤岩“固-气”耦合相似材料渗透性研究

"固-气"耦合相似材料的研制是"固-气"耦合相似模拟实验的基础,因此研制出了一种以河沙、石蜡、油为原料的配比。在上述相似材料研究的基础上,以河砂为骨料,石蜡和液压油作为影响相似材料的主要因素,进行配比设计、试件制作及参数测试,分析石蜡及液压油的变化对试件抗压强度σ_c及渗透率k的影响。     

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。     

固-气耦合物理相似模拟实验材料的研究

在单相相似模拟材料研究基础上,用石蜡、沙子和油为骨料和胶结剂,按一定比例制作试件,并测试了其抗压强度及渗透性,得出与原始岩石抗压强度及渗透性相似的配比范围。结果表明,石蜡与沙子的比例增大,材料抗压强度增大;油量的变化,导致抗压强度下降的拐点位置的后移,消除了仅使用石蜡和沙子时,材料抗压强度变化强烈的不足,通过调整石蜡与沙子比例来控制材料的透气性。     

新型“固-气”耦合相似材料特性影响因素研究

"固-气"耦合相似材料的研制是"固-气"耦合相似模拟实验的基础,由于以砂子、石蜡、油为原料的相似材料抗压强度较低,变化范围不大,对于较高强度岩层的物理相似模拟效果不佳。在上述材料研究的基础上,以河砂为骨料,将已选胶结材料普通水泥和玉米淀粉作为影响相似材料的主要因素,进行配比设计、试件制作及参数测试,分析水泥及淀粉含量的变化对试件抗压强度σc及渗透率K的影响。实验结果表明:水泥在调节材料抗压强度方面起主要作用,淀粉在调节材料渗透性方面起主要作用,从而得到此新型材料的材料特性。运用此材料能够进行较高强度及低渗透率(在达西渗流范围内)的"固-气"耦合物理相似模拟实验,为"固-气"耦合物理相似模拟实验的开展进一步补充了实验基础。     

基于正交设计的“固-气”耦合相似材料力学与渗透特性试验研究

为研究“固-气”耦合相似材料力学与渗透特性,运用正交试验设计配制了以河砂为骨料、石蜡为胶结剂、液压油为调节剂等组合的相似材料;采用极差分析及多元回归分析等方法,研究了冲击次数、骨料粒径、油含量、胶砂比对相似材料抗压强度、弹性模量、泊松比及渗透率的影响。结果表明：各因素对抗压强度的影响由大到小依次为油含量、冲击次数、骨料粒径及胶砂比;对弹性模量的影响为油含量、冲击次数、胶砂比及骨料粒径;对渗透率的影响为冲击次数、胶砂比、油含量及骨料粒径;各因素对泊松比影响较小。相似材料的抗压强度、弹性模量与冲击次数、骨料粒径呈正相关关系,与油含量、胶砂比呈负相关关系;渗透率与冲击次数、骨料粒径、油含量呈负相关关系,与胶砂比呈正相关关系;泊松比与各因素无明显关系。得到各因素共同影响下相似材料特性参数的综合模型。     

新型隔水层固液耦合相似材料研制

针对中国西北地区浅埋隔水层破裂规律的物理相似模拟研究需要,根据固液耦合相似理论,以细河沙、膨润土为骨料,石膏、固体石蜡为胶结材料,甲基硅油为添加剂,经过大量配比实验,研制出873系列固液耦合相似材料。通过单轴抗压实验以及渗透性实验对873系列材料的单轴抗压强度和渗透系数进行了测定。测试结果表明,该相似材料具有低强度、遇水泥化的弱胶结性、良好的隔水性能等特点。     

采动影响下卸压瓦斯渗流规律物理相似模拟实验研究

 利用自主研发的固气耦合物理相似模拟实验平台，对开采过程中煤层底板应力分布特征及卸压瓦斯渗流速度随工作面推进的变化规律进行了实验分析，得出了采空区煤层底板支承压力分布规律及其影响区域的范围，分析了沿采空区上方横向方向瓦斯渗流速度变化形成的“三带”范围，总结了卸压瓦斯的渗流规律。研究结果为现场瓦斯抽采提供了技术支持。     

煤岩体相似材料变形特性及渗透特性试验研究

通过制作煤岩体相似材料,利用重庆大学自主研发的含瓦斯煤岩热流固耦合三轴伺服渗流装置,研究了三轴应力状态下的变形特性及其渗透特性的关系。研究表明:煤岩体相似材料的力学性质和煤岩体存在一定的相似性;试件的渗透特性与其变形性质有关,渗透率与体积应变有关,体积应变增大渗透率降低。     

