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。     

高饱和度下含瓦斯水合物煤体应力-应变特性试验研究

为了解含瓦斯水合物煤体的力学特性,利用自主研发的低温高压水合固化反应-三轴压缩一体化装置,开展了2种高饱和度条件下含瓦斯水合物煤体的三轴压缩试验。结果表明:1)含瓦斯水合物煤体的应力-应变曲线均呈软化型,分为峰前线弹性阶段和强化段、峰后应力软化段和残余变形段四个阶段;2)含瓦斯水合物煤体的初始屈服强度、峰值强度、残余强度随饱和度增加而增大,且随围压增加而线性增加;3)饱和度相同时,含瓦斯水合物煤体在初始屈服点、峰值强度点和残余强度的内摩擦角变化不大,而黏聚力则出现先增大后减小的趋势;4)含瓦斯水合物煤体呈现拉剪破坏以及单面剪切破坏2种破坏模式。     

煤体中瓦斯水合固化的力学作用研究进展

为更好地完善我国煤与瓦斯突出预测与防治方法,基于煤与瓦斯突出综合作用假说,提出了瓦斯水合固化防治煤与瓦斯突出的方法。该方法核心是将煤层中瓦斯固化生成瓦斯水合物,不仅能降低瓦斯压力,而且能够提高煤体强度,以达到减弱或消除煤与瓦斯突出危险性的目的。实现了煤体中瓦斯水合物的生成以及含瓦斯水合物煤体力学性质-渗透率原位测试,提出了煤体中瓦斯水合物生成及力学性质-渗透率测试技术及含瓦斯水合物煤体三轴压缩数值建模技术。瓦斯水合固化热力学和动力学条件是防突的理论基础,煤层瓦斯水合物稳定储存是技术前提,瓦斯压力降低及煤体力学性质改善是防突关键,重点围绕水合固化煤体交叉力学问题进行总结。分析认为：(1)瓦斯水合固化防突技术理论框架已经初步形成,并利用数值模拟手段初步探究了瓦斯水合固化对煤体力学特征改善的细观机理;(2)现阶段已证实煤体中水合物生成不仅能降低瓦斯压力,而且能改善其力学性质,高饱和度对提高煤体峰值强度明显;(3)瓦斯水合物生成经历快速、缓慢和稳定3个阶段,且水合物的生成会造成煤体中瓦斯渗流通道阻塞,导致其渗透率降低;(4)高瓦斯压力、高CH4体积分数不仅有助于提高水合物饱和度而且会延缓水合物...     

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。     

煤岩破断与瓦斯运移耦合作用机理的试验研究

利用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置及煤与瓦斯突出模拟试验台,对煤岩破断与瓦斯运移耦合作用机理进行了试验分析。研究结果表明：瓦斯运移改变了煤体的力学性质,即降低了含瓦斯煤的强度,加速了其破断进程;在相同围压条件下,瓦斯压力越大,则含瓦斯煤三轴压缩破断程度越高,瓦斯运移通道越多,瓦斯渗流流量则越大;垂直地应力越大,即瓦斯运移越困难的条件下,煤与瓦斯突出强度越大,突出过程中温度下降幅度越大,表明垂直应力越大,煤体破断程度越高,其内部瓦斯解吸量越大,释放出来的能量越多。     

基于阻抗法煤体中瓦斯水合动力学研究

为探寻水合物技术在瓦斯突出防治方向上的应用工艺,利用瓦斯水合固化过程阻抗特性监测实验装置,研究4组不同煤体孔隙裂隙分布对瓦斯水合过程的影响,获取了煤体中瓦斯水合过程阻抗曲线,计算了瓦斯水合物生长速率与含气量。结果表明:实验釜上层位阻值增大,中层位与下层位阻值减小,瓦斯水合物集中在实验釜上层位与中层位形成;相同热力学条件下4组体系中瓦斯水合物生长速率分别为0.180,0.083,1.747,0.448 cm~3/min,水合物含气率分别为1.9×10~(-3),6.3×10~(-3),2.1×10~(-3),1.6×10~(-3)mol/cm~3,说明孔隙裂隙较发育煤体中瓦斯水合速率较快,所形成水合物具有较高的含气量。不同孔隙裂隙煤体中单位体积瓦斯水合物含气量不同,孔隙裂隙较发育煤体中瓦斯水合物形成量较大,基于准均匀占据理论,孔隙裂隙较发育煤体中瓦斯水合物所含空晶笼较多。     

