瓦斯压力对卸荷原煤力学特性及能量特征的影响

运用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置,以原煤煤样作为研究对象,进行了含瓦斯煤固定轴向压力、卸围压的渗流试验,研究了卸围压过程中瓦斯压力对煤样力学特性和能量特征的影响。结果表明:在轴压加载阶段,煤样的变形模量基本不变,泊松比逐渐减小;在定轴压卸围压阶段,煤样的变形模量先小幅度增加,然后逐渐减小,泊松比则逐渐增大。瓦斯压力越高,煤样的承载能力越低,煤样发生破坏时相应的轴向应变和围压卸荷量百分比越小,而煤样破坏时的径向变形和扩容量越大。各应变围压柔量Δεi与瓦斯压力呈线性关系且线性相关性良好。随瓦斯压力升高,轴向应变的围压敏感性降低,径向应变和体积应变的围压敏感性显著升高。随瓦斯压力升高,煤样发生破坏时存储的弹性应变能Ue减小,而总能量U、耗散能Ud和耗散能比例Ud/U都增大。     

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。     

有效应力对煤体力学特性影响试验研究

为揭示煤与瓦斯突出灾害机理,综合考虑地应力和瓦斯压力对煤体力学特性的影响,采用有效应力进行分析。在不同围压、不同瓦斯压力条件下进行煤体受载破裂试验,综合分析围压、瓦斯压力和有效应力对煤体力学特性影响。结果表明:围压载荷使煤体抵抗变形能力变强,瓦斯压力载荷使煤体抵抗变形能力变弱;有效应力相同时,煤体压密效果相同,只受到围压作用的煤体单轴抗压强度高、弹性模量低,达到峰值应力后抵抗变形能力强;同时受到围压载荷和瓦斯压力载荷,且有效应力相同时,煤体压密阶段和弹性变形阶段具有相同的压密效果、弹性模量和单轴抗压强度。对井下煤体进行有效应力分析,可以简化力学模型,为分析井下煤岩力学状态提供方法。     

温度对瓦斯流动及全过程煤体变形的影响研究

为揭示不同温度下瓦斯吸附-解吸-渗流全过程煤体变形的差异性,应用自主研发的煤体瓦斯流固耦合试验系统,研究三轴应力加载下瓦斯吸附-解吸-渗流及全过程煤体变形随温度变化的响应特征。试验结果表明：瓦斯吸附阶段,煤体变形量与吸附时间呈Langmuir型上升变化;瓦斯解吸阶段,煤体变形量与解吸时间呈指数型衰减趋势;瓦斯渗流阶段,煤体变形量与时间呈幂函数上升趋势。瓦斯吸附量、渗透率及过程中煤体变形量均随温度升高而降低,瓦斯解吸率随温度升高而增大;煤体变形量与瓦斯吸附量、解吸量、渗透率呈正相关关系。温度效应对全过程煤体变形具有显著影响。     

不同冲击速度下硬煤的力学特性试验研究

为了研究硬煤破坏过程中的动态力学特性，采用Φ50 mm变截面分离式霍普金森压杆（SHPB）试验系统，对45#钢制薄壁套筒施加环向约束的硬煤试件进行不同加载速率的冲击压缩试验，得到被动围压下轴向应力-应变曲线、径向应力-应变曲线及最大被动围压和冲击速度的关系。研究结果表明:峰值应力、峰值应变随着冲击速度的增大而增大，最大被动围压值与冲击速度呈幂次增长的关系；被动围压下的硬煤试件变形受到限制，试件延性、抗压能力显著提高；随着冲击速度的增大，薄壁套筒对试件的约束也逐渐增大，达到峰值后，冲击速度对被动围压的影响减小，筒壁厚度影响着被动围压效果。     

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。     

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。     

卸围压条件下含瓦斯煤渗透性演化试验研究

为探究蠕变过程煤体应力卸载瓦斯可抽采程度,用河南工程学院自行研制的含瓦斯煤热-流-固耦合三轴渗流试验装置对润东煤业3号煤层含瓦斯煤原煤样进行渗流测试,并进行渗透率模型的理论分析,对比试验数据与模型计算数据。结果表明:试验过程中轴压降起始于卸围压后,渗透率变化滞后于轴压降;渗透率在卸围压初期变化不大,随应变的增加,渗透率由慢慢减小到突然增加。卸围压过程中的渗透率与轴向应变变化具有一致性,且与时间符合指数函数关系。     

