潞安矿区煤层渗透率的各向异性特征实验研究

为了研究原位煤体渗透性的各向异性特征,以山西潞安常村矿3号煤层圆柱试样为对象,利用TCQT-Ⅲ型低渗煤层气相驱替增产试验装置,对煤样进行加载,并以氮气注入压力2.0 MPa的条件下,分析垂直层理和平行层理2个方向的煤体变形和渗透率变化特征。实验结果表明:煤样在加载过程中,平行和垂直层理煤样渗透率均随着有效应力的增大而减小,平行层理方向的渗透率始终大于垂直层理方向,应力加载初期渗透率急剧下降,最后逐渐趋于平缓;径向应变的增加量与渗透率呈正相关性,且平行层理相关性大于垂直层理;沿平行层理方向的裂隙度大于沿垂直层理方向,沿垂直层理方向的应变量大于沿平行层理方向;应变增加量均随有效应力的增加而逐渐减小。研究结果可为煤层井网布置及优化提供参考。     

原煤力学及渗流特性的层理效应研究

为研究层理对原煤力学及渗流特性的影响,通过实验对比分析平行层理煤样和垂直层理煤样在相同瓦斯压力、不同围压下的三轴压裂力学及渗流特性,同时采集压裂过程的声发射数据并进行分析。结果表明:随着围压增大,平行层理煤样的峰值轴向应力平均增幅为34.5%,远小于垂直层理煤样的平均增幅161.21%;围压为1,3,5 MPa时,垂直层理煤样的压裂时间分别是平行层理煤样的0.68,0.19,2.72倍,层理方向对力学特性的影响随着围压增加呈先减小后增大的趋势;围压相同时,平行层理煤样的声发射幅值随时间增加而增大,垂直层理煤样的声发射幅值随时间增加表现出正弦波变化趋势,且平行层理煤样在压裂过程中的声发射高幅值事件比垂直层理煤样的多;平行层理煤样的渗透率远大于垂直层理煤样的渗透率,且围压越大,初始渗透率越低,说明平行层理方向的孔隙度大于垂直层理方向的孔隙度。     

应力加卸载下层理裂隙煤体瓦斯渗流试验研究

为探讨同一应力加卸载作用下不同层理方向裂隙煤体的瓦斯(甲烷)渗透规律,采用自行设计、改装的三轴应力瓦斯渗透模拟装置,在相同瓦斯压力条件下,对平行及垂直层理方向的2种原煤样试件进行试验研究。结果表明,加载过程中,2种试件的渗透率均随有效应力的增大而减小,应力加载至最大值时,渗透率分别下降了99.01%和80.49%;卸载过程中,渗透率随有效应力的减小而增大,卸载初期渗透率变化较小。有效应力从11.65 MPa卸载至8.98 MPa时,渗透率分别恢复到最大应力加载值的87.45%、68.8.5%。当卸载至4.98 MPa时,渗透率的增加幅度分别为736.78%和99.67%。相同的卸载条件下,平行层理裂隙试件的渗透率增幅比垂直层理裂隙试件大得多。     

不同层理方向裂隙煤体承压过程瓦斯渗透规律实验研究

为获取应力加卸载过程中3种不同层理方向裂隙煤体的瓦斯渗透规律,采用应力瓦斯渗透模拟实验装置对加卸载过程平行、斜交及垂直层理方向的原煤试件进行了实验。研究结果表明:加载过程中,3个煤样试件的渗透率与所施加的有效应力成正比,当有效应力最大时平行层理裂隙煤样试件的渗透率的降幅最大,不同层理方向最大渗透率比值为7.2∶1;卸载过程中,渗透率与有效应力之间存在反比关系,在应力卸载初始阶段渗透率增幅不大,当有效应力卸荷到一定程度时,渗透率的增幅陡然增加,相同的卸载条件下,斜交层理试件的渗透率恢复比最大。研究结果可为煤体抽放钻孔布置提供一定参考,以使瓦斯抽采效果最大化。     

冲击载荷下各向异性煤体渗透-应力敏感性试验研究*

为揭示冲击煤样渗透率的变化规律，通过立式分离式霍普金森（SHPB）冲击装置对不同层理方向煤样进行动态冲击，进而采用渗透仪对冲击后的煤样进行渗透率测试，分析不同冲击荷载下煤岩的渗透率及应力敏感性。结果表明:冲击煤样的渗透率远大于原煤样品，冲击载荷越大，渗透率越大；在相同的冲击载荷和气体压力下，平行于层理方向的煤样渗透率最大，其次是斜交45°层理方向的煤样渗透率，垂直于层理方向的煤样渗透率最小；渗透率受有效应力影响显著；在冲击荷载的作用下，垂直于层理方向煤样渗透率的变化率对孔隙压力更为敏感。     

