含瓦斯水合物煤体不同孔隙饱和度试验研究

煤层瓦斯固化防突技术利用含瓦斯水合物煤体储气量大且能改变煤体力学性质的特点,达到预防煤与瓦斯突出的目的。利用SHW-III型试验设备进行不同孔隙饱和度下含瓦斯水合物煤体的合成试验。结果表明:瓦斯水合物的声波波速可以表示合成情况,随着孔隙饱和度的增加而增大;预测的饱和度与试验方案最大相差4.18%,预测孔隙饱和度与计算孔隙饱和度最大相差4.92%;煤体胶结性随瓦斯水合物煤体孔隙饱和度增加而变强。     

饱和度对含瓦斯水合物煤体渗透率影响试验研究

瓦斯水合固化防突方法能高倍固化瓦斯,降低瓦斯压力,并且前期研究表明,水合物的生成填充煤体孔隙,能够提高煤体强度,改善煤体力学性质,有望减弱煤与瓦斯突出危险性。渗透率是检验瓦斯水合物-煤体体系水合固化效果的关键参数,因此利用应力-渗流-固化一体化三轴试验机,开展了3种目数和3种饱和度条件下含瓦斯煤、含瓦斯水合物煤体渗透实验,测定了瓦斯水合物生成前后煤体渗透率;基于含水合物多孔介质渗透率模型,探讨了煤体中瓦斯水合物的分布模式。结果表明：水合物生成后煤体的渗透率降幅为19.9%～93.0%,其中40～60目(0.250～0.425 mm)60%饱和度煤样渗透率降低幅度最大;随着饱和度增加,20～40目(0.425～0.850 mm)及40～60目(0.250～0.425 mm)含瓦斯水合物煤体渗透率均先减小后增大,60～80目(0.18～0.25 mm)煤样始终呈增大趋势;将试验结果与渗透率理论模型对比发现,本试验煤体中瓦斯水合物分布模式以表面胶结型为主,水合物生成对煤体内瓦斯渗流通道的阻塞效果显著。     

含瓦斯水合物煤体强度特性三轴试验研究

含瓦斯水合物煤体力学性质准确测定是利用水合物技术预防煤与瓦斯突出的重要基础。利用水合固化反应与三轴压缩一体化原位试验装置开展了饱和度变化对含水合物煤体强度特性影响试验。结果表明：随着围压增加(1,2,3 MPa),含瓦斯水合物煤体应力-应变曲线从软化型向硬化型转化,破坏强度显著增加;随着饱和度增加,煤样破坏强度线性增加,饱和度对黏聚力和内摩擦角无明显影响;与含瓦斯煤体的强度特性比较发现,水合物生成提高了煤体破坏强度、变形模量和内摩擦角,而黏聚力没有明显变化。     

高围压条件下含瓦斯水合物煤体强度准则研究

为了探讨Mohr-Coulomb(M-C)准则、Hoek-Brown(H-B)准则以及广义Hoek-Brown(GH-B)准则3种强度准则对高围压条件下含瓦斯水合物煤体的适用性;基于不同饱和度（50%、80%）和不同围压（12、16、20 MPa）条件下,进行常规三轴加载试验,对试验获得的应力-应变曲线进行分析,并利用3种强度准则对最大主应力和围压进行拟合;同时引用均方根偏差RMSE、相关系数等评价指标,探讨不同的强度准则对于含瓦斯水合物煤体的适用性。研究表明：在高围压条件下,应力-应变曲线呈应变硬化型,围压和饱和度越高,峰值强度越高,围压对峰值强度的影响较为显著;M-C准则和GH-B准则对于试验数据拟合的相关系数较高,拟合效果较好,RMSE值较低,预测值与试验值的线性拟合直线与1∶1梯度线非常接近,说明2种准则对含瓦斯水合物煤体的适用性较好;H-B准则的相关系数低于M-C准则和GH-B准则,RMSE值较大,对含瓦斯水合物煤体的适用性略低于M-C准则和GH-B准则。     

应力约束下煤体吸附解吸瓦斯变形特性的试验研究

利用YKDPump70精密驱替泵,对原煤尺寸(ф50 mm×100 mm)试件,进行了恒温恒压(20℃,18 MPa)条件下,CH_4在无烟煤中的吸附解吸试验,对CH_4在吸附解吸过程中煤体的变形特征进行了测量分析。主要结果为:在整个吸附解吸过程中,煤体的径向变形与轴向变形随时间的变化规律是相似的,并在同一吸附压力下,煤体的吸附膨胀变形量大于解吸收缩变形量,煤体存在一定的残余变形。在不同的吸附压力下,解吸量与煤体轴向应变、径向应变随时间的增大而增大,最终趋于稳定状态,并且二者的变化规律基本一致,呈对数形式增长。在18 MPa体积应力约束条件下,持续12 h的CH_4解吸过程中,煤体轴向应变、径向应变ε与CH_4解吸量q成线性关系,即ε=aq+b,式中:a、b为拟合常数。     

