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。     

基于热流固耦合工作面前方瓦斯渗流数值模拟

通过分析温度和地应力对深部煤体瓦斯运移规律的影响,建立了瓦斯渗流热流固耦合模型,以贵州省松和煤矿15#煤层12150采煤工作面为例,利用ComsolMultiphysics软件对深部煤层工作面前方瓦斯渗流进行数值模拟。研究结果表明:受采动影响,在工作面前方“三带”中,卸压区存在大量新裂隙和通道,瓦斯压力梯度最大;在应力集中区至卸压区过渡段瓦斯压力下降速度最快,解释了在该区容易导致瓦斯突出的原因;在应力集中区,瓦斯压力和有效应力较高,压缩煤体,导致煤颗粒排列紧密,渗透率降低;在卸压区,煤体体积形变逐渐变大,产生了很多新裂隙,发生扩容,渗流通道贯通,导致渗透率急剧增加,因此在应力最大处形成了煤层渗透率最低点,随着时间的推移,渗透率最低点逐步远离工作面;在采煤工作面前方,虽然温度升高后瓦斯热运动加剧,有促进瓦斯渗透率的趋势,但由于工作面前方有效应力较大,煤体受热膨胀应力小于有效应力,导致煤体内膨胀,渗流空间减小,造成渗透率降低。     

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。     

基于MABC-SVM的含瓦斯煤体渗透率预测模型

对含瓦斯煤体的渗透率的有效预测,可为瓦斯抽采和瓦斯灾害的防治提供理论指导,采用改进的人工蜂群算法(MABC)和支持向量机(SVM)相结合对其进行预测。应用改进的人工蜂群算法优化支持向量机的核函数参数C和g,提高了支持向量机的预测准确性。选取有效应力、瓦斯压力、温度和煤的抗压强度作为影响含煤瓦斯渗透率的主要影响指标,结合实验室测试数据,建立MABC-SVM含煤瓦斯渗透率预测模型。研究结果表明:该模型具有较强的泛化能力,可以相对准确有效的对含煤瓦斯渗透率进行预测,为瓦斯渗透率的研究提供了新的研究思路。     

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。     

卸压煤层瓦斯抽采渗透率演化模型研究

为研究井下卸压抽采时瓦斯流动规律,建立煤层渗透率演化模型。为建该模型将煤体简化为有2组相互垂直节理发育的等效连续介质,假定瓦斯在煤体裂隙中的流动符合立方定律,考虑煤基质对吸附性气体的吸附膨胀作用和外荷载对煤的压缩变形作用,不考虑孔隙压力对裂隙张开的影响。从应力条件和孔隙压力2个方面,结合煤样渗透率试验,对该模型进行有效性验证。结果表明,渗透率模型能反映应力和低孔隙压力对煤样渗透率的影响,但不能体现高孔隙压力对煤样损伤导致的渗透率增大作用。     

考虑各向异性影响的煤层吸附及渗透机制研究

为探究煤层各向异性渗流机制,分析其吸附特性,建立吸附模型并计算吸附变形量,进而量化吸附作用对渗透率的贡献情况。在此基础上分析煤层各向异性渗流特性,进一步构建应力和滑脱效应耦合作用的各向异性渗透率模型,并通过试验数据验证其适用性。结果表明:煤层瓦斯吸附过程受吸附变形和外应力的影响,且不同方向的瓦斯吸附量存在差异;在孔隙压力增大过程中,各方向瓦斯吸附量曲线先增大后趋于平缓;在有效应力、孔隙压力和滑脱效应的综合作用下,煤层各方向的渗透率均先减小后趋于平缓。考虑应力和滑脱效应耦合作用下煤层各向异性渗透率模型计算曲线与试验值吻合度较高,验证了模型的适用性。     

热力耦合作用下深部煤层渗流规律试验研究

为了进一步揭示深部煤岩渗透率的变化规律,进行了高有效应力和高温条件下煤体渗透规律测定试验.结果表明:随着有效应力的增大,煤层渗透率呈现递减趋势;温度升高,煤体出现膨胀现象,渗透率减小.初步提出了热力耦合作用下含瓦斯煤渗透率影响机理,即温度升高,煤固体骨架膨胀,试件内部孔隙裂隙体积减小,瓦斯渗流通道减小,渗透率减小;有效应力增大,煤体孔隙裂隙被压缩,导致渗透率逐渐减小.     

