粒径对含瓦斯型煤力学性质及渗透特性的影响试验研究

以贵州矿区玉舍煤矿1#煤层3种不同粒径的型煤试件为研究对象,借助MTS815岩石力学伺服系统及自主研发的三轴渗流设备分别开展单轴压缩试验和三轴渗流试验,研究表明:含瓦斯型煤单轴抗压强度随粒径变化呈反相关关系,含瓦斯型煤抗破坏能力随粒径减小而增大;含瓦斯型煤弹性模量随粒径变化亦呈反相关关系;若有效应力恒定,3种粒径含瓦斯型煤渗透率均随温度升高而降低。若温度不变,3种粒径含瓦斯型煤渗透率随有效应力增加而减少;若温度和有效应力均恒定,300~450μm粒径含瓦斯型煤渗透率最高。相同粒径含瓦斯型煤渗透率随有效应力升高而降低。     

不同煤岩组合渗透率的影响因素试验研究

为研究不同煤岩组合的渗透率,针对山西沁水盆地榆 社 武乡区块煤、粉砂泥岩和泥岩 ３种岩 石 的 不 同 组 合 方 式,进行了不同条件下的渗透率试验.结果表明:(１)在恒定 孔隙压力下,随着有效应力的增加,渗透率先快速降低后缓 慢降低,有效应力增大到使煤岩破碎后,渗透率会逐渐增加, 趋势符合二次函数,恒定三轴应力下,渗透率随孔隙压力的 增加呈二次函数曲线先降后升,２ MPa为试验中的“临界压 力”.(２)其他条件保持不变的情况下,含水率升高,渗透率 呈负指数函数规律递减.孔隙压力一定时,三轴应力越高, 煤岩渗透率受含水率升高的影响越大;三轴应力一定时,孔 隙压力越高,煤岩渗透率受含水率升高的影响越大.(３)结 合试验结果采用三维图直观分析,得到了有效应力和孔隙压 力共同影响渗透率的图形,拟合出了有效应力和孔隙压力对 渗透率的影响方程.研究结果为沁水盆地的煤层气资源高 效开采提供了理论依据.     

不同应力组合条件下煤岩渗透率的试验

利用自制含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置,对煤岩在不同轴压、围压和瓦斯压力组合下进行渗流试验,研究不同围压和瓦斯压力组合下的全应力-应变及在不同应力组合下煤岩渗透性的影响规律。结果表明：煤岩的渗透率随体积应力变化有三个阶段;在轴压和瓦斯压力一定的条件下,渗透率随着围压的增加而减小,且与围压呈二次曲线关系,围压对渗透率的影响比轴压大;在轴压和围压一定的条件下,渗透率随着瓦斯压力的增加先减小后增大,且与瓦斯压力呈三次曲线关系,渗透率减小阶段滑脱效应占主导地位;在一定瓦斯压力和相同体积应力下,渗透率随轴压的增加而增大,随围压的增加而减小,而且呈线性规律。     

型煤渗透率随温度和有效应力变化的实验研究

为得出温度和有效应力对型煤渗透率的影响规律,采用自制加工的渗透实验装置,在不同温度和有效应力条件下进行型煤的渗透实验。从实验数据的图像看出,恒定温度时,型煤渗透率随着有效应力的增加而递减;恒定有效应力时,型煤渗透率随温度的升高而减小。通过对实验数据进行拟合,发现型煤渗透率与温度和有效应力均呈指数函数变化规律。因此,现场实际应用中,需要综合考虑温度与有效应力对煤层渗透率的影响。     

不同应力组合条件下煤岩渗透率的试验

利用自制含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置,对煤岩在不同轴压、围压和瓦斯压力组合下进行渗流试验,研究不同围压和瓦斯压力组合下的全应力-应变及在不同应力组合下煤岩渗透性的影响规律。结果表明：煤岩的渗透率随体积应力变化有三个阶段;在轴压和瓦斯压力一定的条件下,渗透率随着围压的增加而减小,且与围压呈二次曲线关系,围压对渗透率的影响比轴压大;在轴压和围压一定的条件下,渗透率随着瓦斯压力的增加先减小后增大,且与瓦斯压力呈三次曲线关系,渗透率减小阶段滑脱效应占主导地位;在一定瓦斯压力和相同体积应力下,渗透率随轴压     