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。     

不同推进速度下煤岩体采动力学行为响应特征与控制

为获得不同推进速度下煤岩体的采动力学行为特征,通过轴压和围压分别模拟不同推进速度下垂直应力、水平应力,采用增轴压降围压的方式模拟煤岩体的采动力学行为,同时采用数值模拟和工程实践相结合的方法对不同推进速度下煤岩体的采动力学行为进行研究。结果表明:在围压卸载速率相同的条件下,随着轴压加载速率（推进速度）的增加,煤体的峰值强度、轴向应变和横向应变呈增大趋势,在峰值阶段产生了较大的轴向应变和横向应变,呈现出一定的延性,破坏形式具有塑性特征;在轴向加载和围压卸载的综合作用下,煤体体积一直处于膨胀变形状态,围压的卸载加速了煤体损伤破坏的进程,煤体破坏时的峰值应力和体积扩容受控于围压卸载的程度,控制轴压加载速率和围压卸载程度可控制煤体破坏时的峰值应力和体积变形。生产实践中,应结合煤岩体的采动力学行为特征,确定合理的推进速度并加以控制,以保证回采巷道与采场围岩的稳定性。     

含瓦斯构造煤卸围压作用渗透性变化特征试验研究

针对含瓦斯煤轴压恒定卸围压渗透性演化规律,以新登煤业二1煤原煤样为研究 对象,利用自主研发的含瓦斯煤岩三轴应力蠕变渗流试验装置,开展不同围压下轴向应 力恒定卸围压渗流测试试验。基于实验结果表明:构造煤在应力加载阶段渗透率降低, 且轴压围压同时加载,渗透率变化与轴向应变符合线性变化,轴压加载阶段,渗透率与 轴向应变符合负指数函数变化规律;围压卸载阶段,渗透率在卸围压过程中一直减小, 随着轴向应变的增加,渗透率出现反弹,但未出现突变现象,渗透率增加阶段与时间变 化符合退化的负指数函数关系;构造煤渗透率卸围压失稳后,渗透率没有出现突变原因 认为煤样中没有形成较大的有效渗流通道,且在一定的有效应力作用下瓦斯渗流的有效 通道出现自愈合现象。     

低压注水对煤体孔隙特征及渗透率的影响

煤体的孔隙特征及渗透率是影响注水减尘防突效果的重要因素,为了从孔隙角度揭示不同注水压力对煤体渗透率的影响。选取首山矿己15-12061工作面进行低压煤层注水现场实验,采用氮吸附法和压汞法分析各煤样微观及宏观孔隙特征,通过渗透率实验测得各煤样渗透参数。研究结果表明:煤的孔隙构成复杂,随着孔径增大,累计孔体积呈线性增大,累计孔面积呈对数型增大;压裂及延展微小裂隙效应使得低压注水能够增大煤体各孔径段孔隙量,但增幅不同;注水压力与各孔径段孔体积、比表面积呈正相关关系,各孔径段孔隙与渗透率呈线性正相关关系;注水对宏观孔隙影响更强烈,宏观孔隙对渗透率贡献相对较大。注水后的煤体孔隙系统连通性更好,渗透性能更强。     

三轴加载条件下层理煤体的力学特性和破坏机制研究

为了探究围压和层理角度对煤体力学特性、变形破坏特征的影响,对不同层理角度煤样开展不同围压下的三轴加载破坏试验,并利用摩尔-库伦准则对煤体的破坏机制进行研究。研究结果表明：煤样峰值偏应力随围压增大的平均增幅随α的增大呈“V”型分布,0°煤样平均增幅最大为14.51%,45°煤样最小为6.72%;随着围压增大,0°和90°煤样的峰值应变不断增大,45°煤样的峰值应变逐渐减小;围压增大使得煤样由局部破坏向整体性破坏转变,破碎程度显著增加;利用摩尔-库伦准则对煤体的破坏机制进行分析发现：煤样的内摩擦角和黏聚力随层理角度增大先减小后增大;煤体在一定角度范围内沿结构面发生剪切破坏,超出这个范围产生复合破坏形式,逐渐趋向于完整岩石破坏。研究结果可为矿井围岩监测提供一定的参考和依据。     

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。     

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。     

基于电荷监测技术预测矿山动力灾害试验研究

为提高矿山动力灾害预测准确率,应用自主研制的电荷传感器,将标准煤样置于三轴压力室内进行应力-电荷试验。分析围压对煤样压缩破坏过程中电荷信号的影响。结合现场测试,揭示工作面开挖过程中煤体应力与煤壁表面感应电荷的时间和空间变化规律。试验结果表明,煤体压缩过程中电荷信号的变化与煤体所处的应力水平关系密切,处于应力集中区域和应力松弛区域的煤体有明显脉冲状电荷信号,原始应力区电荷信号平稳,电荷信号的变化超前于煤体应力的变化,围压对电荷信号有延缓、强化的作用。     