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。     

含瓦斯煤体破裂过程围压效应研究

为了研究围压对淮北矿区含瓦斯煤体力学性质的影响,对含瓦斯煤体进行了三轴试验分析,并利用岩石破裂过程分析(RFPA2D-Flow)系统,模拟3种不同围压下含瓦斯煤体强度、变形和破坏的情况。研究表明:煤体极限抗压强度、残余强度和弹性模量随围压的增大而增大;煤体的残余变形和试验的围压及自身的强度有关,围压越大,残余变形就越小;加载过程中,含瓦斯煤体从弹性变形阶段逐渐软化,而后软化减弱表现出一定塑性特征;随着围压的不断变化,含瓦斯煤体的破裂形式也随之变化,含瓦斯煤体的宏观破裂面与最大主应力方向的夹角随围压增加而逐渐增大。     

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。     

围压对煤体力学性质影响的实验研究

利用含瓦斯煤三轴伺服渗流系统,对突出型煤试件进行不同围压的三轴压缩试验。试验结果表明:围压对煤样的弹性模量、峰值强度和变形特性都有一定程度的影响;煤样的弹性模量、峰值强度和变形都随围压的增大而增加。根据以上的研究,围压对煤岩体强度的影响规律和煤岩体的变形特性,对进一步认识含瓦斯煤岩的力学性质具有重要的意义。     

三轴压缩煤岩强度及变形特征的试验研究

在MTS815岩石伺服试验机上对鲍店煤矿3煤进行了常规三轴压缩试验，并对试验结果进行了分析.结果表明：煤岩由于含有大量的微孔隙裂隙，在围压作用下，孔隙裂隙被压密闭合，弹性模量随之增大，但并非呈线性关系.在常规三轴压缩条件下，煤样三轴压缩强度与围压之间呈线性关系（不包括单轴压缩情况），在实验的围压范围内，煤岩破坏符合Coulomb强度准则，但由于煤样具有明显的非均质特性，其内部含有大量的随机裂隙等缺陷，且煤样黏聚力较低，煤样沿随机裂隙破裂偏离θ=45°+Φ/2的可能性很大.     

化学腐蚀作用下煤矸石混凝土力学特性试验

探究煤矸石混凝土在化学腐蚀条件下的力学特性,以不同pH值化学溶液浸泡过的试样为研究对象进行三轴压缩试验,通过浸泡过程中试样质量变化、溶液pH值变化及三轴压缩试验结果,分析不同pH值化学溶液对煤矸石混凝土力学特性的影响。结果表明：随着浸泡时间的增长,每种试样都有质量损失,而且溶液的pH值都稳定趋于碱性;围压大小与溶液pH值都是影响煤矸石混凝土力学特性的重要因素,在围压相同的情况下,随着溶液pH值的增大,试样三轴压缩试验的强度随之增加;在溶液pH值相同的情况下,随着围压的增大,试样三轴压缩试验的强度随之增加;并进一步分析了化学溶液对试样的腐蚀机理。     

卸轴压起始载荷水平对含瓦斯煤样力学特性的影响

以肥煤制作的型煤试件为研究对象,对其在一定围压和瓦斯压力下的三轴压缩力学特性、不同起始应力点卸轴压时的力学特性进行了试验研究。结果表明：三轴压缩试验型煤试件的变形特点、变形阶段分布与原煤非常相似,而尤以压密阶段和线弹性阶段为最;卸轴压过程中,煤样的变形特性呈非线性特点;随着起始应力点的升高,煤样变形的非线性呈增加趋势,卸轴压过程中的平均弹性模量呈下降趋势,瓦斯压力对煤样变形的影响呈增加趋势;在一定围压和瓦斯压力作用下,煤样卸轴压过程中轴向应力-轴向应变关系可用指数关系表示。     