三种应力作用下含瓦斯原煤渗透性分析

利用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置,对杉木树煤矿原煤试样进行了不同轴压、围压、瓦斯压力3种应力因素条件下的室内渗流实验,结果表明:当恒定瓦斯压力与围压不变时,煤样渗透率随轴压的增加而呈非线性降低,且围压越高煤样渗透率越小;当恒定瓦斯压力与轴压不变时,煤样渗透率随围压的增加而呈非线性降低,且轴压越大煤样渗透率越小;当恒定轴压与围压不变时,煤样渗透率随瓦斯压力的增加而呈非线性增加。3种应力因素对煤样渗透率的敏感度由大至小依次为:瓦斯压力、围压、轴压。3种应力因素与煤样渗透率的单因素拟合结果显示,3种应力因素与煤样渗透率均呈指数函数关系。     

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。     

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。     

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。     

含瓦斯煤的渗透率-应变特征的试验研究

基于含瓦斯煤热流固耦合试验系统,进行了不同瓦斯压力条件下型煤试件渗透率与体积应变的试验研究。结果表明:随着瓦斯压力的增加,煤样的峰值强度呈减小的趋势;煤样的应力-轴向应变曲线与渗透率-轴向应变曲线有较好的对应关系;渗透率-体积应变曲线存在1个渗透率反弹点,反弹点前渗透率随体积应变的增加呈现出降低的趋势,反弹点后随着体积应变的减小呈现出增加的趋势;反弹点前和反弹点后渗透率与体积应变的关系均可以用线性表达式进行拟合,且拟合度比较高;反弹点前渗透率降低的趋势比反弹点后渗透率增加的趋势陡。     

孔隙压力和温度对煤岩中氮气渗流影响的实验研究

为了探讨孔隙压力和温度对氮气在煤岩中渗流特性的影响,在恒定有效应力的基础上,利用自主研发的煤岩渗透率实验装置,分别进行了不同孔隙压力和温度下的渗流实验。结果表明:在恒定有效应力下,渗透率与孔隙压力和温度均呈负幂指数关系,煤岩渗透率均随着温度或者孔隙压力的升高先快速降低后逐渐平缓,分别得到实验煤岩孔隙压力和温度对煤岩氮气渗透作用的临界值,并拟合得到渗透率与温度和孔隙压力之间的关系。     

循环载荷作用下煤体渗透率演化的实验分析

多期次载荷作用下的煤体,其孔隙结构会发生复杂变化,渗透率也随之改变。然而,不同加卸载速率与循环周期决定着煤体渗透率变化路径,影响其应力敏感性,开展循环载荷控制下煤体渗透率演化规律研究,对于解释复杂应力场下煤层渗透率的各向异性特征有理论支撑作用。借助于煤层渗透率应力敏感模型分析,研究了影响煤体渗透率变化的关键表征参数及其函数关系;为验证关键参数对煤体渗透率影响,采用预定轴压和气压、加卸载围压的方式开展煤体三轴循环变载气体渗流实验,分析在不同围压(2.0～12.0 MPa)下煤体渗透率和体应变的演化规律;为研究煤体孔隙结构变化对渗透率的影响,通过低温氮气吸附实验和荧光显微镜煤样观测统计,完成了循环载荷加卸载前后煤体孔隙结构变化对比。研究结果表明,煤体加载/卸载过程中渗透率变化趋势与围压变化负相关,总体可以分为线性段、指数段和稳定段等3个阶段;随循环加载次数的增加煤体应变逐步增大,而渗透率却随之降低;相同条件下,煤体渗透率随体应变增加而升高,增幅在16.79%以上,而渗透率恢复率逐步降低,且与围压变化负相关;3次循环加卸载实验导致煤体孔隙结构发生了显著变化,微孔体积提高71.79%,比表面积增加52.19%,而平均孔径降低32.06%,但循环载荷没有改变煤体的最可几孔径;孔隙结构变化的数据表明,微孔体积增加是煤体渗透率劣化的重要标志之一。对比循环载荷作用前后的孔隙结构实验数据发现,影响气体吸附-解吸的孔隙结构变化,决定了"迟滞环"面积,而决定"迟滞环"形状的关键因素是由煤体最可几孔径控制的突变压力。另外,煤体应变包括裂隙体积变化和孔隙体积变化两部分,其中裂隙影响重要度指标(χ)反映了裂隙体积变化在煤体应变中的权重关系,χ变化随围压升高而降低。     

