含瓦斯煤的力学特性及渗流规律试验研究

采动裂隙场瓦斯流动是实现深部煤与瓦斯共采的基础。采用WYS-800微机控制电液伺服三轴瓦斯渗流试验装置,对平朔井工一矿14106工作面煤层进行了含瓦斯煤的力学特性和瓦斯渗流试验。结果表明:常规三轴不同瓦斯压力条件下,全应力-应变曲线分为4个阶段:初始压密阶段、线性弹性阶段、屈服阶段、破坏阶段。煤样的渗透率随轴向应变先减小后增大,最后趋于稳定;煤样的偏应力-应变和渗透率-应变曲线呈现相反的趋势,而且常规三轴压缩煤样破坏后渗透率增加量比较少。常规三轴不同围压条件下应力-应变曲线也主要表现为4个阶段。随围压值增大,三轴抗压强度呈线性增加趋势;在相同轴向载荷作用下,煤样所受围压越大,渗透率就越小。从不同围压条件下轴向应力-轴向应变和渗透率-轴向应变曲线可以看出,渗透率随着轴向应变的增大先降低后升高,煤样的峰值强度随着围压升高而增大。     

低渗煤样全应力应变过程渗透特性试验

采用MTS815.02型岩石伺服试验系统对煤样进行了应力应变全过程渗透性试验,得到不同围压下煤样的全应力-应变曲线,探讨了全应力-应变过程中煤样渗透率-应变关系曲线的几何特性,研究了煤样变形和破坏过程中的轴向应变与渗透率之间的关系,分析围压对煤样渗透率变化的影响。结果表明,轴向应力对Darcy流渗透特性和非Darcy流渗透特性的影响是同步的,煤样渗透率的峰值滞后于应力应变峰值;随着围压增大,煤样的渗透率总体上呈下降趋势。     

含瓦斯煤热流固耦合渗流实验研究

以晋城煤业集团赵庄矿3号煤层的无烟煤为研究对象,运用自主研发的“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置”,进行了恒定瓦斯压力和围压条件下含瓦斯煤热流固耦合全应力-应变瓦斯渗流实验。研究结果表明：随着煤样温度的升高,煤样的三轴抗压强度降低,承受变形的能力减小,弹性模量增大;在全应力-应变整个过程中,煤样的渗透率总体呈下降趋势;煤样渗透率小不利于采煤之前的瓦斯抽放,导致煤层深处与工作面之间的瓦斯压力梯度较大,并且高温煤样在屈服阶段的渗透率增长更快,使煤与瓦斯突出的危险性增大。煤体渗透率与应力之间的关系不是单调的随应力的增大而减小,而是要看煤体处于何种应力-应变状态。     

淮南矿区典型煤岩体全应力—应变渗透性表征试验

煤岩体是一种多孔介质,地下开挖使岩体的应力状态发生改变,导致岩体的力学性质和渗透性质发生改变,围岩应力状态和渗流场特性是获取储层瓦斯气、评价或计算矿井涌水量、防突水危害等具体工程问题的理论基础和科学依据。通过对淮南矿区煤岩进行三轴压缩全过程渗透性试验,分析了煤岩变形破坏全过程以及不同围压和瓦斯压力下的瓦斯渗透特性。得出煤岩全应力—应变曲线与煤岩瓦斯渗透率—全应力应变曲线之间的对应关系。结果表明:在微型裂隙闭合和弹性变形阶段,煤样渗透率随应力增大而减小,进入屈服阶段后,渗透率达到最小值并在峰值后呈持续增大之势;固定瓦斯压力作用下,煤样应力峰值随着围压的增加而逐渐增大,煤样渗透性与围压关系呈指数函数变化规律,且表现出应变滞后的特点;固定围压作用下,渗透率与瓦斯压力关系呈“V”字型走势,即在扩容阶段煤岩样渗透性达到最佳。     