不同加载速率下煤岩采动力学响应及破坏机制

研究煤岩在不同加载模式与不同加载速率下采动力学响应及破坏机制对认清煤矿动力灾害本质具有指导意义。基于塔山煤样,先后设计与开展了单轴拉伸与压缩、常规三轴及采动力学试验。获得了不同加载模式下煤样的力学特征参量和变形破坏特性。进一步对比分析了常规三轴试验与采动力学试验煤样变形特征的差异。得到煤样破坏前吸收能量密度随着轴向加载速率的关系,揭示了应力偏量是造成试样破坏强度和吸收能量密度提高的原因,是破坏产生的本质原因,但其受控于围压的临界值,及煤样损伤发生具有的时间效应。建立了采动力学条件下考虑加卸载过程中材料损伤的煤岩黏弹性模型屈服准则,包含有效体积应力的影响、应力差的影响、轴向加载速率的影响及围压卸载速率的影响,新的黏弹性模型屈服准则可以很好地解释加卸载速率引起的材料屈服强度变化。     

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。     

含水煤岩损伤破坏过程中声发射特征的研究

岩土工程在施工及运营期间,经常会遇到地下水和施工及运行载荷的共同作用,岩体在地下水和各载荷作用下的力学性能是影响岩土工程长期稳定性的重要因素之一。在收集国内外相关资料的基础上,对含水煤岩在单轴压缩、周期载荷作用、三轴压缩、剪切及拉伸等应力作用下的力学特性及声发射特征等方面进行了综述,对国内外的研究现状进行了回顾与分析,进而总结了含水煤岩力学特性及声发射特征的部分规律。指出随声发射技术在工程岩体稳定性监测领域的广泛应用及试验手段和试验方法的进一步发展,含水煤岩声发射有向真三轴、多场耦合方向发展的趋势,同时随着数值模拟软件及并行技术的快速发展,数值模拟试验将为含水煤岩声发射特征的研究开辟新的途径。     

水分对阳泉3~#煤力学性质影响研究

为了获得水分对煤体力学性质的影响规律,为煤层注水防治冲击地压和煤与瓦斯突出的机理研究和注水参数的确定提供依据,模拟了水分对煤体弹性模量和抗压强度的影响。首先采用数值模拟的方法,模拟了注水后不同水分条件下煤体弹性模量的变化情况;实验模拟了不同水分、不同围压条件下煤体抗压强度的变化情况。结果表明,煤层注水后,在注水孔周围弹性模量有一定的降低,从740 MPa降到540 MPa,使弹性模量降低到原始煤体的60%左右,随着水分的增加,煤体抗压强度不断减小,煤体抗压强度和水分对应关系式为R=5.053 8e-0.169 7W,确定了煤层注水的合理水分为6%～8%。     

煤层气井壁坍塌破裂准则研究

本文介绍了在井壁稳定研究中常用到的三种破坏准则。取山西寿阳区块15#煤层煤岩样品,进行了单轴和三轴压缩实验：通过单轴实验得到了煤岩的单轴抗压强度及静态弹性力学参数;通过三轴实验表明,煤岩在较低的围压（3MPa）下即表现出明显的塑性特征,同时归纳得出该批煤样的内聚力及内摩擦角。采用三种破坏准则建立井壁稳定模型,预测了沁水盆地15#煤层坍塌破裂压力。实践表明,采用Drucker-Prager准则预测的煤层气井坍塌压力比较符合现场实践。     

阳泉矿区煤样不同应力状态下声发射特性分析

为探索原煤煤样的力学性能和不同应力状态下的声发射活动特性,对阳泉矿区新景矿、平舒矿主采煤层的煤样进行了单轴、三轴压缩和巴西劈裂的声发射试验,分析了2种煤样力学性能及不同加载过程的声发射活动规律。证明通过监测声发射(微震)活动分析煤样或煤岩体内部破坏状态是一种方便有效的手段。