有效围压对煤体破裂声发射信号影响研究

含瓦斯煤体受载破裂声发射信号监测对煤与瓦斯突出等动力灾害预测研究具有重要意义。为了提高井下动力灾害预测准确性和及时性,在不同围压、不同孔隙压力条件,进行了煤体受载破裂声发射信号监测试验。结果表明:围压作用使声发射信号滞后且峰值增大,瓦斯压力使声发射信号首次高振铃计数提前;用围压和孔隙压力差值表示有效围压,通过引用有效围压,可以综合讨论围压和孔隙压力对声发射信号的影响,并且通过最小二乘法拟合发现有效围压与煤体破裂声发射信号峰值具有线性关系。利用有效围压与声发射信号的线性关系可以推导信号峰值,将信号峰值的30%设置为信号阀值,为煤与瓦斯突出等动力灾害预测提供一种新的方法。     

低围压下含瓦斯煤三轴压缩变形时的能量变化规律

为探究煤体在受压过程中的能量特征及临界破坏点能量变化规律，基于常规三轴压缩下含瓦斯煤的应力-应变曲线，分析含瓦斯煤破坏过程中弹性应变能和耗散能随应变变化的规律，据此给出含瓦斯煤在不同围压、含水率下变形破坏时的能量解释。研究结果表明：有效能比在同一围压下随着含水率的增大先增加后减小，表明含水率的增大会降低煤样强度。建立围压和含水率对含瓦斯煤三轴压缩变形过程中临界破坏点总能量耦合关系的多元线性回归方程，取得了较好的拟合度。     

考虑水分影响的煤层气吸附及渗透机理

为定量分析水分含量和孔隙压力变化对煤层气渗流特征的影响,采用ASAP2020型比表面微孔分析仪进行低温液氮吸附试验,并通过等温吸附装置和三轴伺服渗流装置进行不同含水率条件下的煤岩吸附和渗流试验.在此基础上,建立考虑煤岩水分含量影响的吸附模型和煤层气渗透率模型,采用试验数据验证其合理性.结果 表明:在液氮吸附试验中,当相对压力较小时,煤岩吸附作用主要依靠范德华力;当相对压力较大时,其吸附作用则主要为毛细凝聚.在相对压力变化过程中,氮吸附量随相对压力的增大呈增大趋势,同时在相对压力较小时液氮脱附曲线与吸附曲线重合,且存在显著的吸附滞后现象.当煤岩中水分含量相同时,煤层气吸附量随孔隙压力的增大先增大后趋向于平缓,而当孔隙压力恒定时,煤层气吸附量随水分含量的增大呈减小趋势.在吸附作用的影响下,煤岩表面吸附变形量与煤层气吸附量的变化趋势一致.在水分与吸附作用综合作用下,煤岩渗透率随孔隙压力的增大呈先减小后趋于平缓的趋势.当孔隙压力恒定时,煤岩渗透率随水分含量的增大显著减小.基于吸附理论,建立考虑水分影响的煤岩吸附模型及吸附变形表达式.综合考虑水膜及其分离压的影响,进一步构建考虑煤层气吸附-水分耦合作用的煤岩渗透率模型.模型计算值与试验数据具有一致性,可较好地表征煤岩在不同含水量条件下的渗流规律.     

煤体结构差异对气体运移影响的试验研究

利用自行研制的装置,以氮气模拟瓦斯,以同一压力下压实的不同粒径煤样制作不同煤体结构构造煤;气源以恒定压力向煤体持续注气,使煤体吸附一段时间后,停止注气,打开放气阀,使煤体开始解吸,进行了煤体结构差异对气体运移影响的试验研究。结果表明:构造煤体的气体运移特征有线性渗流和二项式渗流。当组成构造煤体的煤颗粒粒径较大时,在流量达极值前,通过煤体的气体流量随时间的变化成线性关系,此时煤体内气体的运移特征符合线性渗流。当组成构造煤体的煤颗粒粒径较小时,在流量达极值前,通过煤体的气体流量随时间的变化成二项式关系,此时煤体内气体的运移特征符合二项式渗流。试验中大颗粒粒径煤体和小颗粒粒径煤体,在流量达到极值后,通过煤体的气体流量随时间的衰减关系均成二项式关系。