煤岩三轴蠕变-渗流-吸附解吸实验装置的研制及应用

为研究受载含瓦斯煤岩流变过程中的渗流规律和煤体瓦斯吸附解吸特性,自主研制了煤岩三轴蠕变-渗流-吸附解吸实验装置,该装置主要由主机、伺服加载系统、三轴压力室、孔压控制系统、吸附解吸系统、温度控制系统、变形测量系统以及安全防护系统等8个部分组成,其最大轴压为500 kN、最大围压为50 MPa、最高加热稳定温度为90 ℃,试件尺寸为50 mm×100 mm。该装置具有以下主要优势：能实现煤岩孔隙率的测试、煤岩力学参数测试、煤岩瓦斯吸附解吸实验和受载含瓦斯煤的蠕变-渗流等多种实验,功能强大、性能稳定、测试准确;采用了滚珠丝杠加载方式,满足了蠕变-渗流等实验的长期加载需求,最长加载时间能达2个月以上;配备了高低温控制系统,能实现煤岩试样进气端、出气端和三轴压力室3处的气体温度保持一致,有效避免了温度变化所导致的气体流量上的测量误差。同时利用该装置分别开展了煤样孔隙率测试、受载含瓦斯煤样解吸特性和含瓦斯煤样的蠕变-渗流实验研究,实验验证了该装置在功能上的多样性和在测试上的准确性和可靠性。     

煤与瓦斯突出模拟试验的研究现状与展望

综述了煤与瓦斯突出模拟试验研究现状,主要从瓦斯压力、地应力和煤体物理力学性质及其综合作用方面分析了其对煤与瓦斯突出的影响以及在这些因素影响下的突出特点、形式和规律。鉴于煤与瓦斯突出的复杂性,目前的研究还存在以下不足:(1)试验过程中用的都是颗粒煤或者是型煤,很难真实反映现场的煤层物理特性;(2)试验载荷的施加方式和大小反映不了现场煤体中真实的三维应力状态;(3)实验室模拟试验中的突出口多数情况是人为打开的,而不是煤体内部达到突出条件后自主打开的。建议使用原煤煤样、加大模拟实验尺度、采用真三轴加载方式、合理设置突出口进一步开展多因素耦合的煤与瓦斯突出模拟试验,对煤层瓦斯突出机理的研究具有重要的现实意义。     

基于Klinkenberg效应影响的煤体瓦斯渗流规律及其渗透率计算方法

针对气体渗流存在的Klinkenberg效应,利用自主研发的三轴瓦斯渗流实验系统,对煤层瓦斯的渗流特性进行了研究。通过实验数据分析和理论推导,提出了一种综合气体动力黏度和压缩因子影响及克氏效应的煤层瓦斯渗透率计算方法。通过比较传统的拟压力法计算结果,考虑克氏效应方法在理论上和数据处理结果上更合理、更准确。研究结果表明:1克氏效应对煤层瓦斯渗流影响明显,利用考虑克氏效应方法评估的渗透率结果正确,能充分反映出气体渗流的真实状态。2吸附解吸作用对煤层瓦斯渗透性有一定的影响,其影响结果是导致煤层绝对渗透率的降低。3处于标准状况附近的气体,可以忽略动力黏度和压缩因子对其渗透性的影响,离开标准状况较远的气体,需要考虑动力黏度和压缩因子对其渗透性的影响。研究结果对正确认识克氏效应和选择更精确的含瓦斯煤渗透率计算方法具有一定的指导价值。     

动静加载下含瓦斯煤层突出试验研究

为研究深部复杂应力环境中煤层开采受动态载荷扰动发生煤岩动力灾害的过程和机理,采用河南理工大学自主研制的动静载条件下煤与瓦斯突出模拟试验设备,模拟了静态和动态组合加载作用下煤与瓦斯突出现象,进行了瓦斯吸附条件下的动静载突出试验,深入研究了瓦斯吸附量对突出的影响。结果表明:在相同的动态载荷作用下,无瓦斯解吸过程比有瓦斯解吸过程更容易发生突出;无煤柱影响比有煤柱影响更容易发生突出,并且无煤柱影响的突出强度比有煤柱影响的要大。研究结果对于煤层瓦斯突出机理的研究具有重要的参考意义。     

瓦斯抽采过程中的煤层透气性动态演化规律与数值模拟

 为了研究煤层瓦斯抽采过程中的煤体渗透性变化规律,基于Kozeny-Carman方程,利用表面物理化学与含瓦斯煤的有效应力理论,建立考虑有效应力变化、瓦斯解吸和煤基质收缩效应的煤层渗透率动态变化模型,并结合数值模拟分析煤层瓦斯抽采过程中煤体透气性动态演化规律。研究结果表明：(1) 所建立的煤层渗透率动态演化模型能较好地描述煤层瓦斯抽采过程中的煤体透气性动态演化规律。(2) 煤体渗透率与煤体孔隙压力之间呈现出“V”字型变化趋势,低瓦斯压力阶段煤基质收缩效应占主导地位,煤层渗透率随瓦斯压力降低而增大;高瓦斯压力阶段有效应力作用占主导地位,煤层渗透率随瓦斯压力降低而减小。(3) 从煤层内部逐渐接近抽采钻孔过程中,煤层瓦斯压力较高时,煤体渗透率先减小后增加;煤层瓦斯压力较低时,煤体渗透率不断增大。研究结果可以为我国煤矿瓦斯治理和煤层瓦斯抽采提供理论支撑,具有指导性意义。