考虑吸附膨胀应力影响的煤层瓦斯流-固耦合渗流数学模型及数值模拟

已有研究表明,煤吸附瓦斯后要发生相应的膨胀变形,而当这种膨胀变形受到一定的限制时,将会产生膨胀应力。为此,在考虑煤吸附瓦斯产生膨胀应力的前提下,根据煤体受力平衡条件建立考虑吸附膨胀应力的煤体有效应力表达式,并根据流–固耦合渗流理论的基本思想,建立煤层瓦斯流–固耦合数学物理模型。采用有限元和有限差分相结合的方法对模型进行离散化处理,并对其进行模拟求解。和未考虑吸附膨胀应力的流–固耦合模型的模拟结果进行比较分析,研究成果表明,未考虑吸附膨胀应力的流–固耦合模型计算的压力下降较该模型要小,两种模型的模拟结果存在一定的差别,从而表明在煤层瓦斯流–固耦合数学模型中应考虑吸附膨胀应力的影响。     

应力–损伤–渗流耦合模型及在深部煤层瓦斯卸压实践中的应用

根据瓦斯渗流与煤体变形的基本理论，引入煤体变形过程中应力、损伤与透气性演化的耦合作用方程，建立了含瓦斯煤岩破裂过程固气耦合作用模型。应用该模型模拟分析了深部采动影响下瓦斯抽放过程中煤层透气性的演化和抽放孔周围瓦斯压力的变化规律，认清了开采卸压瓦斯瞬态渗流的力学机制。模拟结果表明，采动影响使得处于其上部67 m的煤层卸压，透气系数增大了2 000多倍，卸压范围70 m左右，同现场实际观测结果比较吻合。这对于进一步深入理解开采过程远程卸压瓦斯渗透性的演化、瓦斯抽放渗流的机制具有重要的理论和实践意义。     

应力-损伤-渗流耦合模型及在深部煤层瓦斯卸压实践中的应用

根据瓦斯渗流与煤体变形的基本理论,引入煤体变形过程中应力、损伤与透气性演化的耦合作用方程,建立了含瓦斯煤岩破裂过程固气耦合作用模型。应用该模型模拟分析了深部采动影响下瓦斯抽放过程中煤层透气性的演化和抽放孔周围瓦斯压力的变化规律,认清了开采卸压瓦斯瞬态渗流的力学机制。模拟结果表明,采动影响使得处于其上部67m的煤层卸压,透气系数增大了2000多倍,卸压范围70m左右,同现场实际观测结果比较吻合。这对于进一步深入理解开采过程远程卸压瓦斯渗透性的演化、瓦斯抽放渗流的机制具有重要的理论和实践意义。     

低渗透突出煤的瓦斯渗流规律研究

 为了解低渗透突出煤体的瓦斯渗流规律,利用自行研制的煤岩体三轴渗透仪,在不同轴压和围压条件下,对以南桐矿区矿井低渗透突出煤层的原煤而制备的试样采用稳态渗流法进行瓦斯渗流试验;比较传统的渗透率计算方法与考虑瓦斯渗流的Klinkenberg效应的渗透率拟合方法在低渗透煤体渗流试验数据处理中的差异。研究结果表明：(1) 低渗透煤体中的瓦斯渗流具有显著的Klinkenberg效应;(2) 对于低渗透煤体,Klinkenberg系数b值与煤体的绝对渗透率呈显著的幂函数关系,而煤体的绝对渗透率与体积应力呈显著的二次多项式函数关系;(3) Klinkenberg系数b值随着煤体绝对渗透率的降低而逐渐增大,煤体的绝对渗透率随着煤体体积应力的增大而逐渐降低;(4) 采用考虑瓦斯渗流的Klinkenberg效应的渗透率拟合方法处理试验数据所得到的结果更为合理;(5) 试验得到的煤体渗透率表达式反映了瓦斯压力和应力对瓦斯渗流的共同作用,能很好地模拟低渗透煤层的瓦斯渗流。     

含瓦斯煤岩围压卸荷瓦斯渗流及电荷感应试验研究

 煤岩卸荷过程物理信息监测对煤与瓦斯突出等动力灾害预测研究具有重要意义。应用自主研发的电荷采集装置,进行了含瓦斯煤岩围压卸荷瓦斯渗流及电荷感应试验。研究结果表明：含瓦斯煤岩围压卸荷过程中,瓦斯渗流特性及电荷感应规律与煤岩的变形损伤过程具有十分密切的关系。随着围压卸荷速率的提高,煤岩内部大量微观裂纹扩展,促进了煤岩变形损伤,增大了煤岩内部裂纹间局部束缚电荷突变为自由电荷的概率,使得煤岩主破裂过程产生的感应电荷大幅增多;围压卸荷减弱了煤岩环向所受的限制作用,增加了煤岩内部新的导气通道,煤岩渗透率增大。气体携带煤粉颗粒与煤岩孔道固壁间的摩擦作用形成冲流电流,冲流电流对煤岩电荷信号贡献了附加量,使电荷信号增强。     

