贵州六盘水矿区煤岩孔隙发育程度及渗透率演化规律研究

为探究煤岩孔隙结构与渗透特性的内在关系,以贵州六盘水3个矿区煤岩为研究对象,利用ASAP2020型比表面微孔分析仪和自主研制的含瓦斯煤三轴渗流装置,研究了其内部孔隙发育情况,并进行了不同孔隙压力下的三轴渗流试验。采用FHH表面分形计算分形维数,建立考虑分形维数的渗透率模型,通过试验结果与模型对比验证其合理性。结果表明:1)煤岩的吸附等温线具有Ⅳ型等温吸附线的特征,四角田煤矿7#煤层微孔到大孔均发育较好,松河煤矿3#煤层存在大量的"墨水瓶"形微孔,木冲沟煤矿8#煤层微孔和中孔较为发育; 2)煤样FHH分形维数介于2.4～2.8,与孔容、平均孔径和孔隙率均呈负相关关系,煤岩孔体积变化在20～40 nm阶段最为明显,累计孔隙容积迅速增加,煤层具有大量的微孔和过渡孔,孔隙发育良好; 3)煤岩渗透率均随孔隙压力升高而降低,四角田煤矿7#煤岩渗透率最大; 4)模型曲线与试验值吻合度较高,能很好地反映孔隙压力与渗透率的变化关系。     

综放工作面覆岩破坏特征及裂隙演化相似模拟试验研究

针对煤层开采后常出现矿压显现剧烈、煤岩透气性增大和地表下沉等问题,利用二维相似模拟试验研究综放工作面覆岩破坏特征并通过分形理论表征裂隙演化规律.试验结果表明:煤层基本顶初次来压步距为78 m,周期来压步距为24 m;煤层采动裂隙发育,距煤层顶板超过35 m;煤层开采后形成的覆岩裂隙具有分形特征,其分形维数随工作面的推进...     

三轴应力下煤岩损伤-能量演化特征研究

为有效预防煤岩动力灾害,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验装置对煤岩进行三轴压缩试验,研究三轴应力下煤岩的变形破坏特征及损伤过程中的能量演化机制;建立煤岩损伤本构模型;构建损伤-能量耦合数学表达式。结果表明:不同围压下煤岩偏应力-应变曲线的变化趋势基本一致;煤岩在变形破坏过程中,能量转换形式随变形破坏规律呈现阶段性变化;围压对煤岩的能耗特征有较大的影响,煤岩吸收的总能量、弹性能、耗散能的增长速率均随围压的增大而增大,且在峰值偏应力点处,随着围压的增大,临界破坏点总能量、储能极限、临界破坏点耗散能线性增大;能量耗散是造成煤岩内部结构产生损伤的主要原因,耗散能随损伤变量的增大总体上呈S型变化。     

考虑支撑剂嵌入作用的煤岩渗透率模型

为研究煤层气抽采过程中支撑剂和应力耦合作用下的渗透率演化机制,利用吸附理论建立煤岩吸附变形方程,进一步构建考虑支撑剂和应力影响的渗透率模型,并通过试验数据验证其合理性。结果表明:煤岩吸附量与孔隙压力呈正相关的关系,其吸附变形也具有相同变化趋势;嵌入支撑剂的煤岩渗透率远大于常规储层,其中单层砂的增透效果最佳;随有效应力增大,煤岩渗透率呈指数函数形式减小;随孔隙压力的增大,煤岩渗透率呈先减小后趋于平缓的趋势;利用改进的理论模型拟合曲线,其中实测值与模型计算值基本吻合。     

考虑孔隙瓦斯劣化作用的煤岩损伤本构模型

矿井瓦斯是煤岩体赋存环境因素之一,同时也是影响煤岩力学性质的主要因素,研究基于煤岩损伤统计特征及Drucker-Prager破坏准则,分析得出了煤岩单轴压缩载荷作用下损伤演化本构模型,基于煤岩弹性波速相关理论建立了孔隙瓦斯对煤岩力学性能劣化损伤力学模型,并在此基础上得出了考虑孔隙瓦斯劣化作用的煤岩损伤本构模型;以原煤及型煤试样为研究对象,开展了不同孔隙瓦斯压力条件下煤岩单轴压缩破坏实验,基于实验研究结果对模型进行了验证。研究结果表明所建立的模型可以很好的反映孔隙瓦斯作用下煤岩单轴压缩载荷条件下的应力-应变关系。     