轴向加载速率对原煤力学和渗透特性的影响

采用煤岩流变仪对原煤进行了不同轴向加载速率下的常规三轴力学渗流试验,运用体积扩容应力、峰值应力、弹性模量和变形模量作为原煤的力学指标,发现试验所用原煤与典型的脆性岩石的规律相同,原煤作为非线性弹性材料体,4种力学指标均随着轴向加载速率的增大而增大;加载过程煤样能量耗散可分为峰前和峰后阶段,峰前阶段绝大部分吸收的能量转化为可释放弹性应变能,耗散应变能增加的速率较缓,峰后阶段弹性应变能急剧下降,大量释放并转化为耗散应变能;同时应力峰值处的总能量随轴向加载速率的增大而增大;渗透率-应变曲线总体呈现"V"字形的变化特征;在全应力-应变过程中,煤岩渗透率与轴向应变之间满足二次多项式函数关系。     

液氮致裂时间对煤样力学性能、渗透性与致裂机理的影响

为研究液氮致裂时间对煤样的力学性能和渗透率的影响，利用自主研发的WYS-800三轴瓦斯渗流试验装置及声发射检测系统，对4组不同液氮致裂时间处理的煤样分别进行三轴力学渗流试验并采集声发射信号，对三轴力学渗流试验中各组煤样的力学性能、渗透率的变化进行了分析，描述了声发射信号的特征；根据沸腾换热理论、一维圆柱导热理论、热应力理论分析了致裂机理，计算了不同致裂时间下产生的热应力，通过数据拟合揭示了平均温度降、平均热应力、初始渗透率与致裂时间的关系。研究结果表明：(1)液氮致裂时间对煤样的力学性能产生不同影响，抗压强度和弹性模量随致裂时间的增加呈现先减小后增大的趋势，泊松比则呈现先增大后减小的趋势，煤样三轴加载时轴向应力-轴向应变曲线的阶段性演化具有明显差异，与力学参数的改变相关。(2)不同液氮致裂时间煤样在三轴加载过程中的渗透率均呈U型变化，煤样的初始渗透率、最小渗透率、试验测得最大渗透率随致裂时间的增加而增大，致裂30 min时增幅分别为119.05%、437.5%、146.49%；声发射信号在压密和弹性阶段不活跃，主要产生于屈服阶段和破坏阶段，致裂后煤样的声发射振铃计数峰值产生于破坏点附近...     

围压下煤储层应力-应变、渗透性与声发射试验分析

煤储层应力-应变、渗透性与声发射特征是煤储层压裂改造和产能评价研究的基础,声发射技术作为研究煤、岩石类材料失稳、破裂及其演化过程有效方法,已被广泛应用。采用沁水盆地西山矿区石炭系太原组8号煤层样品开展了不同围压下煤样应力-应变、渗透性与声发射试验研究,揭示了围压对煤的应力-应变、渗透性和声发射的影响及其控制机理。研究结果表明,基于煤样全应力-应变-渗透性-声发射特征,将煤的变形破坏过程划分为孔隙压缩与弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏失稳阶段3个阶段。在孔隙压缩与弹性变形阶段,荷载作用初期煤中孔隙-裂隙逐渐被压密,煤样渗透率下降,进入弹性变形阶段,煤样渗透率较低,声发射活动不明显。在塑性变形阶段,随着轴向应力的增大煤中裂隙扩展,煤样渗透率增大,声发射活动强度明显增高并达到峰值。破坏失稳阶段,煤的轴向应力随应变的增加而降低,煤样渗透率开始下降,声发射强度也逐渐降低。煤的轴向破坏荷载和有效弹性模量以及残余强度均随围压的增高而增大,煤样的初始渗透率、峰值渗透率和残余渗透率以及累计声发射振铃计数均随着围压的增加而降低。不同围压下煤样应力-应变、渗透率和声发射特征是不同围压下煤的破坏机制所致。     