新型“固-气”相似材料渗透特性影响因素试验研究

为准确地配出满足"固-气"耦合物理相似模拟试验一定渗透特性需求的相似材料,以砂子、普通水泥、玉米淀粉为原料,设计了水泥砂子质量比A、淀粉含量B 2个因素,A因素设置5个水平、B因素设置6个水平,共30个实验配比方案,运用自主研发的小型渗透率测试装置对不同配比材料进行渗透率测试。实验结果表明:试件渗透率与淀粉含量之间满足K=ae-bx变化关系,与水泥砂子质量比之间满足K=-clnx+d变化关系。这与岩石组成结构越致密,所对应的原型岩石强度越大,其渗透性越低的变化规律相似度较高。     

HP复合型尾矿胶结剂的研究

采用HWM和PC 2种胶凝材料配合使用的方法，研究了一种HP复合型尾矿胶结剂。对不同浓度、不同种类、不同粒度的尾矿进行胶结试验，测得灰砂比为12%的胶结模块的3 d、7 d、28 d、56 d的单轴抗压强度。通过对胶结模块的强度和胶结剂材料成本的综合分析来确定新型复合型胶结剂的最佳配比和使用方法。试验表明，料浆含水量对胶结剂的配比无影响；骨料种类对胶结剂的配比的影响实际上为骨料粒度对胶结剂的配比的影响。     

瓦斯压力对卸荷原煤力学及渗透特性的影响

运用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置,以原煤煤样作为研究对象,在不同瓦斯压力条件下对含瓦斯煤进行了固定轴向应力的卸围压瓦斯渗流试验,研究卸围压过程中瓦斯压力对煤体的力学及渗透特性的影响。研究结果表明：开始卸围压后,煤体出现明显的扩容现象,径向发生明显膨胀应变,煤体中的渗流通道张开,煤体中瓦斯的渗流速率随之加快;随着瓦斯压力的升高,解除单位围压后煤样产生的变形变大,渗流速率升高的速率也随之增大;瓦斯压力越高,煤样从开始卸围压起至破坏的时间越短,即煤体强度越低;在卸围压初始阶段,煤样变形模量变化不大,在进入屈服阶段和失稳破坏阶段后,煤样的变形模量减小的速率开始明显加快。从煤样开始卸围压至破坏之前,煤样的变形模量下降了3.71%~7.45%;煤样的泊松比逐渐增大,围压与泊松比的对应具有较为明显的幂函数关系。     

地下工程突涌水物理模拟试验系统的研制及应用

基于流固耦合模型试验研究现状及其所存在的问题,探讨了突涌水物理模拟的关键技术难题,研制了新型流固耦合模拟试验系统.选用砂和滑石粉为骨料,以石蜡为胶结剂,通过大量配比试验,研制出新型流固耦合两相相似材料,采用高强PVC材料研制出组合式三维流固耦合试验台架,可实现不良地质体和含水层的自动生成;采用光纤光栅技术研制出突涌水前兆信息监测系统,传感器具有体积小、精度高和防水的特点,能够实现应力、位移以及渗压等多元信息的实时并行在线采集和分析.采用该试验系统对巷道涌水进行了物理模拟,试验结果表明该系统稳定可靠,具有良好的应用价值和工程实用意义.     

黏土隔水层相似材料胶结剂的正交实验分析

采动隔水层的稳定性模拟是研究浅埋煤层保水开采的关键，隔水层相似模拟材料的开发则是模拟实验的基础．借助正交实验方法，将备选的胶结材料硅油、水玻璃和凡士林作为影响实验的几个因素，对其变形性（弹性模量E）和水理性（渗透性v）进行正交实验，确定了硅油是最佳的低强度非亲水胶结剂，而凡士林为最佳的塑性变形的胶结材料，黏土对强度和塑性以及水理性都具有显著影响．从强度、塑性和裂隙弥合性等方面，对材料的配比进行了研究，得出了可以全面模拟隔水层的应力应变全程性质和水理性的相似模拟材料与配比．     

瓦斯压力对非均质煤岩抗压强度尺寸效应的影响

通过非均质固、气耦合数值试验的方法,研究不同瓦斯压力作用下非均质煤岩抗压强度尺寸效应的影响规律及其作用机理.研究表明：含瓦斯煤岩的抗压强度随着瓦斯压力的增加而呈非线性降低,其降低的幅度随着瓦斯压力的增加而增大;在煤岩裂纹萌生、扩展、演化过程中,通过渗流场与应力场的耦合作用,瓦斯压力降低了煤岩的有效应力,促使裂纹不同方向发育,导致应力局部集中和变形的局部化;增加煤岩的非均质性,促使煤岩均质度动态演化,使得同一均质度煤岩,瓦斯压力越大,抗压强度尺寸效应越明显,瓦斯压力对非均质煤岩抗压强度尺寸效应有显著影响.     