含瓦斯突出煤三轴压缩下力学性质试验研究

以典型煤与瓦斯突出矿井松藻煤电集团打通一矿7#突出煤层制备的型煤试件为研究对象,利用岛津AG-250伺服材料试验机和自行研制的三轴渗透仪,对不同外界应力条件下含瓦斯突出煤的力学特性进行试验研究.结果表明:瓦斯压力固定的情况下,围压对含瓦斯煤的力学特性起到强化和改善的作用.随着围压的增加,突出煤样的三轴抗压强度、弹性模量和峰值应变均呈线性单调增加;围压大小一定情况下,瓦斯压力对含瓦斯煤的力学特性起到弱化的作用.随着瓦斯压力的增加,突出煤样的三轴抗压强度和弹性模量分别呈线性和对函数形式单调递减,而峰值应变则呈线性单调增加;有效应力对含瓦斯突出煤的力学性质具有强化和改善的作用,随着有效应力的增加,含瓦斯突出煤的弹性模量、三轴抗压强度和峰值应变均单调增加.研究成果对采动影响下煤层瓦斯抽放和煤与瓦斯突出防治及预测具有重要意义.     

温度对含瓦斯煤力学性质影响的试验研究

 利用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置,以型煤试样为研究对象,在不同温度条件下对含瓦斯煤进行三轴压缩试验,研究温度对含瓦斯煤的变形及力学特性的影响规律。研究结果表明：在相同应力条件下,含瓦斯煤的变形量随着温度的升高逐渐增大,轴向、径向与体积应变在不同的温度区间内分别有不同的变化趋势,温度超过60 ℃后,径向应变的变化速度超过轴向应变的变化速度;破坏角随着温度的升高略有增加;三轴抗压强度、残余强度、弹性模量等随着温度的升高逐渐降低,但在不同的温度区间内,其变化趋势有所差异;而泊松比则随着温度的升高呈现先降低后升高的趋势。总体看来,温度对含瓦斯煤的变形特性及力学特性有着一定的影响,温度的升高总体上可降低煤体的强度,但在不同的温度范围内,含瓦斯煤的变形特性及力学特性的变化趋势有所不同。研究结果对深部煤炭开采及巷道支护等有一定的理论指导价值。     

蠕变对含瓦斯煤渗透率影响的试验分析

 以重庆市松藻煤电公司石壕矿原煤制备的型煤试样为研究对象,设计含瓦斯试样的三轴蠕变及渗流试验方法和步骤。利用试样瓦斯渗透仪试验装置,在不同温度条件及不同有效应力水平下,对型煤试样进行三轴蠕变及渗透性试验,获得大量蠕变前后不同有效应力和不同温度条件下的渗流试验数据,研究蠕变对试样渗透率的影响规律。研究结果表明：在相同温度与有效应力条件下,蠕变后试样渗透率降低,下降幅度为25.2%～38.7%;在三轴应力条件下,随着有效应力增大和温度升高,蠕变前后试样渗透率逐渐降低,探讨两因素对渗透率的影响机制;定义渗透率损伤率来表示蠕变使得试样渗透率减小的程度,当温度一定时,渗透率损伤率与有效应力符合线性关系,该渗透率损伤率随有效应力增加而增加,且温度越高,增加的速率越大;在不同温度及有效应力耦合作用下,蠕变对渗透率的影响程度不同。研究结果对进一步认识瓦斯运移规律具有一定的意义。     

地应力场中含瓦斯煤岩变形破坏过程中瓦斯渗透特性的试验研究

 利用典型煤与瓦斯突出矿井松藻煤电集团打通一矿突出煤层原煤制备型煤试件,应用自行研制的含瓦斯煤样三轴瓦斯渗流试验装置,进行含瓦斯型煤试件的全应力–应变过程瓦斯渗透特性变化规律的试验研究。研究结果表明：恒定瓦斯压力时,在某一围压下,峰前渗流速度随轴向应力先减小后缓慢增大,到达峰值应力后,随轴向应力的减小而增大。全应力–应变过程曲线与渗流速度–轴向应变曲线具有较好的对应关系。煤样的峰值渗流速度随围压的增加而减小,呈现较明显的线性关系。对比试验表明,在一定的围压和瓦斯压力范围内,保持瓦斯压力不变增加围压可减小煤样渗透率,保持围压不变增加瓦斯压力可增大煤样渗透率。研究结果对于利用地应力场抽采瓦斯、通过瓦斯涌出量预测煤岩的变形破坏具有现实指导意义。     