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。     

钻孔瓦斯抽采气固耦合模型及其应用

为研究钻孔瓦斯抽采过程中瓦斯运移机制,基于瓦斯渗流扩散方程,探讨钻孔周围不同区域煤体变形和渗透率动态变化,推导出钻孔周围卸压区和非卸压区瓦斯流动耦合方程。根据某矿己15-31010工作面煤体物性参数建立几何模型,利用COMSOL Multiphysics有限元分析软件对耦合方程进行数值求解。结合模拟结果分析煤体形变、渗透率动态变化、钻孔周围瓦斯压力之间的耦合关系。对相关参数模拟结果进行现场抽采效果验证。结果表明,在瓦斯抽采过程中,煤体瓦斯压力随着时间推移逐渐降低,沿钻孔中心向四周方向,瓦斯压力在卸压区迅速增加,在非卸压区增速逐渐变缓,最终趋于稳定;煤体渗透率在钻孔周围呈现非对称V字型变化规律;卸压区的煤体变形较大,变形量在远离钻孔的方向上逐渐减小;模拟结果与现场抽采效果基本吻合。     

基于响应曲面法的有效抽采半径多因素交互影响机制研究*

为探究钻孔有效抽采半径的关键影响因素及各因素间交互作用,构建应力应变-瓦斯吸附解吸耦合渗透率变化模型,采用COMSOL软件进行数值模拟,分析单一因素变化对钻孔有效抽采半径的影响,并通过Design-Expert软件设计响应曲面试验,分析多因素交互作用对钻孔有效抽采半径变化的影响机制,获得有效抽采半径对多因素交互影响的响应曲面模型。研究结果表明:不同因素对钻孔有效抽采半径影响的显著性顺序为:煤层初始渗透率、原始瓦斯压力、抽采时间,煤层初始渗透率和抽采时间与有效抽采半径呈正相关关系,原始瓦斯压力与有效抽采半径呈负相关。1个影响因素的变化会影响其他因素对有效抽采半径的影响,煤层初始渗透率能够放大其他因素对有效抽采半径的影响,而原始瓦斯压力则会降低其他因素对有效抽采半径的影响。     

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。     

近距离薄煤层群上保护层开采邻近层卸压瓦斯抽采模式探究*

为研究近距离薄煤层群上保护层开采期间邻近层卸压瓦斯对回采工作面瓦斯涌出的影响,进而有效杜绝保护层开采过程中工作面瓦斯积聚或超限等事故,结合煤岩体破碎前“应力-裂隙-渗透率”间关系,建立卸压瓦斯三维渗流模型。采用Flac3D软件,以新维煤矿煤层条件为工程背景,研究保护层开采过程采场渗透率沿纵向分布规律,确立下保护层C3煤层处于三维增渗区、C7与C8号煤层处于水平增渗区。基于此,提出“近场定向钻孔全覆盖抽采与远场穿层钻孔层间卸压抽采结合”的瓦斯治理技术模式,并开展现场试验,结果表明:试验工作面回风瓦斯浓度降低44.4%,绝对瓦斯涌出量降低52.3%,该模式可显著提高卸压瓦斯的治理效果,为类似工况下的保护层开采提出1种新的瓦斯抽采模式,具有一定的指导及借鉴意义。     

