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。     

煤岩渗流特征及应力敏感性实验研究北大核心

以山西潞安矿区大平煤矿3号煤层为研究对象,利用HB-2型煤岩样孔渗吸附测量装置,系统探讨了煤渗透率对孔隙压力以及围压的响应规律,定量分析了受载煤样渗透率与孔隙压力及围压之间的关系。结果表明:在低气压条件下煤样渗透率随孔隙压力的增加符合幂函数降低趋势,孔隙压力在临界值1.5 MPa以下时,煤样渗透率更敏感;孔隙压力恒定条件下,煤样渗透率随围压的升高呈幂函数降低趋势,渗透率降幅明显,多高于85%;煤储层应力的变化会对煤渗透率产生50%以上的不可逆损伤,煤体加卸载过程中的渗透率衰减率随着围压升高整体趋势是向下的衰减规律,其局部变化为不仅1个极值的波动特征。     

常规三轴压缩条件下茅口灰岩流固耦合破坏行为研究

采用瞬态法在MTS815岩石力学试验机上进行常规三轴压缩条件下岩石渗透性试验,得到不同围压,不同孔隙水压下茅口灰岩的全应力-应变曲线与渗透压差ΔP的变化曲线,根据试验曲线,分析全应力-应变下茅口灰岩的渗流、强度以及破坏特征。研究表明,岩石在全应力-应变过程中渗透压差ΔP表现为初始下降阶段I,缓慢变化阶段II,非稳定下降阶段III和急剧下降阶段IV共4个阶段,这4个阶段可预测出岩石在全应力-应变过程中渗透率先降低后增加,并在峰值时急剧上升的规律;分别研究了孔隙水压和围压对岩石的峰值强度与变形特性的影响,得到随围压或有效围压的增加,岩石的峰值强度、弹性模量均会增大,但岩石泊松比呈下降趋势的规律,而孔隙水压对岩石峰值强度、弹性模量和泊松比的作用与围压的作用相反。     

体积应力及孔隙压力对型煤渗透率影响的实验研究

为了研究体积应力和孔隙压力对型煤渗透率的影响,以六盘水矿区的型煤试件为研究对象,利用研制的三轴渗透仪,进行恒定温度和平均有效应力,变体积应力及孔隙压力的三轴渗流实验。实验结果表明:煤的渗透率随试件所受的体积应力的增加呈非线性递减关系,符合指数分布规律;渗透率随孔隙压力增加而呈指数规律变小的规律,最终趋近于一个恒定值附近。     

受载含瓦斯煤渗透性影响因素分析

为了探讨受载含瓦斯煤体渗透性的影响因素,利用自主研制的含瓦斯煤热-流-固-力耦合实验装置,研究了不同有效应力、不同孔隙压力和不同温度条件下煤样瓦斯渗透特性,在考虑吸附变形量、孔隙气体压缩量和温度膨胀变化量的基础上,分别建立了受载煤体渗透性与有效应力、孔隙压力和温度之间的定性定量关系。研究结果表明:1)在温度一定情况下,煤样渗透率随有效应力的增大而呈现负指数变化关系;2)将围压轴压固定,在考虑Klinkenberg效应情况下,煤样渗透率与孔隙压力呈现"V"字型变化关系,并根据实验结果,得到了围压为2.0,3.0 MPa条件下Klinkenberg效应发生的孔隙压力临界值;3)不同温度条件下,有效应力与渗透率并非单调函数,而存在一个转折点,在低应力区,渗透率随温度升高而增大,表现为以向外膨胀为主导;在高应力区,透率随温度升高而降低,表现为以内膨胀为主导;根据实验结果,提出了应力与温度共同影响下的渗透率计算式。     

沁水盆地南部煤层气井排采储层应力敏感研究

为分析煤层气排采不同阶段煤储层应力敏感性及渗透率变化的影响因素,采集沁水盆地南部煤样,开展了不同实验条件的应力敏感实验。结果表明:有效应力从0增加到10 MPa时,煤样渗透率减少了50%~70%;有效应力从10 MPa增加到20 MPa时,损失量仅约占初始渗透率的10%;有效应力低于2.5 MPa时,应力敏感性较强;有效应力增加到3.5 MPa的过程中,渗透率损害系数急剧上升,渗透率损耗为20%~30%;有效应力从2.5 MPa增加到9 MPa时,应力敏感性最强,有效应力从3.5 MPa上升至9 MPa时,渗透率损害系数快速下降,渗透率损耗约60%;有效应力自9MPa之后,渗透率损害系数缓慢下降,渗透率损耗约10%;渗透率损害率介于30%~65%,临界应力为7~11 MPa。有效应力较低且不变时,煤样渗透率随孔隙压力增加而增加。围压不变时,随有效应力下降和孔隙压力增加,煤样渗透率下降,这与有效应力和孔隙压力变化引起的煤储层渗透率变化量有关。     