煤岩渗透率各向异性模型及瓦斯抽采模拟研究

为进一步明晰煤岩渗透率演化特征和基质瓦斯渗流对瓦斯抽采的影响,基于已有的基质瓦斯渗流流固耦合模型,考虑煤岩渗透率的各向异性特征,建立煤岩渗透率各向异性耦合模型;运用COMSOL Multiphysics软件,分析煤岩渗透率各向异性特征和基质瓦斯渗流对瓦斯抽采的影响。研究结果表明:随着渗透率各向异性系数的增大,基质与裂隙渗透率比例系数降低,瓦斯抽采效果明显降低;基质瓦斯渗流量比重最大值随各向异性系数的增大而增大,但在抽采中后期渗流量比重逐渐趋于稳定,且稳定在0. 1%左右;基质瓦斯渗流项在瓦斯抽采中某一特定阶段有促进作用。     

力热耦合条件下煤岩渗透率模型研究

为研究随采深增加煤岩的渗流变化趋势,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,进行不同温度下孔隙压力改变的渗流试验,建立力热耦合作用下考虑滑脱效应的煤岩渗透率模型,采用试验数据验证模型的有效性。研究结果表明:在孔隙压力增大过程中,瓦斯流量逐渐增加,随温度升高体积应变、径向应变均呈降低趋势,轴向应变呈先降低后升高趋势;随孔隙压力增大,煤岩渗透率先逐渐减小后趋于平缓,且随温度升高,煤岩渗透率呈增大趋势;考虑力热耦合作用下煤岩渗透率模型计算出的渗透率与试验所测结果吻合较好;在低孔隙压力下滑脱效应较明显,随着孔隙压力增大,滑脱效应逐渐减弱。     

考虑初始宏细观缺陷的裂隙岩体损伤本构模型研究

针对传统岩石损伤本构模型因对初始状态损伤忽略的假定致使岩石损伤状态表达不足的问题,基于连续损伤力学原理,运用统计损伤学定义了表征含有初始宏细观缺陷的岩体损伤变量,引入表征岩体初始损伤状态的初始损伤系数k,优化了传统损伤本构模型,对建立的损伤演化本构模型和实测数据曲线进行对比分析。研究结果表明:优化后的本构模型对裂隙岩石全应力应变过程拟合精度更高,其损伤演变过程更符合实际,并能反映存在初始损伤的岩石力学特征差异,量化了初始孔隙、裂隙等宏细观损伤在应力环境中的耦合作用,对研究宏细观缺陷岩石损伤场-应力场耦合作用机制具有意义。     

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.     

瓦斯气体劣化-荷载作用下煤岩损伤本构模型

为有效预防煤矿瓦斯动力灾害,研究瓦斯气体对煤岩力学性质的劣化机制及煤岩损伤演化特征,以原煤试样为研究对象,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验装置,开展不同瓦斯压力下煤岩三轴压缩试验;建立瓦斯气体劣化-荷载作用下煤岩损伤本构模型,通过试验结果验证该模型的合理性。结果表明:煤岩在塑性变形阶段前累计损伤几乎为0,峰后损伤程度迅速增大;随着瓦斯压力升高,煤岩峰值强度与弹性模量均降低,瓦斯气体作用后煤岩初始损伤量显著增加;煤岩黏聚力随瓦斯压力升高而呈线性降低,通过黏聚力与瓦斯压力的关系修正Mohr-Coulomb准则,可量化考虑瓦斯气体劣化后的煤岩应力应变关系;所建模型与试验结果吻合度较高,可反映不同瓦斯压力作用下煤岩损伤演化过程。     

