瓦斯压力对煤与瓦斯突出强度影响研究

为研究瓦斯压力对煤与瓦斯突出强度的影响,改进一套煤与瓦斯突出模拟试验装置,增加气体压力传感器和温度传感器。研究煤与瓦斯突出过程中的瓦斯压力、温度变化,分析突出过程中各参数的演化规律。进行瓦斯压力分别为0.60、0.80、0.90、1.00 MPa的煤与瓦斯突出模拟试验。     

煤岩体瓦斯通道的形成与演化规律

通过理论计算,结合现场经验,推断出了瓦斯通道随采动空间应力的重新分布而扩张与破裂原理,并根据煤体的不同状态拟合出采动煤岩体的应力-渗透曲线,得到采动煤岩体渗透系数随应力变化的曲线方程,从而获得瓦斯通道形成的空间位置与形态。     

采动煤岩体瓦斯渗流-应力-损伤耦合模型

基于摩尔-库伦屈服准则构建了煤岩体弹塑性损伤本构模型,以损伤变量为过渡变量构建了采动条件下煤岩体渗透率-损伤演化方程,运用采动岩体力学、渗流力学、损伤力学等理论建立了采动煤岩体瓦斯渗流-应力-损伤耦合模型,采用FLAC3D软件设计出采动煤岩体瓦斯渗流-应力-损伤耦合计算程序,将所建立的采动煤岩体瓦斯渗流-应力-损伤耦合模型对顾桥煤矿远距离保护层开采下的瓦斯渗流规律进行了数值模拟研究。结果表明,受采动影响被保护层透气性系数为原始透气性系数的1 760倍,瓦斯压力由原来的2.8 MPa降低到0.6 MPa,消除了被保护层的煤与瓦斯突出危险性。     

关于富水煤岩层瓦斯压力测定方法的研究

针对富水煤岩层中由于水压过大而无法直接测定煤层瓦斯压力的问题,通过对伯努利(Bernoulli)方程的研究,得到了通过测定水的流量进而得出瓦斯压力的间接测定方法,并通过模拟实验进行了检验,效果令人满意。     

煤的电导率随瓦斯压力变化关系的研究

从理论上对煤的电导率随瓦斯压力的变化关系进行了分析研究,并通过实验测定不同煤种的煤样在不同瓦斯压力下的电导率,拟合出煤的电导率随瓦斯压力的变化关系和变化幅度,研究得出了煤的电导率随瓦斯压力变化的定量关系。     

煤与瓦斯突出瓦斯压力变化规律实验研究

通过煤与瓦斯突出模拟实验,研究了突出过程中瓦斯压力的变化规律,分析了突出过程中瓦斯对煤体的破坏作用。研究发现:应力和瓦斯压力达到一定梯度才能引起煤与瓦斯突出,突出的发动明显滞后于卸压过程;突出发生时,瓦斯压力的变化有明显的规律性,瓦斯压力变化形态呈现出突然降低、快速升高并波动、达到波动峰值后逐渐降低,瓦斯压力的变化形态与突出发展的演化过程有较好的对应性;压出与突出过程中的瓦斯压力变化形态有显著差异。煤体在应力和瓦斯压力差的作用下发生剪切和拉伸破坏,靠近卸压口处的煤体层裂破坏特征明显。     

不同瓦斯压力条件下含瓦斯煤的渗透特性试验研究

为探讨瓦斯压力对含瓦斯煤渗透特性的影响,通过含瓦斯煤的三轴剪切试验,获得试件在进行三轴渗流试验时始终处于稳定应力状态的轴向应力和围压的合理取值,在此基础上,以贵州松河煤矿8号煤为剖析对象,利用自主研制的出口压力可调的三轴渗透仪进行了有效应力和温度恒定、不同瓦斯压力条件下的三轴渗流试验。结果表明:当瓦斯压力恒定时,含瓦斯煤试件的抗剪强度随着围压的增加而增加;当有效应力、温度和试件两端压差恒定时,渗透率以指数关系随着间隙气压的增加而下降;当有效应力、温度和间隙气压恒定时,渗透率随着两端压差的增大而减少。试验结果为地面煤层气开发和井下瓦斯抽采提供了有力的技术支撑。     

瓦斯压力对煤与瓦斯突出冲击波传播的影响研究

为研究瓦斯压力对煤与瓦斯突出冲击波传播的影响,自主研制了一套突出煤—瓦斯两相流模拟实验系统,开展了不同瓦斯压力条件下的煤—瓦斯两相流运移规律模拟实验,实现了对突出过程巷道内突出煤—瓦斯两相流运移的可视化监测。实验结果表明：煤与瓦斯突出是一个从突出口开始迅速向煤体内部发展的动力过程,期间瓦斯压力存在多次上下波动;突出过程中巷道内的冲击波超压呈现正压相与负压相交替变化的局面,同时冲击波超压特征值随初始瓦斯压力的增大而呈对数函数递增趋势;冲击波超压在巷道中传播是一个不断衰减的过程,前期衰减较慢,后期衰减加快。     