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     

浸水作用对煤岩抗拉强度及其破坏特征影响研究

煤体开采前后可能会受到不同程度水作用的影响,其力学性质将产生变化,进而影响煤体承载能力,关系到采矿安全。通过不同浸水时长煤样的巴西劈裂实验,研究了水对煤岩抗拉强度及其破坏特征的影响。试验结果表明:煤样含水率随浸水时长增加而不断增大,20d后含水率稳定在0.77%左右;浸水时长为5d的煤样抗拉强度较未浸水煤样增大了0.57MPa,浸水时长大于5d的煤样抗拉强度逐渐降低,最终趋于平稳;煤岩类孔隙比与抗拉强度呈负相关关系,相同类孔隙比的煤样抗拉强度随浸水时长增加而减小;煤样破坏后破裂线宽度及面积随浸水时长增加而减小。     

孔隙水压作用下主井砂岩变形强度特性研究

以湖北祥云磷矿矿区含水层的砂岩为研究对象，开展了水-力耦合试验，探讨围压和孔隙水压对岩石变形特性和强度特性的影响。研究结果表明：水-力耦合作用下砂岩试件的应力-应变曲线的发展趋势基本一致，其轴向应变-应力曲线均经历了原生裂隙压缩闭合阶段、线弹性阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹不稳定发展阶段和峰后残余阶段等5个阶段；试件的峰值轴向应变与孔隙水压呈负相关，与围压呈正相关，而峰值环向应变和体积应变随着孔隙水压的增大而上下波动；砂岩的峰值偏应力、残余偏应力、起始扩容偏应力与孔隙水压呈线性正相关关系，而与围压呈现负相关。研究成果展现了地下水对祥云磷矿砂岩力学性能的影响规律和影响程度，可为该矿区砂岩的稳定性分析提供参考。     

热-力耦合作用下煤岩体渗流特性研究北大核心

煤层开采深度增加导致地温和应力增大,影响了煤样裂隙发育和渗流特性。为了研究热-力耦合作用下煤岩渗透过程中形变及渗透性变化特征,采用MTS815测试系统测试了50、100℃下6组煤样的全应力-应变过程中的渗透性。结果表明:温度为50℃时煤样抗压强度随围压增加而增加,4 MPa围压作用下煤样峰值偏应力达3.6 MPa,煤样轴向、环向应变均达到2%以上,表现出较高的延展性;温度为100℃时煤样抵抗变形能力下降,随围压增加,其峰值偏应力增加至4.9 MPa,煤样应变增长的速率加快;围压4 MPa、温度100℃时,煤样峰值渗透率达到3.5×10-11 m2;煤样加载过程中原始和新生裂隙扩展,孔隙连通性增强形成复杂的裂隙网络,热力效应使煤样渗流裂隙体积增加,渗透率增加。     

吹填土区域软土地基固结特性

该文结合宝钢吹填土区域道路工程地基的应力历史和堆载预压施工监测结果,对浅层松散吹填土层和下部淤泥质软土层的固结变形规律进行分析.研究结果表明:该区域浅部吹填土层处于欠压密状态,在填土荷载作用下压缩变形发展很快,下部软土层吹填土和表层杂填土荷载引起的超孔压尚未完全消散,在地基加固施工时监测的初始孔压并非静止孔压;填土加载后,软土层的固结变形经历一个从快到慢,逐步收敛的过程.     

采动引起的岩体变形及地下水流动的数值分析——非稳定流研究

根据Ｂｉｏｔ固结原理，提出非稳定流孔隙弹性有限元模型，用以研究长壁开采对岩层变形及岩层水地质环境的影响。研究表明，孔隙压力系数及相对压缩率为两个重要影响参数，特别是后对流体压力场变化起较大影响，且流体压力分布受固体应力分布控制。由采动引起的岩体变形因而对采场的水地质环境的变化起到决定性的影响。     

逐级堆排尾矿泥浆排水固结规律试验

设置竖向排水体可有效加快湿堆尾矿泥浆排水固结,提高土体稳定性。为研究排水体作用下逐级堆排尾矿泥浆排水固结规律,通过模型试验对其排水固结过程进行了模拟。试验结果表明:各层孔隙水压力与沉降在土体排水固结过程中变化并不完全同步,应力变化滞后于应变变化;停排期第35 d后孔隙水压力值降幅明显减小,由外加水头下自由水渗流转变为孔隙水渗流;进一步将逐级堆排尾矿排水过程分为沉降絮凝、絮凝压缩、絮体压缩固结、覆水自重固结阶段及自重压缩固结5个阶段;建立了排水体作用下尾矿孔隙渗流模型,并根据该模型计算排水体不同堆积高度最大影响半径,最大影响半径随尾矿的固结程度的提高而逐渐变小,第35 d后0.5 m及1.0 m堆积高度影响半径分别降低至约1.7 m及2.2 m。     