煤层瓦斯渗流与煤体变形的 耦合数学模型及数值解法

根据固流耦合作用的基本理论，考虑瓦斯渗流对煤体本构关系的影响，提出了煤和瓦斯耦合作用的数学模型，给出了用有限元求其数值解的方法及程序。在此基础上，对采动影响下考虑煤层变形影响时瓦斯在采空区的流动规律进行了数值模拟分析，为采空区瓦斯抽放提供了理论基础和科学依据     

含瓦斯煤岩细观剪切试验装置的研制及应用

 介绍自主研发的含瓦斯煤岩细观剪切试验装置,该装置主要由主体结构、加载系统、瓦斯充气系统、裂纹观测系统和声发射系统5个部分组成。该装置具有如下特点：(1) 可进行流固耦合作用下煤岩剪切力学特性试验,为从细观角度研究煤与瓦斯突出机制提供可靠的试验手段;(2) 具有良好的气密性,能保证煤样达到充分吸附瓦斯状态;(3) 设计侧向加载系统,能实现限制性及非限制性剪切试验功能;(4) 试验数据测试手段多样化,实现剪切力–剪切位移、裂纹细观图像及声发射信号的同步采集;(5) 整体设计上具有结构简单,加工成本低,可靠性好,操作方便等特点。采用该装置进行瓦斯压力分别为0.5,1.0,2.0 MPa下型煤试样的非限制性直剪试验,获得剪切力–剪切位移曲线及剪切面裂纹的细观演化过程,并依此分析直剪过程中煤样微裂纹的形成、扩展、贯通进而诱导失稳破坏的力学过程。试验结果表明,该装置具有较好的实用性和可靠性,为进一步研究煤岩剪切细观力学特性提供新的测试手段。     

不同加卸载条件下含瓦斯煤力学特性试验研究

 利用自行研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置,以平煤十矿原煤样为研究对象,进行不同加卸载条件下(即增加轴压的同时卸载围压)含瓦斯煤力学特性的试验研究。研究结果表明,不同加卸载条件下含瓦斯煤的力学特性表现各异,主要表现为：加卸载煤样的承载强度比常规加载煤样的峰值强度低;加卸载煤样的承载强度随初始轴力的升高呈指数关系降低、随轴力加载速度的增加呈幂函数关系降低、随初始围压的升高呈指数关系降低、随瓦斯压力的升高呈线性关系降低;随着轴向应变的增加,各条件下变形模量呈现先迅速减小然后缓慢减小直至破坏后保持基本稳定的趋势,泊松比表现出先逐渐减小后增加最后基本保持稳定的趋势。该研究对巷道支护和瓦斯抽采具有重要的指导意义。     

多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统研制与应用

 自主研制了多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统,其结构主要包括主体承载支架、试件箱体、快速推拉密封门、伺服加载系统、数据采集系统和其它附属设备等。该系统主要功能包括煤与瓦斯突出灾害模拟和煤矿开采过程中煤岩层应力变化动态模拟,其主要优势体现在：(1) 箱体尺寸大,模拟相似度高,且密封能力强,可完成6.0 MPa气体压力密封;(2) 地应力加载方式复杂,可实现“三向四级”加载,更加接近地下采动影响下的应力分布状态;(3) 最高64路传感器同时监测煤岩体内部参数,可同时采集煤岩体内不同空间位置的温度、应力和气体压力,实现对煤矿动力灾害过程中参数时空变化规律的研究。利用该装置进行一次成功的煤与瓦斯突出模拟试验,分析结果发现突出过程中煤层中温度和瓦斯压力变化都存在时间和空间上的差异性,具体表现为动力效应明显区域瓦斯压力降低快、温度降低量大,所以通过对物理场变化规律的分析可以了解突出时煤层动力效应的时空变化状态,成果对进一步认识煤与瓦斯突出发生的机制有着十分重要的意义。     

三轴应力条件下温度对原煤渗流特性影响的实验研究

 利用自主研发的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置,测定煤样在不同有效应力、不同瓦斯压力、不同温度条件下的渗透率,探讨不同有效应力和不同瓦斯压力条件下,煤样渗透率与温度的关系。在实验研究的基础上为消除试件个体差异的影响,客观地反映温度对渗透率影响程度的大小,定义温度敏感性系数,进而研究温度对渗透率的影响程度与温度的关系。研究结果表明：(1) 当有效应力和瓦斯压力保持恒定时,随着温度的升高,煤样渗透率会逐渐降低,温度敏感性系数逐渐降低,即温度越高,温度对渗透率的影响程度越小;(2) 在相同温度条件下,有效应力、瓦斯压力越大,温度敏感性系数越低,温度对渗透率的影响程度越小。     