注水煤样力学及渗透特性试验研究

为研究注水煤样吸水率与时间的关系,以及煤样的力学性能、渗透特性,首先对高家堡煤样进行了自然吸水率测定试验,然后在MTS815.03电液伺服试验机上进行了自然煤样与饱和水煤样单轴压缩试验,最后进行了水渗透试验。试验结果表明:在煤样吸水饱和前,煤样试件吸水率是浸泡时间的二次函数,浸水3.5 d后自然吸水率为3.37%,达到饱和水状态;与自然状态煤样相比,饱和水状态煤样出现轴向应力峰值时的轴向应变增大,出现"滞后"现象,泊松比和普氏系数分别降低了3.36%和9.07%,单轴抗压强度和弹性模量分别降低了20.97%和17.05%;渗透率曲线表明,应力应变过程中煤样渗透率变化可分为压实降低、缓慢增加、峰值出现和残余降低4个阶段,应力峰值超前于渗透率峰值。     

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     

负压条件下构造煤原煤样瓦斯渗透性实验

利用三轴应力渗流实验装置对坚固性系数为0.3的构造煤原煤煤样进行了加压破坏以及负压条件下含瓦斯构造煤原煤煤样的瓦斯渗透性实验研究。结果表明,坚固性系数为0.3的构造煤原煤样的压裂过程经历了非线性压密阶段、线弹性阶段、应变强化阶段、应力跌落阶段和应变软化阶段等5个阶段。在围压、瓦斯压力一定,同一轴压条件下,加载负压时的煤体瓦斯渗透率要大于不加载负压时的煤体瓦斯渗透率,随着负压增大瓦斯渗透率随之增大。在围压、瓦斯压力一定,同一负压条件下,随着轴压的增大,瓦斯渗透率先逐渐增大到一定峰值后逐渐减小。在围压、负压一定,同一轴压条件下,瓦斯压力越大,煤体的瓦斯渗透率越小。在围压、负压、瓦斯压力一定的条件下,轴压加载到σo值后,开始卸载轴压,随着轴压的卸载煤体瓦斯渗透率逐渐增大,在轴压卸载的初始阶段,渗透率增幅较大;随后在轴压卸载完全的过程中,渗透率的增幅越来越不明显,并且轴压卸载为0时的渗透率要小于煤样试件在加载轴压前的初始渗透率。     

载荷作用下煤体变形与渗透性的相关性研究

利用含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置,进行了不同气体压力作用下煤样全应力应变过程的瓦斯渗流实验。实验结果显示,煤样渗透率与变形之间存在内在关联,渗透率变化呈现阶段性特点。基于考虑气体吸附性的含瓦斯煤有效应力,建立了加载煤样变形与渗透率的相关性模型,研究受荷煤样变形与瓦斯渗流的相互关系。理论分析表明：当应力控制边界条件时,渗透率与煤样变形密切相关;煤样渗透率的变化受到有效应力、煤样变形模量、孔隙率和气体吸附性的共同作用;有效应力系数是联系煤样变形和渗透率的关键参量。由于理论计算结果与实验曲线较为接近,因此模型反映了不同瓦斯压力下加载煤样变形与渗透率变化的基本特征。     

应力场、温度场瓦斯渗流特性实验研究

本文采用自制的渗流实验装置，进行了应力场和温度场作用下瓦斯的渗流特性实验研究，通过实验得出：轴向压力对煤样渗透的影响比围压要小；温度增加煤样的渗透率增加；渗透率与轴向有效应力、有效围压、平均有效应力成负指数关系；通过实验得到了渗透率与应力、温度的表达式。根据达西定律推导出了在地应力场、温度场作用下煤层瓦斯的渗流方程，建立的渗流方程可以模拟井下瓦斯在高地应力、高温下的渗透性质。     