孔隙水压力对高应力软岩巷道稳定性影响的数值仿真

为了研究孔隙水压力对深部高应力软岩巷道围岩稳定性的影响规律,利用有限差分程序对不同孔隙水压力工况下深部软岩巷道围岩稳定性及孔隙水压力分布规律进行了数值仿真,结果表明:随着孔隙水压力的增加,围岩应力集中程度及其影响范围呈增加趋势,顶底板集中区到巷道中心点的距离逐渐趋于定值;随着孔隙水压力的增加,围岩位移量增加,其趋势为:两帮明显大于顶板,顶板大于底板,围岩治理的重点在于两帮收敛变形控制。     

负压下软土大变形数值分析

软土在负压下进行排水固结产生的变形很大，属于大变形问题。分别利用大变形和小变形数值方法对负压下软土固结性状做了数值模拟，主要包括固结沉降和固结过程中的孔压变化，并与现场的实测数据进行对比，发现利用大变形方．法得到的计算结果更加符合实际。     

强夯法加固不同饱和土地基的比较试验研究

通过室内试验就中海石油炼化山东公司东营港(堆场区)场地的土性条件和加固前、加固后的变形和强度特征的变化进行了比较。此外,根据3个场地的现场实测资料的比较,分析了不同地层条件下强夯荷载作用引起的孔隙水压力的分布特征,最后研究强夯法加固饱和土地基的土性适用条件。     

三类铜尾矿压缩固结系数试验研究

尾矿库的沉降变形对其安危影响极大,而固结系数是饱和土孔压消散速率和土的沉降与时间关系的关键性参数。本文选取四川凉山矿业拉拉铜矿排放到小打鹅尾矿库的铜尾矿为试样,利用固结仪和改造的三轴仪,针对三种铜尾矿的固结系数及其变化规律进行了试验研究与理论分析。结果显示,三种铜尾矿的固结系数受固结压力影响的变化规律基本一致,随着固结压力的增大,固结系数先增加,且增速较快,达到峰值后再下降,下降速率越来越小,最后都趋于一个稳定值。随着尾矿颗粒粒径的变小,固结系数峰值也会变小,达到峰值时所对应的固结压力则呈增大趋势。铜尾矿的渗透系数与孔隙比之间呈指数函数关系。其固结系数随固结应力变化的关系式为 。     

采场非胶尾砂充填料浆自重固结过程数值模拟

非胶充填可减少水泥用量以降低充填成本,但细尾砂非胶料浆在采场中难脱水固结、长期处于流态的问题影响充填安全。本研究提出一种基于FLAC3D软件的非胶料浆固结过程模拟方法,利用Gibson固结理论解析的孔隙水压力,对比验证了该数值方法模拟非胶料浆固结过程的可靠性,得出模型网格尺寸对料浆孔隙水压力模拟结果影响显著,应将自重固结方向网格尺寸设定为充填料浆高度1/100以内的结论。应用该方法示例模拟了某金矿采场充填料浆固结过程,与现场监测的孔隙水压力和竖向总应力对比,校验了该法模拟实际采场充填料浆固结过程的有效性,可为采场非胶尾砂充填料浆自重固结研究提供参考。     

软土地基筑坝固结变形分析

为研究利用塑料排水板处理的深厚淤泥质软土地基在筑坝过程中的固结变形行为,利用修正剑桥模型结合Biot固结理论,建立软土地基上分层填筑过程中的有限元分析模型,计算出坝体和地基的沉降、水平位移以及孔隙水压力分布情况。将计算结果与现场实测数据进行对比,得出：坝体上游最大水平位移接近0.28 m,实测该断面上游最大水平位移为0.25 m;监测管位置计算出的竖向沉降最大值在1.8 m左右,实际沉降管测得的沉降值为1.76 m。计算结果与实际数据较为吻合,计算误差在合理范围内。并在此基础上分析了坝基和坝体固结变形分布特征和超孔隙水压力消散的情况,为本工程和其他类似工程的安全建设和稳定运行提供了理论依据和切实可行的分析方法。     

饱和尾粉砂动孔隙水压力发展特性试验研究

采用动三轴仪对内蒙古某尾矿库尾粉砂进行了动强度试验,研究了围压、相对密实度及固结比对动荷载作用下尾粉砂中孔隙水压力发展特性的影响。研究结果表明,随着固结比、相对密实度、围压的增大,动荷载作用下饱和尾粉砂孔压增长曲线形状由陡峭转变为平缓。随着围压及固结比增大,试样动力破坏形式从以孔压值为主要表征指标的液化破坏,转化为以动剪应变为主要破坏形式的软化破坏。动荷载作用下发生液化破坏的饱和尾粉砂孔压增长过程分可为初始增长阶段、稳定增长阶段和快速增长至破坏阶段,孔压增长曲线表现为明显的反S型,本文采用双对数函数对该试验孔压增长曲线进行拟合,结果表明该模型可以较好地模拟尾粉砂在动荷载作用下的孔压发展规律。