型煤峰后渗透特性试验研究

煤层瓦斯渗透率是瓦斯（煤层气）抽采的重要指标之一,通过渗流模拟-吸附解吸试验装置,研究了型煤煤样在不同围压作用下破碎后卸载轴压围压过程中,以及加载至二次破坏过程中煤样渗透率随应力的变化情况。试验表明:型煤峰值强度后的渗透率较初始状态有所增大,峰值强度后卸载围压和轴压,其渗透率均增大。其后,给煤样固定一个围压加载轴压使煤样发生二次破坏,渗透率先减后增,整体呈U型趋势,且煤样发生二次破坏过程中的渗透率整体上要大于初次破坏过程中的渗透率,通过试验研究为矿井瓦斯抽放和煤层气开采提供了一定理论基础。     

2种典型煤样承压过程瓦斯渗透特性试验

为探索同一应力加卸载路径下2种典型煤样(原生结构煤及构造煤)的瓦斯渗透规律,用3轴应力瓦斯渗流模拟装置,对2种原煤试件不同瓦斯压力承压时的瓦斯渗透特性进行试验研究。结果表明,加载阶段,随着加载应力的增大,2种煤样的渗透率均呈下降趋势,且初期降幅最急剧,当围压从0升到3 MPa时,2种煤样的渗透率分别下降64%和70%;卸载阶段,渗透率随着应力的减小而增大,围压完全卸载后,2种煤体的渗透率分别恢复到初始值的25%和50%;在同样的应力条件下,有效应力的增加对原生结构煤的影响作用大于煤基质收缩,渗透率随着瓦斯压力的增加而增大,而对构造煤则相反,渗透率随着瓦斯压力的降低而增大。     

构造煤承压过程瓦斯渗透特性实验研究

构造煤具有瓦斯含量高、渗透率低等特征,是瓦斯抽采和灾害预防的难点。在采用“二次成型”法制取原煤样试件的基础上使用自行设计的“三轴应力瓦斯渗透性模拟实验装置”通过“应力-渗透性”实验,针对构造煤原煤试件不同瓦斯压力条件下的应力加、卸载过程的瓦斯渗透规律进行了研究。实验结果表明:加载阶段,随着加载应力的增大渗透率降低,初期阶段降幅最为急剧,围压升到3 MPa时,渗透率均下降近65%;卸载阶段渗透率随着应力的减小而增大,围压完全卸载后渗透率只恢复到初始值的25%;同样的应力条件下,煤基质收缩对构造煤的影响作用大于有效应力的增加,渗透率随着其内部瓦斯压力的降低而增大。实验结果可为构造煤“卸压增透”效果最佳化提供参考,进一步完善低渗透率煤层的瓦斯抽采理论及方法体系。     

2种原煤样渗透性对比试验研究

为了研究构造煤原煤样与硬煤原煤样渗透率变化规律的异同,用三轴渗流装置对2种原煤样进行了瓦斯渗透性试验。在改变单一因素条件下,分别研究围压和瓦斯压力对2种煤样渗透性的影响,同时研究轴压加载及卸载过程中2种原煤样的渗透率变化规律。结果表明;瓦斯压力恒定时,2种煤样的渗透率都随围压的增大而减小;围压恒定时,瓦斯压力在0.2~0.6 MPa范围内,2种煤样的渗透率都随瓦斯压力增大而减小;瓦斯压力及围压同时保持恒定时,2种煤样的渗透率都随轴压增大不断减小,2种煤样在卸载阶段渗透率均不断增大,但均没有恢复到加载前的渗透率,构造煤煤样渗透率恢复率比硬煤小,说明构造煤加载过程中发生塑性破坏比例大于硬煤。     