低温液氮作用下煤体瓦斯吸附特性试验研究

液氮致裂煤层增透技术具有良好的发展前景,而针对低温液氮作用下煤体瓦斯吸附特性研究目前尚不完善,大部分研究处于初步研究阶段;为了对液氮冻融作用及试验初始温度作用下的煤体瓦斯吸附特性变化规律及变化趋势进行研究,选取新疆硫磺沟煤矿煤样作为研究对象,利用PCTPro高压气体吸附仪对试验煤样在不同液氮冻融时间(0、30、60、90、120 min)及不同试验初始温度(30、40、50、60、70℃)条件下的吸附特性进行了研究,得出了不同液氮冻融时间及不同试验初始温度条件下煤体瓦斯吸附量、吸附增量及煤体瓦斯饱和吸附量的变化,并根据试验结果选取了3种吸附理论模型对试验结果进行拟合,分析拟合效果对吸附理论进行优选。归纳煤体在2个变量影响下吸附特性的变化。研究结果表明:煤体瓦斯吸附量随液氮冻融时间增加而逐渐增大、随试验初始温度增大而逐渐减小;煤体瓦斯饱和吸附量随液氮冻融时间增加呈上升趋势、随试验初始温度增加呈下降趋势。在2个变量条件下进行不同理论模型拟合,结果表明Langmuir理论模型拟合效果最好,其拟合度最高,误差范围小; 2个变量影响条件下,Langmuir理论模型中吸附常数b无明显规律,其影响因...     

含瓦斯煤体加载破坏声-电前兆信息试验研究

针对含瓦斯煤体加载破坏前兆信息难以识别、提取的研究现状,自行研制了含瓦斯煤体加载声-电监测装置,对含瓦斯煤体加载全过程进行实时监测以获取声-电前兆信息。试验结果表明：声-电监测系统能够捕捉到含瓦斯煤体产生的电荷与声发射信号,加载过程中部分电荷信号先于声发射信号变化,声-电信号的产生与煤体内部裂纹扩展相关;煤体内部自由电荷与声发射信号的产生具有本质上的区别,前者是在压电效应、摩擦作用、微破裂新生表面电荷分离以及瓦斯运移携带电荷等综合叠加作用下产生,而后者是煤体内部裂纹扩展以脉冲波形式释放应变能的过程;通过划分含瓦斯煤体加载破坏声-电前兆信息异常区域,确定了声-电监测技术应用于矿山动力灾害预警的可行性。     

含瓦斯煤体爆破裂纹扩展规律试验研究

为进一步研究含瓦斯煤体爆破作用机理,从理论上分析了含瓦斯煤体爆破裂纹的形成与扩展机理,并设计了含瓦斯煤体爆破裂纹扩展规律测试试验,利用探针法对含瓦斯煤体中的爆破裂纹扩展速度进行了测试,并对其中的爆炸应变波进行了测试.理论分析与试验结果表明:含瓦斯煤体爆破裂纹扩展经历了爆炸应力波作用下的快速衰减阶段、爆生气体与瓦斯气体共同作用下的缓慢衰减和近似匀速扩展3个阶段,瓦斯气体的存在有利于爆破裂纹的扩展,可以在裂纹扩展的后期阶段小幅度的增大裂纹的扩展速度.     

不同受载状态下含瓦斯煤体解吸规律试验研究

为了研究回采煤层瓦斯解吸规律,准确预测回采煤层瓦斯涌出量,以赵固二矿煤样为研究对象,进行不同孔隙压力条件下从解吸开始前60 min颗粒煤、非受载原煤和受载原煤瓦斯解吸试验,系统分析煤样瓦斯解吸速率和解吸量。试验结果表明:随着回采工作面向前推进,前方煤体一定范围内煤体原生孔隙裂隙遭受破坏,增大了瓦斯放散速率。在前3 min快速解吸阶段,颗粒煤瓦斯解吸量为相同试验条件下非受载原煤的6.02~7.23倍,是受载原煤的8.69~20.86倍,即散落煤瓦斯解吸量是工作面推进过程中瓦斯涌出量的主要组成部分。随着煤层瓦斯压力的增大,对煤层瓦斯解吸规律影响在增大,3种煤体瓦斯解吸速率及解吸量差别在减小。研究结果在准确预测回采煤层瓦斯涌出量方面可提供借鉴。     

含瓦斯煤体声发射应力波传播规律理论研究

基于含瓦斯煤岩体属于固-气两相孔隙介质,运用经典的弹性动力学理论进行AE信号的传播分析不能准确反映含瓦斯煤层中的传播情况.提出了固-气耦合两相孔隙介质模型,进行了两相介质AE传播理论的初步研究,推导了固-气两相孔隙介质的本构关系和波动方程,对含瓦斯煤层中的AE应力波进行了理论分析.结果表明：含瓦斯煤体双相介质中的横波方程仍然保持单相介质中的传播形式;纵波方程发生明显改变.     