考虑含水率影响的煤岩变形及渗透率模型

煤矿开采深度不断增加,煤层瓦斯含量升高导致动力灾害逐渐增多,给煤矿安全开采带来严峻考验。对于瓦斯在煤层中流动的研究一直以来都备受关注,其中渗透率正是影响煤层中瓦斯流动的关键参数之一。因此,为准确模拟开采环境变化导致的煤岩变形及渗透特性变化,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,开展不同含水条件下孔隙压力升高过程中煤岩渗透特性的试验研究,建立考虑含水率的吸附方程和吸附-渗透率模型,探讨含水率和孔隙压力共同作用对煤岩变形及渗透特性的影响。研究结果表明:①孔隙压力升高过程中,径向应变及轴向应变随孔隙压力的升高均呈降低趋势,瓦斯流量的变化呈上升趋势,煤基质由于吸附瓦斯产生膨胀变形,体积应变逐渐减小。②当含水率恒定时,随着孔隙压力的升高,瓦斯吸附量随孔隙压力增大先增大而后趋于平缓,产生的吸附变形的变化趋势与其相同;当孔隙压力恒定时,煤岩的吸附量和吸附变形均随着含水率的增大而减小。③在恒定含水率条件下,煤岩渗透率曲线随孔隙压力的升高先减小后趋于平缓;而在相同的孔隙压力条件下,随含水率的增加,煤岩渗透率整体逐渐减小,而且含水率越大孔隙压力对渗透率的影响越弱,水分子对渗透率的影响越强。④构建了考虑含水率的吸附量计算方程,并在此基础上进一步构建考虑含水率煤岩吸附-渗透率模型,其中所计算的渗透率值与试验所测结果基本一致,反映了煤岩渗透率变化规律。     

力热耦合作用下煤岩吸附及渗透特性的试验研究

利用等温吸附试验仪器与含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,为模拟深部煤层瓦斯开采过程,分别进行不同温度下等温吸附试验与孔隙压力升高的渗流试验,建立考虑过剩吸附量修正的吸附模型并修正吸附膨胀模型,探究力热耦合作用下煤岩吸附与渗流变化规律。结果表明:瓦斯吸附量在不同温度下随瓦斯压力升高均呈增大趋势,随温度升高吸附量逐渐降低。在高压下需考虑过剩吸附量造成的误差,修正的Langmuir模型比原模型计算结果精度更高;建立了考虑温度与过剩吸附量修正的吸附变形模型与吸附膨胀模型,煤岩吸附应变随孔隙压力升高而减小,且温度越高应变变化量越小。随孔隙压力升高,煤岩渗透率及吸附膨胀与滑脱效应导致的渗透率变化量均呈下降的趋势,且随温度升高3者逐渐增加;吸附膨胀是引起煤岩渗透率减小的主要因素,吸附膨胀与滑脱效应对渗透率的贡献率随孔隙压力升高逐渐下降,其贡献率均随温度升高逐渐增加。     

承压破碎煤体渗透特性参数演化实验研究

为研究承压破碎煤体渗透特性参数演化规律,利用自主设计的承压破碎遗煤渗透率演化实验装置,开展了不同粒径配比煤样在不同轴压下的渗透率演化实验。实验结果表明:(1)在相同应力作用下,随着煤样粒径的增大,其渗透率逐渐变小,且较大粒径范围煤样的渗透率较小;在应力增加量相同的条件下,随着煤样粒径的增大,其渗透率的变化率越大,且混合粒径范围较大煤样渗透率的变化率均高于单一粒径或粒径范围小的煤样的变化率。(2)在较低孔隙压力范围内,煤样的渗透率均随孔隙压力的增大呈现出降低趋势,且存在一个轴压的临界值(9 MPa左右)。当轴压小于该临界值时,随着孔隙压力的增加,煤样渗透率的变化趋势更明显;而当轴压大于该临界值时,煤样渗透率的变化趋势较为平缓。(3)加载初期,随着孔隙率的减小,渗透率近似线性下降;当轴压达到9~12 MPa时,渗透率随孔隙率的下降较为平缓;继续增加轴压,渗透率随孔隙率的减小而急剧降低。     