加卸载作用下裂隙岩芯渗透性变化规律研究

针对光滑平行板裂隙加载渗流规律难以准确反映实际工程裂隙岩体卸荷渗流特性的问题,利用水力压裂方法制作了天然岩芯裂隙,开展了裂隙试件受轴压、围压加载和卸载作用的渗流试验,并将裂隙试件的CT扫描图像导入ABAQUS软件,对粗糙裂隙受载时的应力和变形规律进行了数值模拟。结果表明:裂隙面的法向应力是影响裂隙渗流的主要因素;在加载阶段,粗糙裂隙面受载产生接触应力致使接触部分产生变形和破坏,裂隙接触刚度增大,裂隙宽度非线性减小,渗透率降低速率越来越小;在卸载阶段,弹性变形逐步恢复,裂隙宽度缓慢增加,渗透率先缓慢增大,当载荷卸到一定值后,在孔隙压力作用下裂隙张开、渗透率突然增大。研究结果表明了粗糙裂隙与光滑平行板裂隙对载荷敏感性不同的机理,反映了实际工程裂隙岩体卸荷渗流特性。     

含硬夹矸高瓦斯低透气性煤层多向聚能爆破技术研究

针对在含硬夹矸高瓦斯低透气性煤层开采时，一方面煤层瓦斯抽采困难，另一方面煤层中的坚硬夹矸难破碎的问题，开展含硬夹矸高瓦斯低透气性煤层多向聚能爆破研究。理论上，分析多向聚能装药对爆破的影响，引入多向聚能影响系数，计算得出了不同方向上裂隙的范围。通过相似模拟试验，验证了多向聚能爆破实际效果；利用LS-DYNA数值模拟软件，对不同装药方式爆破作用下煤与夹矸裂隙的发育特征及应力演化规律进行了数值模拟研究。研究结果表明:多向聚能爆破能够将爆破能量积聚在夹矸弱化和煤层增透的方向上，形成以导向裂隙为主，大量分支裂隙为辅的裂隙网，在夹矸弱化和煤层增透方向上的应力峰值分别为普通爆破的1.21倍和1.16倍。多向聚能爆破能够在提高破碎坚硬夹矸能力的同时提升煤体中裂隙的发育程度，从而大幅优化爆破效果。     

加轴压卸围压下含瓦斯煤岩损伤变形的能量演化机制

采动影响下含瓦斯煤岩的损伤变形是一个极其复杂的非线性过程，单纯依靠传统经典弹塑性力学无法准确分析其破坏机理。针对此情况，通过试验研究了不同初始围压条件下含瓦斯煤岩的损伤变形特征，并分析了损伤变形与能量演化规律之间的内在联系。研究表明:初始围压越高，煤样破坏时强度越大，脆性破坏特征越明显，瓦斯流量急剧增加幅度越大，煤样破坏时积累的总能量和弹性应变能越多，且初始围压与弹性能之间满足对数函数关系。采用累积耗散能定义了煤岩损伤变量，并分析了不同阶段损伤与渗透率之间的演化关系。     

不同围压下煤岩损伤变形规律及声发射特征分析

为研究不同围压条件下煤岩的损伤变形,利用RTX-1000岩石三轴仪和Micro-Ⅱ声发射成像采集仪对煤样进行不同围压下的三轴压缩声发射定位试验,对加载过程中的应力应变、AE计数等特征参数进行对比分析,构建基于AE计数的损伤模型,研究三轴压缩下煤岩损伤变形的规律。研究结果表明:在保持应变率恒定的条件下,围压越高,煤样的峰值强度越大,分别为18.04,29.92,32.29,45.94 MPa;围压越高,弹性阶段的AE计数相对减少;煤样发生剪胀扩容变形;基于AE计数构建损伤模型,分析对比损伤应变理论曲线与试验曲线,得到较高的拟合度,且损伤临界值和损伤量随围压的升高呈现减小的趋势;分析理论模型中的速率增长因子,得到试验与理论损伤规律一致。     

分段变速加载对含瓦斯突出煤力学特性影响试验研究

为探究采动应力变化对含瓦斯突出煤力学特性的影响，利用RLW-500G煤岩三轴蠕变-渗流试验系统，对新景矿含瓦斯突出煤进行了不同围压和瓦斯压力下的常规三轴和分段变速加载力学试验。结果表明:煤样在2种应力路径下的全应力应变曲线均可分为压密、线弹性、塑性变形、应力跌落和残余应力5个阶段；随着围压的升高或者瓦斯压力的降低，煤体在2种应力路径下的强度和弹性模量均增大；相较于常规三轴，煤体在分段变速加载路径下的强度普遍增大，峰值轴向应变、峰值环向应变绝对值和峰值体积应变绝对值也普遍增大，失稳破坏瞬间应力跌落和能量释放更加剧烈。Mohr-Coulomb强度准则仍然适用于分段变速加载条件下的含瓦斯突出煤，该研究对于认识煤与瓦斯突出的发生机制具有一定的指导意义。