考虑串孔影响的穿层水力扩孔合理冲煤量研究

在煤层增透方面,穿层水力扩孔冲出煤量主要依据经验以及遵循“能冲尽冲”的原则,致使串孔现象严重,针对这一问题,采用理论分析、数值模拟结合工程试验的方法,阐明了串孔致因机理和串孔前后扩孔孔硐内负压损失分布特征,构建了考虑吸附膨胀应力和Klinkenberg效应的扩孔孔硐附近煤体瓦斯流动流-固耦合数学模型,利用Comsol软件,模拟了不同冲煤量下扩孔孔硐附近煤体所受应力分布和煤体渗透率的变化情况。研究结果表明:随着煤体不断被冲出,孔硐有效抽采半径相对变化率呈现衰减趋势;扩孔孔硐附近最大主应力呈现先急剧减小再增大,然后降低直至原始应力大小的趋势;渗透率的变化趋势与最大主应力恰好相反;扩孔孔硐周围煤体渗透率的增加主要受煤体的径向位移所控制,孔硐周围煤体大幅径向位移会产生串孔现象,渗透率虽得到大幅度提高,但瓦斯抽采效果和安全采掘很难保证,需要厘定出水力扩孔合理冲出煤量。     

高瓦斯低透气性煤层深孔预裂爆破增透技术研究及应用*

为解决高瓦斯矿井开采过程中煤体透气性差、瓦斯预抽周期长、抽采效果不佳的难题,提出利用深孔预裂爆破技术提高煤体裂隙发育度,增加煤体透气性,从而提高瓦斯抽采率的方法。通过现场调研、理论分析、数值模拟及工业性试验等方法,分析深孔预裂爆破卸压增透内在机理,确定爆破影响半径为4.5~5.3 m,并在A110605工作面进行现场应用,同时考察煤层增透效果。研究结果表明:煤层爆破致裂后,平均瓦斯抽采浓度提高了2.17倍,平均瓦斯抽采纯量提高了2.02倍,煤层透气性系数提高了近5.3倍,煤层卸压增透效果显著,很大程度上消除了煤与瓦斯突出危险性,为实现工作面的安全开采及正常接替提供了保障。     

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。     

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。     

循环载荷下煤样不同方向渗透特性试验研究

针对循环采动过程中煤层不同方向渗透特征的演化规律问题,以平顶山十二矿己15煤层煤样为研究对象,利用自行研制的应力-渗流-解吸煤体变形试验装置,开展了循环围压加载下煤样不同方向渗透试验。研究结果表明:在相同的轴压、围压和平均孔隙压力下,试样平行层理面方向的渗透率大于垂直层理,平行层理面内的渗透率相差不大。在围压恒定的情况下,通过试样的流量随着渗透压差的增大而增大,且二者之间的关系可以用二次函数描述;围压增加,导致裂隙闭合,渗透率减小,当循环围压大于煤屈服强度和抗压强度时,裂隙扩展,渗透率增加;循环围压加载可以改变煤样原有不同方向渗透率大小顺序,渗透率与原初始渗透率比值随循环加载次数的增加而增大。     

水力压裂有效压裂半径的影响因素研究*

为改善水力压裂增透效果,提高煤层瓦斯抽采效率,减少矿井瓦斯灾害,明确不同因素对水力压裂有效压裂半径的影响,基于Mohr-Coulomb准则建立水力压裂渗流—损伤耦合方程,并且求得水力压裂破裂区半径运算公式;运用ABAQUS软件模拟并分析地应力σ、注水水压P、压裂孔径d及弹性模量E对水力压裂有效压裂半径L的影响;并通过灰色关联分析方法确定水力压裂有效压裂半径的主控因素。研究结果表明:水力压裂有效压裂半径与注水水压、压裂孔径及弹性模量呈递增关系,与煤层地应力呈递减关系;水力压裂有效压裂半径受煤层地应力的影响最大,注水水压次之,受压裂孔径和弹性模量的影响相对较弱。