岩桥破坏全过程分形特征研究

为定量研究边坡岩桥破坏全过程特征,对岩桥试件进行单轴压缩试验,采用盒维数法计算加载过程中裂纹扩展路径的破裂分形维数,基于应力-应变曲线和破裂分形维数量化表征岩桥破裂演化特征,论证了试验结果与实际边坡岩桥破坏过程的相似性;而后,对试件碎屑进行筛分试验,引入破碎分形维数定量描述其破碎特征;最后讨论了这2种分形维数之间的关系。结果表明:1)岩桥试件的应力-应变曲线呈现出"峰后回升"特征; 2)破裂演化过程中产生的新生裂纹具有形态上的自相似性,即分形特征,破裂分形维数与应变之间服从双曲线关系; 3)岩桥试件破坏后的碎屑尺寸分布具有分形特征,破碎分形维数变化范围在2. 60～2. 67之间; 4)数据拟合表明,岩桥试件最终破坏状态的破裂分形维数与破碎分形维数之间呈线性正相关关系,这是因为试件的裂纹萌生、扩展和贯通与破碎特征紧密相关,属于因果关系。     

单轴压缩煤岩破裂电荷尺寸效应试验研究

为研究不同尺寸煤岩裂隙发生发展差异性,在单轴压缩条件下,采用电荷感应技术研究煤岩破裂电荷信号和煤岩尺寸的关系,得出单轴压缩煤岩破裂电荷尺寸效应。结果表明:单轴压缩条件下,单位体积电荷量随体积以幂函数关系增长;单位面积电荷量随面积以幂函数关系增长;单轴压缩煤岩破裂电荷的尺寸效应源于煤岩的非均匀性;大体积或大面积煤岩含有原生裂隙和大裂隙的数量越多,煤岩就越不均匀,原生裂隙的扩展和新生裂隙的产生、扩展概率也就越大,因而产生静电荷量越大。     

寺家庄井田煤储层渗透率表征方法优选

煤储层渗透率是影响瓦斯抽采与煤层气开发的重要参数,快速评价不同结构煤体的渗透率对指导现场工作有重要意义。以寺家庄井田为例,为了优选出表征煤储层渗透率的合适方法,通过裂隙分形维数、声波速度和地质强度指标(GSI)对煤体结构进行定量表征,测试其渗透率,依据表征的难易程度和二者拟合系数进行对比。结果表明:裂隙分形维数与渗透率相关性显著,但是操作较为繁琐且不适用于软煤;声波速度法操作简单,但与渗透率关系不明显;地质强度指标与渗透率具有显著的相关性,操作简单,适用于所有煤体结构。因此,寺家庄井田煤储层渗透率表征的最佳方法为地质强度指标法。     

岩石破坏失稳的声发射响应与损伤定量表征研究

为了探索在外载荷作用下岩石的损伤演化规律及声发射响应特征,实现损伤程度的定量表征,以标准岩石试件为研究对象,采用RMT-301岩石力学试验系统和DS5-8B全信息声发射仪,开展单轴加载条件下岩石破坏全过程的声发射(AE)试验研究,根据声发射参数、声发射源三维定位、声发射能量密度和岩石力学分析表征其破坏形态,再现岩石裂隙孕育、发展和贯通过程,揭示岩石破坏规律、能量密度分布特征、裂隙空间演化和AE时序参数;以时间为中间变量,建立声发射累计振铃计数和应力、应变及损伤变量的耦合关系;基于岩石损伤演化方程,进一步建立声发射累积能量和应力、应变的定量模型。研究结果对揭示岩石破坏机制、区分岩体强度具有指导意义,为矿山煤岩动力灾害的预测预警提供一定理论支撑。     

考虑基质瓦斯渗流的煤层流固耦合模型

为更准确反映抽采过程中的煤层瓦斯(甲烷)运移过程,将煤岩视为孔隙-裂隙双重结构、双渗透率非均匀弹性介质,考虑基质瓦斯渗流作用,结合地下水、瓦斯吸附/解吸特性、煤岩变形和渗透率演化等因素的耦合作用,建立考虑基质瓦斯渗流的煤层流固耦合模型;数值模拟地面瓦斯抽采过程,分析煤层瓦斯运移规律和基质渗流作用对瓦斯抽采的影响。研究表明:基质瓦斯和裂隙瓦斯的压力均随时间的增加而降低,两者差值先增大后减小;在模拟工况下,单位时间内基质瓦斯渗流量仅占流入裂隙瓦斯量的0.5%。基质渗流对瓦斯抽采的产能及储层压力有影响;考虑基质瓦斯渗流的双孔隙双渗透率模型预测的产气速率和储层压力下降幅度均小于双孔隙单渗透率模型。     