煤体钻孔周围应力应变分布规律的试验研究

本文以岩石力学为依据，研究了煤体钻孔周围弹、塑性区域内所发生的次生应力及其应变的分布规律。     

煤体钻孔周围应力应变分布规律的试验研究

本文以岩石力学为依据，研究了煤体钻孔周围弹、塑性区域内所发生的次生应力及其应变的分布规律。     

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。     

基于Drucker-Prager准则的含瓦斯水合物煤体强度准则研究北大核心

为获得含瓦斯水合物煤体在高饱和度下强度准则的适用性,基于Drucker-Prager准则,结合高饱和度含瓦斯水合物煤体常规三轴压缩下的应力-应变曲线,探讨Drucker-Prager准则下其理论值与试验值的误差,分析Drucker-Prager准则的适用性,同时与Mohr-Coulomb准则进行对比。结果表明:含瓦斯水合物煤体的峰值强度在高饱和度和围压耦合作用下,其值随着围压和饱和度的增加而增加;Mohr-Coulomb准则与Drucker-Prager准则的强度预测绝对误差最大值分别为6.77%和3.66%,说明试验结果与预测模型的吻合度较高;然而Drucker-Prager准则强度预测绝对误差均在0.92%~3.66%,其误差波动范围较小,说明Drucker-Prager准则在高饱和度下更为适用。     

温度对含瓦斯煤体吸附性能影响试验研究

为了深入分析温度对煤体瓦斯吸附特性的影响,利用自行研制的煤层气高压吸附装置,开展不同温度条件下的含瓦斯煤体吸附试验。试验结果显示:吸附压力对煤体吸附性能的影响具有明显的阶段性;吸附常数a随着温度的增加呈现出先增大后减小的变化特征,具有明显的阶段性;吸附常数b值随温度的增加逐渐降低,但降低幅度逐渐变缓,并最终趋于恒定。     

含瓦斯煤体爆破探析

针对煤体内大量裂隙并含有瓦斯特点、运用断裂力学、损伤力学理论对含瓦斯煤体爆破机理进行探讨，并提出用渗透率的变化来考虑瓦斯压力变化。     

承压煤体瓦斯解吸-扩散特性实验研究

为了研究承压条件下含瓦斯煤的解吸-扩散特性,建立了受载煤体瓦斯扩散系数的动态演化模型,并采用单孔模型和双孔模型计算了粒度0.25~0.5,0.5~1和1~2 mm煤样在0~12 MPa轴向压力条件下的瓦斯扩散系数。实验结果表明:双孔模型计算结果与实验数据相关性系数均稳定在99.5%以上,拟合效果优于单孔模型,其中,宏观有效扩散系数在10~(-4)s~(-1)数量级上,高出微观有效扩散系数1~2个数量级;瓦斯解吸量、宏观/微观有效扩散系数随轴压升高呈先下降后波动上升的趋势,与受载煤体扩散动态理论模型相符;煤样粒度越大,宏观/微观有效扩散系数对应力越敏感,并且宏观有效扩散系数对应力的敏感性高于微观有效扩散系数;瓦斯解吸量、宏观/微观有效扩散系数随煤样粒度减小而增大。研究结果能为井下构造煤瓦斯扩散规律提供借鉴。     

三维应力作用下煤体瓦斯渗透规律实验研究

论述三维应力作用下煤体瓦渗透规律的实验设备与方法，介绍了阳泉３＾＃煤层，永红煤矿３＾＃煤层的试验结论，得出了煤体瓦斯渗透系数随体积应力增加而衰减，随孔隙压呈抛物线型变化，定义抛物线的极值点的临界压力，结论对研究煤矿瓦斯抽效与瓦斯突出有着十分重要的意义。     

含瓦斯煤体爆破损伤模型研究

含瓦斯煤体是一种复杂的力学介质,瓦斯气体的存在使煤体的物理力学性质发生改变,对煤体的爆破作用具有积极作用。爆破作用下煤体将发生变形并改变瓦斯气体的赋存状态,这都引起煤体的孔隙率发生相应的改变。在Taylor方法的基础上,利用孔隙率定义含瓦斯煤体爆破损伤变量并确定其损伤演化方程,利用有效应力原理建立了含瓦斯煤体动态本构方程和爆破损伤模型。     

高应变率下煤力学特性试验研究

利用Φ50 mm分离式霍普金森(Hopkinson)压杆(SHPB)试验系统,对煤进行单轴冲击压缩试验,明确煤的力学特性随应变率的变化规律。试验气压等级设计为0.30,0.35,0.40,0.45,0.50,0.55 MPa,为试样提供相应的6组不同应变率。试验结果表明:高应变率下煤应力-应变曲线大致分为压密阶段、弹性变形阶段、微裂纹演化阶段、裂纹非稳定扩展阶段以及卸载阶段;应变率升高缩短压密阶段,延长弹性变形阶段;随着应变率的升高,煤动态弹性模量与峰值应力近似呈对数形式增加,而峰值应变近似呈对数形式降低;煤试样的破坏程度随应变率的升高而增加,应变率由68.666 s-1增加到79.751 s-1,煤破坏程度对应变率的敏感性最为显著。研究结果可为采矿工程割煤参数的确定提供依据。