采动影响下大跨度煤巷耦合支护技术研究与应用

 为解决多次采动影响下大跨度煤巷支护难的问题,以高家梁矿20108工作面回风巷道为例,通过分析工程地质条件和工程岩体特性可知,20108回风巷道属于应力扩容膨胀型复合地质软岩,确定力学破坏机制为IABCIIBDIIIDA复合型变形力学机制,提出采用锚网索带注耦合支护方案。基于FLAC3D数值软件,对锚网索带注耦合支护方案进行数值计算,计算结果显示,与无耦合支护对比,屈服区域显著缩小,顶底板和两帮变形都得到有效控制。现场监测煤巷围岩变形表明,多次采动影响下煤巷两帮变形速率大于顶底板,表明两帮变形速率控制着20108回风巷道的使用功能。研究结果表明,锚网索带注耦合支护在采动影响下大跨度煤巷支护中取得良好的支护效果,数值计算表明,采动影响下大跨度煤巷采用耦合支护技术是可行的;现场监测结果也验证耦合支护技术的有效性和可靠性。     

三轴应力条件下煤层气储层渗流滞后效应试验研究

 利用自主研发的含瓦斯煤岩热–流–固耦合三轴伺服渗流装置,以型煤试件为研究对象,进行不同温度和不同围压条件下煤层气储层渗透率演化规律的试验研究。研究煤层气在煤层气储层中的运移规律并采取相应的煤层气抽放措施,可以预防煤与瓦斯突出或者对煤层气储层中赋存的煤层气进行合理利用,对于矿井建设和实现煤与煤层气共采均具有重要的实际意义。试验结果表明：(1) 在不同试验条件下,煤岩三轴压缩试验过程中普遍存在着煤层气渗流速度变化滞后于应变和应力的现象,煤岩的体积最小点滞后量较大;(2) 煤岩的体积最小点滞后量和应力峰值点滞后量在温度越高的试验条件下呈减小趋势;(3) 煤岩所受围压通过压缩煤样侧壁,导致其内部结构变化而对煤岩的煤层气渗流速度起到阻碍作用,围压越大,体积最小点滞后量越大。     

煤层气储层含水率对煤层气渗流影响的试验研究

 以晋城煤业集团赵庄矿3#煤层无烟煤制备的成型煤样为研究对象,设计煤样含水率对甲烷渗流的影响试验方案,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”,较真实地模拟在煤层气开采中煤储层含水率的变化对煤层气渗流的影响规律。研究结果表明：恒定温度和有效应力、不同含水率条件下,随着煤样含水率的减小,甲烷有效渗透率增大。在本试验煤体含水率范围内,煤体含水率与甲烷有效渗透率关系可用线性函数表述。煤储层中的水通过占据煤储层渗流孔隙空间,使煤层气运移喉道减小,使其运移困难。根据对试验结果的分析,理论上论证可以把注水湿润煤体作为防治煤与瓦斯突出的措施之一。     

有效应力对煤层气解吸渗流影响试验研究

以阜新高瓦斯矿井孙家湾矿为例，将煤样放入自制的三轴瓦斯解吸渗透仪中，通过先加载后卸载、连续进行煤层气解吸渗流试验，模拟煤层气在复杂地应力条件下的赋存和运移开采过程，得到有效应力与煤层气解吸和渗流特性间的关系，并拟合了其关系表达式，揭示一些新的相互作用规律：（1）解吸量、解吸时间与有效应力变化规律均呈负指数递减关系，与受载方式无关；（2）有效应力存在一分界点，当小于此值时，解吸量和解吸时间随有效应力增加而迅速提高，而当有效应力大于此值时，两者随之增加幅度不大，对于孙家湾2^#煤样分界点所对应有效应力为3．0MPa左右；（3）存在一临界有效应力值（类似于临界解吸压力），有效应力大于此临界值则解吸量极少或几乎没有，解吸时间趋于0，而孙家2^#岁煤样临界有效应力值为10．0MPa左右；（4）在加载过程中，有效应力与渗透率、渗透系数关系曲线呈正指数减小，这表明煤体在较小的有效应力范围内、孔隙压力不断增加的加载过程中，吸附作用是影响渗透率和渗透系数的主控因素；（5）卸载过程中，有效应力与渗透率和渗透系数呈抛物线关系，这从试验角度证明了煤层气开采中三阶段主导作用的存在，即有效应力主导作用阶段、基质收缩效应主导作用阶段和滑脱效应主导作用阶段。