含瓦斯煤岩体采动致裂特性及其对卸压变形的影响

为了研究瓦斯压力对采动煤岩体卸压变形的影响,在FLAC平台上采用应变软化本构关系和“先加载后卸压”的方式,研究了不同瓦斯压力及围压条件下采动煤岩体的卸压致裂特性及其对卸压变形的影响。模拟结果表明：煤岩损伤破坏应力的峰值及所对应的轴向应变、应力峰后下降幅度随瓦斯压力的增加而减小,其力学特征由脆性逐渐向塑性过渡;瓦斯压力的增加使煤岩承载能力下降,并由于在有效应力空间中应力水平的提高而使拉伸破坏提前发生;随着瓦斯压力的升高,上覆煤岩采动煤岩卸压变形量、致裂破坏区不断增大,致裂特征更加明显,采动卸压范围、应力集中峰值及其距煤柱边界的距离也增大。因此,当煤层瓦斯压力较高时,瓦斯压力对采动煤岩体卸压变形的影响不能忽略。     

煤与瓦斯突出过程的压力释放效应机理研究

“瓦斯包”压力的突然释放是煤与瓦斯突出的重要原因。文章通过建立一个实体球模型来分析“瓦斯包”作用下的煤体破碎煤块散射过程，从而得到一个能使模型破裂碎散的临界瓦斯压力值，希为控制煤与瓦斯的突出和消除碎煤块的冲击提供量化指标。     

基于水分影响的加-卸载围压条件下含瓦斯煤渗流特性研究

利用自行研制的"受载含瓦斯煤温控三轴加载渗流实验装置",以河南方山煤矿煤样为研究对象,进行了不同含水率条件下2次加-卸载围压的三轴渗流实验,系统研究了水分和加-卸载围压对含瓦斯煤渗透特性的影响规律。研究结果表明:1)围压及煤样的含水率对型煤煤样渗透率控制性较强,型煤渗透率与水分及围压大小都呈负相关关系;2)2次加载过程相比,第2次加载过程中渗透率变化明显较第1次平缓,且两者渗透率与围压的关系曲线路径不同;3)2次卸载过程中,渗透率都有一定程度升高,但均恢复不到初始值,且随着煤样含水率越高其恢复程度越小;4)同一次加载或卸载过程中,含水率越高的煤样渗透率变化曲线越平缓。第1次加载后,进行第1次卸载及2次加卸载过程中,水分对煤体渗透率的控制性要显著高于围压对其控制性。实验结论对处于反复加-卸载情况下,煤层瓦斯渗透率主要控制因素选择有一定意义。     

考虑区域地应力特征的裂隙煤岩流固耦合特性实验

通过位移反演方法对区域地应力特征进行理论分析,建立研究煤岩内部裂隙时空演化规律的力学实验系统,设计了区域地应力作用下裂隙煤岩流固耦合计算模型,初步揭示裂隙煤岩流固耦合特性。通过地应力的现场监测,验证了位移反演方法的准确性,垂直地应力与最小水平主应力数值稳定,受开采扰动影响,最大水平主应力出现局部性突增。借助数字化X射线摄影系统,给出了不同载荷下内部裂隙场DR扫描图像,发现随外载增大煤岩内主裂隙持续扩展,且裂隙场形态分别为共轭型与X型。矢量化处理裂隙场信息并导入耦合计算模型,分析不同工况下耦合模型的渗流参数变化情况,初步得出裂隙煤岩流固耦合特性:外载增大将导致煤岩内部微裂隙进一步相互贯通扩展并出现宏观破裂,这是裂隙煤岩孔隙率与渗透率持续性增加的本质原因,且流速最大区域迁移过程可表征裂隙煤岩次生裂隙分布特点,主裂隙内水体流速最大且随注水压力的增大,水体流速不断增加,较大的流速一般发生在具有较大水力梯度的细小裂隙位置处。同时,出口流速特征表现为出口流速分量的最大值均位于煤岩两侧并随着外载的增大而增加。     

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.     

工作面煤层瓦斯压力与采动应力的耦合效应

依据煤层采动应力及瓦斯压力的现场实测,应用数值模拟、数力学理论分析方法,对工作面煤层瓦斯压力与采动应力的相互作用进行了深入研究。研究表明:煤层瓦斯压力与采动应力具有典型的耦合效应,且呈正相关性,瓦斯压力峰值位置超前于采动应力;在瓦斯压力峰值前瓦斯压力随采动应力呈现"双增"状态,易失稳引起动力灾变,是煤岩瓦斯动力灾害重点防治区域;依据含瓦斯煤吸附变形与孔隙表面自由能的内在关系,构建了含瓦斯煤采动应力-瓦斯压力互馈效应的数力学模型,揭示了煤层瓦斯压力与采动应力耦合作用的力学机理。     