煤岩不同含水状态下瓦斯渗流特性试验研究

水力增透技术在瓦斯抽采中的作用效果常常受到水的影响,为更客观地了解煤层不同含水状态下的瓦斯渗透特性,利用三轴渗流试验机,在恒定有效轴向应力和有效围压条件下,对四川省白皎煤矿试样,进行干燥煤样、自然含水煤样、液态水润湿煤样、压力水注水煤样等不同湿润方式煤样的渗流试验。试验结果表明:1)压力水注水煤样(含裂隙)的无因次渗透率随瓦斯压力的增大而逐渐减小,干燥煤样、自然含水煤样、液态水湿润煤样及压力水注水煤样的无因次渗透率均随瓦斯压力的增大呈现先减小后增大趋势,且在瓦斯压力为1.00 MPa左右时存在相对较为明显的变化拐点。2)在干燥煤样、自然含水煤样及液态水湿润煤样的含水率范围内,煤样渗透率与含水率呈线性减小关系。3)在试验范围内,随着含水率的增加,水分对瓦斯压力敏感性的影响越显著,而对压力水注水煤样,水压主要通过产生裂隙来影响煤样瓦斯压力敏感性。     

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。     

循环加卸载路径下不同含瓦斯煤渗流及损伤演化特征

循环载荷广泛存在于采矿活动中并对煤岩的强度、损伤及渗透性质产生较大影响,例如煤层群开采多重保护工程中,被保护层煤岩就受到循环加卸载作用,并显著改变了煤岩的力学及渗流特性;瓦斯对煤的力学性质及能量耗散特征也具有显著的影响,不同加卸载路径下煤岩力学及渗流特性与常规加载下的性质存在显著差异,因而有必要研究循环加卸载条件下不同含瓦斯煤的渗流及损伤演化特征。根据煤层群开采条件下被保护层应力状态实时监测的相似模拟实验结果,设计了3种简化的循环加卸载应力路径,即阶梯循环加卸载、逐级增大循环加卸载和交叉循环加卸载,采用重庆大学自主研发的含瓦斯煤流固耦合三轴渗流实验装置对取自平顶山十矿和袁庄煤矿的煤样进行了瓦斯渗流试验。结果表明:在3种循环加卸路径中,2种煤样的渗透率变化与轴向应力应变曲线具有显著的一致性,循环加卸载作用下,煤样渗透率随着应力的增大和循环次数的增加呈减小趋势;应力卸载和加载对渗透率的影响不同;渗透率受到应力和损伤累积的双重影响。相同应力水平下,煤样经过卸载-加载过程后的渗透率有降低趋势,相对恢复率随着循环次数的增加而先降低后增大,只有应力超过煤样的屈服阶段后才能使渗透率增大。主要结论为:①3种循环加卸载路径下煤样在加载阶段的增透率随应力增大和循环次数的增加都可以分为3个阶段且呈增长趋势,单位体积变化引起的渗透率增加在变大,循环荷载的增透效果随着循环次数的增加而增强。②随着峰值应力的增大和煤样中损伤的累积,渗透率对应力的敏感性逐渐降低。随着荷载的施加,应力卸载对渗透率的影响先增强后减弱。③通过计算各循环阶段的加卸载响应比得到了煤样损伤变量的演化规律,通过回归分析可知损伤变量与轴向应力之间的关系可以用Boltzmann函数表征,该函数可以作为损伤的经验公式对实验中煤样的损伤进行预测计算。④循环加卸载对煤样渗透率及损伤的作用受煤种不同的影响不明显。研究结果为深入揭示多重保护下煤层增透机制和基于循环荷载致裂(重复水力压裂等)的煤层强化增透机制及瓦斯抽采工程设计提供理论支撑。     