煤的分形孔隙结构特征的研究

通过用分形理论进一步研究了煤的孔隙结构,通过煤的孔隙结构分形特征把扎隙结构划分为3种孔隙系统,即大孔、中扎和微孔,探讨了分维D2的物理意义及同煤质的关系,初步提出分维D2可以用来作为煤与瓦斯突出的预测指标。     

含瓦斯煤渗透率演化模型和实验分析

与气体压力有关的煤层渗透率变化规律是煤矿开采和煤层气开发过程中的重要问题,不同应力条件下,不同类型煤样的渗透率演化特征不同。为了研究瓦斯压力变化过程中煤样渗透性的变化规律,以开滦赵各庄煤矿9号煤层的煤样为研究对象,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,在恒定温度、轴压和围压,降低瓦斯压力的实验条件下测定了煤样应变和瓦斯渗透率。实验结果表明:随着瓦斯压力的降低,煤样收缩应变加剧,渗透率表现为两种变化趋势:逐渐增大和先减小后增大(渗透率回升对应的瓦斯压力小于1. 0 MPa)。瓦斯压力降低至0. 3 MPa时,渗透率为初始条件下(瓦斯压力2. 0 MPa)渗透率的1. 9～2. 9倍。考虑到煤样在径向和轴向的收缩应变数值接近,针对三维变形煤样建立了渗透率模型,模型同时体现了气体压力和气体解吸对渗透率的影响。理论分析表明,降压过程中煤的渗透率将在某一气体压力(反弹气体压力pr)时由降低转为升高。推导的反弹气体压力pr计算公式显示pr的取值由煤样的体积模量K、与吸附效应有关的Langmuir系数εp和pL共同决定;体积模量K与吸附变形系数εp越大,pr越大。值得注意的是,pr的取值与煤样的外部应力以及内部的气体压力无关。结合本文和前人的实验数据,由本文的渗透率模型计算得到了不同应力和瓦斯压力条件下的煤样渗透率变化曲线以及相应的反弹气体压力pr。模型计算结果与实验数据接近,最大相对误差低于8. 9%。研究表明,实验测得煤样的渗透率表现为何种变化趋势,取决于反弹气体压力pr和实验气体压力的关系。当pr≥pmax(实验测点中最大的气体压力值)时,渗透率随着气体压力增大而降低;当pr≤pmin(实验测点中最小的气体压力值)时,渗透率随着气体压力增大而增大;当pminprpmax时,随瓦斯压力的增大,煤样渗透率呈"V"形变化,即先减小后增大。     

含瓦斯煤多级式卸围压变形破坏及渗透率演化规律实验

以重庆松藻煤电有限责任公司的典型煤与瓦斯突出矿井--打通一矿7号煤层为研究对象,利用自行研制的“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置”,进行了不同初始围压和不同瓦斯压力组合条件下,含瓦斯煤多级式卸围压变形破坏及渗透率演化规律实验研究。研究结果表明：开始卸围压后,煤岩并不是立即被破坏失稳,而是维持在σu1一段时间,经历n级卸围压作用后才会失稳;在煤样失稳前,每一级卸围压过程中煤样的变形和渗透率变化速度都是不一样的,均呈加速增大的趋势;在每一级围压恒定阶段,随着围压的降低,煤岩的蠕变速度和渗透率也均是加速增大的;卸围压阶段比围压恒定阶段变形和渗透率增大速度快得多;无论是卸围压过程还是恒定围压阶段,围压降低引起的横向变形的变化速度均大于轴向变形的变化速度。     

煤岩固液耦合应变－渗透率试验

采用MTS815岩石伺服试验系统进行了煤样全应力应变过程中的渗透性试验.试验结果表明,煤岩的应变－渗透率变化曲线与其全应力－应变曲线变化趋势基本一致,但表现出相对“滞后”的特点,表明渗透率的变化与其损伤演化过程密切相关,同时煤体通过其内部裂隙的渗透需要一定的时间过程,煤岩体达到峰值强度及之后的软化阶段,即损伤变量达一定值时,渗透率出现峰值.根据试验结果,拟合得出了煤岩应变－渗透率分段曲线方程.由于煤岩微孔隙裂隙相对较发育,其渗透率受有效围压的影响较明显,随有效围压增大,煤岩渗透率总体上呈下降趋势,这主要与煤岩中发育的原生裂隙受围压压密闭合以及限制了新生裂隙的扩展和张开度有关.