孔隙压力对煤岩渗透率影响的试验研究

为探索孔隙压力对煤岩渗透特性的影响和瓦斯运移规律,以贵州六盘水矿区的煤样为研究对象,利用自带能量扩散X射线(EDX)扫描电镜(SEM)、比表面微孔分析仪,分析煤岩的孔隙特征,同时利用自主加工的三轴渗流装置,进行不同压差下孔隙压力变化的渗流试验研究。结果表明,煤岩孔隙特征、氮气吸附量与孔裂隙发育程度成正相关关系,且与孔径的孔连通率有关。压差一定时,随着孔隙压力增加,煤岩渗透率下降,呈指数函数规律;压差小时,煤岩渗透率的减小率随孔隙压力的增大而减小。煤岩渗透率随试件两端压差的增大呈指数函数减小。     

超声机械效应致裂煤岩增渗规律研究

超声机械效应致裂煤岩过程中裂纹的萌生、扩展过程及增渗规律仅凭借物理实验无法得到,煤岩破裂能量变化、煤岩应力-应变关系及储层渗透特性变化缺乏深入的研究。结合CT观测及渗透率的气测实验对煤岩破裂声发射、有效声压及声波对煤岩体裂纹扩展规律进行了深入探讨;开展了超声机械效应致裂煤岩的数值试验研究。结果表明:煤岩破裂过程应力变化率和煤岩声发射现象具有一致性;有效声压的增大有利于裂纹扩展和贯穿,使煤岩体内部原本互不相通的裂纹裂隙形成了相互贯通的网络,从而提高了煤岩的渗透率。     

滇东黔西松软煤岩三轴压缩力学特性及能量演化特征

为促进滇东黔西地区煤炭资源安全高效开发,开展了不同围压下的三轴压缩试验,研究了该地区松软煤岩的压缩力学特性及能量演化特征。研究结果表明:裂隙增大了松软煤岩差应力-应变曲线峰后下降的速率,差应力-体积应变曲线从峰前屈服阶段开始左拐,表现出扩容现象,达到峰值强度后扩容现象愈加明显;围压增强了煤岩承压能力,对煤岩压缩变形过程中径向变形的抑制作用明显;围压条件下,松软煤岩的抗压强度、破坏模式及破坏角均符合Coulomb强度准则;围压几乎不影响弹性能的增长速率,但提高了煤样储存弹性能的能力,受割理等裂隙影响,耗散能与围压无明确相关关系。     

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。     

双向不等围压煤岩破坏能量演化机理与能量强度准则

结合室内单轴试验和颗粒流与Fish语言程序对杨村矿煤岩进行了不同围压组合试验,研究双向不等围压煤岩的强度、能量演化机制,并基于能量原理导出能量强度准则。结果表明:随围压比增大,煤岩屈服段对应应变幅宽先增后减,峰后软化段应力降明显,残余强度减小;可释放弹性应变能随应变增加在峰值前不断增大,但增速越来越小,峰后初期快速减小,然后保持较低水平;随围压比增大,煤岩在较大轴向应变下出现内部损伤,高围压比下峰前一定应变范围吸收的能量全部用于内部损伤裂隙形成和扩展所需的表面能,揭示了高围压比要比低围压比煤岩破坏时内部损伤程度严重;高围压比煤岩在较大第一、第二主应力作用下峰后弹性应变能释放更加容易;煤岩弹性储能极限与围压比存在线性变化规律,将弹性储能极限与能量演化结合导出能量强度准则,准则方程包含岩性常数和3个主应力,考虑了岩石破坏的综合因素,计算精度比Hoek-Brown准则和Drucker-Prager准则更具优势,能很好地表达岩石强度特性。