含瓦斯煤多场耦合渗流解吸实验系统的研发及应用

为了改进含瓦斯煤多场耦合条件下的基础实验研究,自主研发了含瓦斯煤多场耦合渗流解吸实验系统,主要由恒压自动充气吸附单元、煤样瓦斯“面扩散”渗流解吸装置、瓦斯抽采单元、应力加卸载单元、非接触式应变测量单元、声发射监测单元、多参监测单元和实验系统管理软件组成;并应用该系统进行了煤体甲烷吸附解吸实验和含瓦斯煤受载过程中应力-应变-渗透规律研究。研究表明：煤体的吸附和解吸均符合指数函数,解吸率先快速增大后缓慢增加最终达到了平衡状态;同一时刻,随着粒径的减小,煤体吸附平衡时间越短、解吸率和解吸总量越大;含瓦斯煤应力-应变-渗透过程呈阶段特性,煤体渗透率在压密阶段快速降低;弹性变形阶段应变快速增大,渗透率缓慢降低并达到最小值;屈服阶段渗透率缓慢增加,峰后软化阶段渗透率快速增大。     

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。     

有效围压对煤体渗透性演化的影响研究

煤体变形和瓦斯渗流的耦合作用是煤矿瓦斯突出机理研究中的重要问题,煤渗透率的变化与其应力状态密切相关。为了理清有效围压对煤体渗透性的影响,对煤样进行了不同瓦斯压力下全应力应变过程的渗透性实验,分析了瓦斯压力对煤样强度和渗透率的影响;针对不同瓦斯压力,设计完成了相同有效围压下三轴压缩力学实验(无瓦斯作用);并利用孔隙介质力学的分析方法,依据应力应变数据计算了煤样孔隙度。研究发现,有效围压相同条件下的煤样孔隙度计算结果与渗透率实验结果的变化趋势一致;在三轴压缩实验条件下,煤样峰值强度前的渗透率降低幅度受有效围压的控制,有效围压越高,渗透率所历经的降低幅度越大。     

不同加载条件下原煤力学渗流特性试验研究

以潞安集团常村煤矿煤样为研究对象,利用WYS-800微机控制电液伺服三轴试验装置研究不同加载条件下原煤的力学渗流特性。结果表明,三轴压缩煤样的极限抗压强度和弹性模量均大于单轴条件下的相应值;随着围压的不断增大,煤样抗压强度和弹性模量也会增大,且弹性模量呈现很好的线性;循环加卸载轴压应力-应变曲线在一定程度上受制于常规三轴压缩试验相应曲线,峰值强度降低;煤岩应力-体应变曲线,在低围压试验下表现出扩容机制;在高围压条件下,从峰前至峰后,煤样体积始终呈压缩状态。三轴压缩条件下含瓦斯煤的渗透率与轴向应变呈斜"V"字型走势;循环加卸载轴压试验,随着加卸载次数的增加,煤样渗透率整体降低,但降低梯度减小。     

煤岩变形力学特性及其对渗透性的控制

通过煤岩力学试验研究了煤岩物理力学性质和煤岩全应力-应变过程中的渗透规律。研究结果表明：煤的力学强度相对煤层顶底板岩石具有低强度、低弹性模量和高泊松比特性,易于产生塑性变形;在全应力-应变过程中具有明显应变软化现象的煤样,在微裂隙闭合和弹性变形阶段,煤岩体积被压缩,煤岩渗透率随应力的增大而略有降低或渗透率变化不大;在煤岩的弹性极限后,随着应力的增加,煤岩进入裂纹扩展阶段,煤岩体积应变由压缩转为膨胀,煤岩渗透率先是缓慢增加然后随着裂隙的扩展而急剧增大;在煤岩峰值强度后的应变软化阶段煤岩渗透率达到极大值,然后均急剧降低,峰后煤岩的渗透率普遍大于峰前。在全应力-应变过程中应变软化现象不明显或者具有应变硬化现象的煤样,煤岩全应力-应变过程中最大渗透率主要发生峰值前的塑性变形阶段,在煤岩峰值强度后的应变硬化阶段,随着煤岩应力的增大,煤岩渗透率减小,峰后煤岩的渗透率普遍小于峰前。