低渗透煤层气注热开采热-流-固耦合 数学模型及数值模拟

为得到低渗透煤层气藏注热开采过程中煤层气渗流运移规律,探索原地煤层在注入蒸汽加热后对煤层气产量的影响,基于煤体渗透率、孔隙度随温度、应力,气体导热系数、杨氏模量、泊松比随温度变化的关系,综合运用渗流力学、岩石力学、传热学等相关理论,建立了低渗透煤层气注热开采过程煤层气渗流热-流-固多物理场耦合数学模型,采用多井开采方式进行了注热开采过程煤层气渗流规律的数值模拟。数值模拟结果表明：煤层注热10 d抽采100 d后,由于煤层的导热并伴有煤层气的对流传热,煤层平均传热速度为66.25 mm/h,注热开采造成储层压力降是无注热抽采压力降的2.45倍,在温度应力耦合作用下,煤层气注热抽采量是未注热抽采量的2.2倍,注热开采是低渗透煤层气增产的有效途径。     

基于棒磨砂充填料的新型充填胶凝材料优化决策

以金川矿山棒磨砂为例，利用生石灰、脱硫灰渣、矿渣微粉等固体废弃物，以芒硝、NaOH作为外加剂开展替代水泥的新型充填胶凝材料试验研究。通过正交试验方案研究激发剂对新型胶凝材料充填体强度的影响，利用遗传规划程序回归新型胶凝材料抗压强度和沉缩率与激发剂之间的函数关系，使用遗传算法最终对回归函数进行有约束优化。结果显示：生石灰为7.05%、脱硫灰渣为16.32%、芒硝为3.062%、NaOH为1.08%、矿渣为72.48%，新型胶凝材料的3、7、28 d龄期抗压强度分别为1.00、4.03、6.73 MPa，优化结果符合现场充填强度要求，为新型充填胶凝材料工业化试验提供理论依据。     

采动裂隙煤岩体应力与瓦斯流动的耦合机理

采用渗流力学理论分析方法,对煤层采动裂隙、采动应力与瓦斯流动的耦合作用进行了研究。对采动过程中煤层及其覆岩的裂隙,采动应力和瓦斯压力进行了现场实测,并对三者之间的相互影响作用进行对比分析。研究结果表明：采动影响下裂隙煤岩体的渗透率与裂隙宽度、裂隙贯通情况、裂隙不平整度、裂隙间距裂隙法向刚度和采动应力等有关,裂隙煤岩体瓦斯流动与其裂隙发育情况有着极其密切的关系,瓦斯渗透率与裂隙宽度呈正相关,与裂隙间距呈负相关。基于工作面煤层采动裂隙、采动应力与瓦斯流动耦合作用,依据裂隙煤岩体瓦斯渗流定律,构建了裂隙煤岩体采动应力-瓦斯渗透的力学模型,揭示了裂隙煤岩体的采动裂隙、采动应力与瓦斯流动的耦合机理。     

矿渣-脱硫灰基固结剂的尾砂固结效果

为开发利用矿渣和脱硫渣,以矿渣和脱硫灰为主要原料,掺入少量石灰石和活性激发剂后,粉磨制得矿渣脱硫渣基固结剂（矿渣、脱硫灰、石灰石、激发剂的配合比为81∶13∶2.5∶3.5）,并以该固结剂为胶凝材料,以2种不同性质的尾矿为固结对象,对比了固结剂料浆和32.5#水泥料浆的流动度、保水性以及不同养护龄期固结体的无侧限抗压强度。结果表明：固结剂的基本性能指标达到,甚至优于32.5#水泥;固结剂料浆的流动度、保水性均略高于相同条件下的32.5#水泥料浆;提高固结剂的掺量、延长养护时间,其固结体的无侧限抗压强度越高;相同条件下,固结剂固结尾矿的能力明显优于水泥,固结剂掺量为5%时固结体的无侧限抗压强度和水泥掺量为10%的固结体的强度相当。因此,矿渣-脱硫渣基固结剂可以替代32.5#水泥用于尾矿的固结。微观分析表明,随着养护龄期的延长,胶凝材料的水化反应越来越充分,凝胶逐渐充填尾矿颗粒间隙,固结体越来越密实,抗压强度越来越高。