瓦斯压力对原煤渗透特性的影响

以松藻煤电公司渝阳煤矿8号突出煤层原煤试样为研究对象,利用实验室研制的三轴渗透仪,进行不同轴压围压条件下瓦斯压力对突出原煤渗流特性试验。试验结果表明,瓦斯渗流速度随着瓦斯压力的增加而增加,呈显著的二次多项式函数关系;随着瓦斯压力的增加,突出煤体的渗透率呈现出先减小后增大的趋势,具有明显的Klinkenberg效应;渗透率随瓦斯压力的增加呈“V”字形变化,具有明显的阶段性;随着瓦斯压力的增加,Klinkenberg系数b与绝对渗透率Kg之间呈显著的幂函数关系;瓦斯压力p与渗透率K之间呈显著的二次多项式函数关系。     

深部裂隙煤岩体变形破坏机理及高压注浆改性强化试验研究

为了对深部高应力裂隙煤岩体变形破坏特征及改性强化机理进行研究,首先采用小孔径水压致裂法对埋深500 m左右和1 000 m左右的地应力分布特征进行现场实测研究,以此为基础对比分析了不同埋深条件下地应力分布特征、煤岩体破裂强度及典型裂隙分布发育特征,拟合得到了不同埋深条件下裂隙煤岩体摩尔强度包络线公式。采用数值模拟方法对比研究了不同埋深不同应力水平条件下煤岩体不同角度裂隙变形破坏特征。根据裂隙扩展应变能释放率与能量吸收率间的关系,探讨了影响深部裂隙煤岩体改性强化的主要影响因素。通过建立裂隙悬臂梁力学模型,采用格里菲斯裂纹扩展破坏准则分析了裂隙扩展临界载荷和裂隙不同角度间的关系。基于现场实测及数值模拟研究结果,通过对不同埋深煤岩体破裂强度的统计分析,结合煤岩体改性强化的工艺及装备要求,提出了深部裂隙煤岩体改性强化的基本原则及临界值范围。基于上述研究成果,在千米深井工作面巷道进行了现场试验,得到了裂隙煤岩体改性强化高压注浆全过程改性压力曲线。通过对裂隙煤岩体不同改性强化阶段浆液扩散特征的分析,最大注浆改性强化压力为30 MPa,一般为15～20 MPa,与提出的改性原则相符。通过现场取样表征...     

基于瓦斯含量的相对压力测定有效半径技术

针对现有煤层瓦斯有效抽放半径测定方法实用性差的问题,基于瓦斯压力和瓦斯含量的抛物线方程关系,推导出瓦斯压力变化与瓦斯抽采率的关系,发明了基于瓦斯含量的相对压力测定有效半径技术。利用瓦斯压力随抽放时间的变化情况确定煤层瓦斯抽放半径与抽放时间的关系,进而确定抽放钻孔间距、抽放时间等抽放参数,避免了在设计抽放钻孔过程中出现抽放空白带和钻孔的无效重叠,提高了煤层瓦斯的抽采率。     

高压气体射流破煤应力波效应分析

针对松软低透煤层中水力化增透措施存在的塌孔、抑制瓦斯解析及运移等缺点,提出采用高压气体射流破煤卸压增透的技术方法。根据热力学相关理论,计算分析了气体射流破煤应力波产生的临界当地声速及压力;并进行了高压气体射流破煤实验,高压气体射流冲击煤体时,以准静态载荷和动态载荷作用于煤体,在煤体表面形成冲蚀坑,并以应力波加载的方式在煤体内形成贯穿裂纹导致煤体破裂。通过建立应力波在煤体内传播的弥散方程,分析了孔隙率和渗透率对应力波在煤体内传播的影响。结果表明孔隙率对波速有明显的影响,应力波的衰减随孔隙率增大呈增大趋势,且在高频时应力波衰减变化更为明显;低频时渗透率对波速的影响不大,高频时,在渗透率较低时波速随着渗透率的增大逐渐增大,且波速衰减呈现先增大后减小的趋势;当渗透率大于10-11时,波速不受渗透率的影响,同时应力波也未出现衰减。     

Test study on rupture process and permeability properties of coal-rock in simulating mining stress effect

A test system was designed by using a set of self-made experimental devices of coupled coal-gas in simulating mining stress effect, combining the equipment with RMT-150B rock mechanical experimental system, monitoring the rupture process of coal-rock with an acoustic emission (AE) device and collecting gas-flow rate and gas-stress data in real-time automatically with a gas flow-meter and gas pressure sensor. The fracture process and permeability properties test of the coal-rock in mining stress effect was carried out. Test results indicate that AE events and variation of stresses have the same variance tendency and the rupture process of coal-rock can be monitored by AE. The relation curves among stresses, parameters of AE and permeability properties demonstrate that the permeability of coal-rock decreases gradually at quasi-elastic stage, increases gradually at plastic damage micro-fracture stage, rises suddenly near the peak point and has multi-variation at post-peak slip stage. From the results, such conclusion can be drawn that the variation of permeability can be monitored by AE parameters or stress change. Supported by Significant Public Welfare Project of Henan Province (08110091500); the Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education (20070460001); National Nature Science Foundation of China(50478061)